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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Magnetspule als Aktor eines Schaltventils durch Umschaltung zwischen einer kurzzeitigen Anzugs- und einer anschließenden Haltephase, in welcher ein definierter Sollwert für eine lineare Regelung der Spannung an der Magnetspule vorgebbar ist, um ein gegenüber dem Anzugsstrom reduzierten definierten Haltestrom einzustellen.
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Elektromagnetische Aktoren sind in Ventilantrieben aber auch in Stellgliedern anderer Art enthalten. Durch die zunehmende Miniaturisierung und die Blockkonstruktion, d. h. den verblockten Aufbau der Magnetventile, werden die Leistungsdichten in den zur Verfügung stehenden Bauräumen immer größer. Dies führt wegen der insofern schlechten Wärmeabfuhr nach außen zu thermischen Problemen. Insbesondere die Vorsteuerventile können einer funktionskritischer Aufheizung unterliegen, was zum Durchbrennen der elektrischen Spule führen kann.
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Eine Möglichkeit zur Reduzierung dieses Problems besteht darin, pneumatische Vorsteuerstufen als zusätzliche Verstärkerstufen vorzusehen. Dies wiederum erhöht aber den benötigten Bauraum. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades durch Verringerung der Verlustleistung des elektromagnetischen Aktors ist aus Aufwandsgründen ebenfalls praktisch nicht sinnvoll.
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Um elektromagnetische Ventile zu betätigen, benötigen die Antriebe in der Einschaltphase hohe Ströme, während im betätigten Zustand der Strombedarf zum Halten der Schaltstellung deutlich reduziert ist. Aufgrund der hyperbolischen Charakteristik der Magnetkraft-Hub-Kennlinie ist in der Einschaltphase die am Anker wirksame Magnetkraft bei großem Arbeitsluftspalt vergleichsweise gering. Um den Magnetanker aus seiner Ruhelage heraus gegen die Federkraft zu bewegen, muss die Magnetspule voll bestromt werden, um das maximale Kraftpotential zu nutzen. In der betätigten Schaltstellung ist der Arbeitsluftspalt minimal, so dass sich bei unverändertem Magnetstrom eine recht hohe Kraftreserve ergibt. Die Bestromung kann im geschalteten Zustand deutlich reduziert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Anker wieder abfällt.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansteuerungen bekannt.
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Aus der
DE 29 32 859 A1 geht eine Einrichtung zum Steuern des Stromes durch induktiv arbeitende Schaltorgane hervor. Diese Schaltorgane sind insbesondere Magnetventile im Kraftstoffzumesssystem einer Brennkraftmaschine, mit der die Stromsteuerung während einer Anzugs- und Haltephase möglich ist. Hauptmerkmal ist eine steuerbare Konstantspannungsquelle parallel zur Basis-Emitter-Strecke eines Schalttransistors sowie eines Messwiderstandes. Des Weiteren ist ein mit seinem Plus-Eingang am Messwiderstand angeschlossener Schwellwertschalter mitgekoppelt und der Minus-Eingang dieses Schwellwertschalters liegt an einem abhängig vom Eingangsignal steuerbaren Spannungsteiler.
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Ferner betrifft die
DE 39 09 141 A1 eine Schaltungsanordnung für den Betrieb eines elektromagnetischen, insbesondere als Erregerwicklung eines Magnetventils ausgebildeten Verbrauchers, die über ein Steuerglied an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Um einen von inneren und äußeren Einflüssen, wie z. B. schaltungs- und bauelementespezifische Streuungen, sowie Driftvorgängen, durch beispielsweise Temperaturunterschiede, weitestgehend unabhängigen Betrieb durchzuführen, ist das Steuerglied Bestandteil einer Regelungseinrichtung und wird über eine Geberschalter betrieben. Der Betrieb erfolgt derart, dass der Verlauf des Verbraucherstroms einem Streuungen und/oder Driftvorgänge berücksichtigenden Sollwertprofil folgt.
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Darüber hinaus geht aus der
DE 39 10 810 A1 eine Schaltungsanordnung für ein elektromagnetisches Ventil einer hydraulischen Anlage hervor. Dieses ist über ein Leistungsschaltglied an eine Versorgungsspannung gelegt. Im stromlosen Zustand nimmt das Ventil eine erste Stellung ein und im stromdurchflossenen Zustand eine zweite Stellung ein. Zur Aufrechterhaltung der zweiten Stellung liegt die volle Versorgungsspannung an, was zu einem entsprechend hohen Strom und einer dadurch bedingten Erwärmung der Erregerspule führt. Zur Verminderung der Leistungsaufnahme nach Ausführung des Schaltvorganges ist vorgesehen, die Versorgungsspannung gepulst auf die Erregerspule aufzuschalten, so dass die mittlere Leistungsaufnahme der Spule gesenkt wird. Die Leistungsabsenkung führt zu einer geringeren Erwärmung. Die dadurch bedingte geringere Kraft ist ausreichend, um das Stellglied in seiner Schaltstellung zu halten.
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Aus der
DE 38 43 138 A1 geht eine Vorrichtung mit einer Steuer- und Regeleinrichtung zur Ansteuerung einer Erregerwicklung eines Ankers mit einer Messeinrichtung zur Erfassung der zeitlichen Änderungen eines Stroms oder einer Spannung an der Erregerwicklung hervor. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Zeitglied, durch welches der an die Erregerwicklung abgegebene Strom oder die angelegte Spannung erst nach einer Zeitspanne T
0 nach Initialisierung eines Schaltvorganges einer Regelung unterworfen wird. Ferner geht ein Verfahren zur Steuerung und Erfassung der Bewegung eines Ankers eines elektromagnetischen Schaltorgans mit einer Erregerspule hervor.
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Die
DE 101 55 969 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Stellgliedes, insbesondere eines Relais, das eine reduzierte Verlustleistung ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst eine Regelvorrichtung, die eine Spannung am elektromagnetischen Stellglied in Abhängigkeit einer Versorgungsspannung einstellt. Die Regelvorrichtung stellt eine für das elektromagnetische Stellglied vorgegebene spezifische Spannung am elektromagnetischen Stellglied ein.
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Aus der
DE 102 35 297 B3 geht ferner eine Steueranordnung für einen elektromagnetischen Antrieb hervor. Diese enthält erste und zweite elektronische Schaltmittel, die in Verbindung mit einem Zeitglied in der Anzugsphase bzw. in der Haltephase die Antriebsspule mit einer entsprechenden Gleichspannung beaufschlagen. Durch eine vom Zeitglied gesteuerte Spannungsquelle und einem abwärtsregelenden Gleichspannungswandler werden eine Anzugsspannung bzw. eine Haltespannung zur Verengung gestellt.
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So ist aus der
DE 196 38 260 C2 bekannt, eine Parallelschaltung von Halbleiterschalter und ohm'schem Widerstand vorzusehen. In der ersten Phase des Einschaltzyklus wird der ohm'sche Widerstand durch Schließung des Halbleiterschalters gebrückt, d. h. die volle Versorgungsspannung abzüglich der Restspannung am durchgeschalteten Halbleiterschalter liegen an der Magnetspule an. Dies bewirkt einen maximalen Anzugstrom. Nach einem durch eine Zeitstufe definierten Zeitintervall wird der Halbleiterschalter geöffnet und dadurch der parallel geschaltete Widerstand als Strombegrenzung wirksam.
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Aus der
JP H09-217855 A ist eine ähnliche Einrichtung bekannt, wobei anstatt des parallel geschalteten Widerstandes eine Z-Diode als das den Haltestrom begrenzende Element eingesetzt wird.
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Die beiden zuletzt genannten Ausführungen haben den Nachteil, dass der auf diese Weise eingestellte Haltestrom sich bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen stark ändert. Eine der Versorgungsspannung überlagerte Restwelligkeit wirkt sich voll auf den Haltestrom aus.
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Eine weitere Bauform ist aus der
EP 0 901 057 A2 bekannt, welche als getaktete Ansteuerschaltung arbeitet. Der Haltestrom wird dadurch eingestellt, dass in der zweiten Phase des Einschaltzyklus der Spulenstrom über einen Halbleiterschalter getaktet wird. Die Induktivität der Spule integriert die Stromimpulse, so dass auf diese Weise ein definierter Haltestrom eingestellt werden kann. Der Unterschied zu den beiden anderen bekannten Ausführungen besteht darin, dass nach der ersten Einschaltphase eine getaktete Stromregelung den Haltestrom bestimmt. Dabei wird im Halbleiterelement nur eine relativ geringe Verlustleistung erzeugt, weil dieses im verlustarmen Schaltbetrieb arbeitet.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzubilden, dass einerseits eine schalttechnisch einfache bedarfsabhängige Steuerung realisiert wird, aber gleichzeitig die thermische Verlustleistung derart minimiert wird, dass eine bauliche Kompaktheit ohne thermische Störeinflüsse erzielbar ist.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass eine von außen vorgegebene Schaltspannung an einer Reihenschaltung der Magnetspule und eines bipoleren Transistors anliegt, wobei in der Anzugsphase der bipolare Transistor durch eine parallel angeordnete, über eine Zeitstufe getriggerte Steuerlogik durchschaltet, in dem dieser die anliegende Schaltspannung direkt auf die Magnetspule durchschaltet, wobei zur Sollwertvorgabe für die lineare Regelung der Haltespannung eine vorgeschaltete Referenzspannungsquelle durch Reihenschaltung aus Widerstand und einer Zehner-Diode gebildet ist.
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Dabei stellt der Transistor im Linearbetrieb einen variablen Widerstand dar. Somit erfolgt die Regelung linear. Dadurch wird erreicht, dass nicht nur eine minimale Anzahl von Bauteilen benötigt wird, sondern dass auch nicht unnötig Wärme erzeugt wird. Dies wiederum begünstigt die gewollte Miniaturisierbarkeit, ohne dass dabei thermische Probleme entstehen.
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Vorzugsweise ist die Steuerlogik nach Art eines Schwellwertschalters ausgebildet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Signalverarbeitung der Regelung aus einer Hintereinanderanordnung der Blöcke Referenzspannungsquelle, Zeitstufe, und Schwellwertschalter besteht.
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Des Weiteren bevorzugt ist, dass über die Zeitstufe mit Hilfe eines RC-Gliedes der Zeitpunkt zur Umschaltung zwischen Anzugstrom und Haltestrom definierbar ist.
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Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass über den Schwellwertschalter umfassend einen Transistorschalter mit Entkopplungsdiode der Ausgang der Zeitstufe auswertbar ist, derart, dass nach Erreichen eines bestimmten Spannungspegels dieser aus dem geschalteten in den gesperrten Zustand übergeht.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:
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1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Eingangsspannung und des hierzu korrespondierenden Stromflusses über die Zeit, und
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2 eine Schaltungsanordnung hierzu.
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In einem Ausgestaltungsbeispiel wird eine Schaltung beschrieben, die die erfindungsgemäßen Einrichtungsmittel aufweist. Die Schaltung reduziert den Haltestrom an Magnetventilen mit geringer elektrischer Leistungsaufnahme auf einen exakt definierten Level, und dies mit minimalem baulichen Aufwand.
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In Reihe zur Magnetspule ist ein Transistor geschaltet, der als Bipolartransistor oder Feldeffekttransistor ausgestaltet ist.
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Dieser wird so angesteuert, dass die Spule in der 1. Phase des Einschaltzyklus mit der vollen Versorgungsspannung beaufschlagt wird und in der 2. Phase auf eine deutlich niedrigere Spannung runtergeregelt wird. Es stellt sich ein Haltestrom ein, der unabhängig vom Level der Versorgungsspannung ist. Eine Restwelligkeit, die häufig den Steuersignalen überlagert ist, wirkt sich aufgrund der Spannungsregelung nicht auf den Haltestrom aus.
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In der oben bereits zitierten
EP 0 901 057 A2 wird ähnlich wie bei der hier vorgeschlagenen Lösung ein Halbleiterelement in Reihe zur Magnetspule geschaltet. Das Halbleiterelement im beschriebenen Stand der Technik arbeitet jedoch im Schaltbetrieb, während bei der hier erfindungsgemäßen Lösung der Transistor linear angesteuert wird. Da die hier vorgeschlagene Lösung schwerpunktmäßig bei Schaltventilen kleiner Leistung, d. h. kleiner als 5 Watt eingesetzt werden soll, ist die Wärmeentwicklung am Transistor beherrschbar.
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Gegenüber dem zitierten Stand der Technik ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der entscheidende Vorteil, des deutlich reduzierten Bauteilaufwandes, was sich konkret als Kostenvorteil auswirkt. Außerdem ist die EMV-Problematik bei getaktetem Betrieb deutlich höher als im Linearbetrieb.
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1 zeigt daher den gesamten Einschaltzyklus. Es ist der Zeitverlauf des von der externen Steuerung kommenden Schaltsignals (U) und des sich von der Ansteuerschaltung generierten Spulenstroms (I) bei blockiertem Magnetanker dargestellt. In der Phase 1 ist der Anzug- oder Ansprechstromverlauf gezeigt und in Phase 2 der reduzierte Haltestrom. Der Haltestrom ist, wie hier deutlich zu erkennen ist, deutlich niedriger als der Anzugstrom.
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Wie dieser Strom generiert wird, ergibt sich aus 2.
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2 zeigt die Schaltungsanordnung zur Steuerung der beschriebenen Strategie. Zur Übersicht ist die Schaltung in Blöcke 10 bis 40 aufgeteilt. Das von der Steuerung gelieferte Schaltsignal wird an die Klemmen der Schaltung für die Haltestromabsenkung angelegt und dient als Versorgungsspannung sowohl für das Stellglied im Block 40, als auch für die Signalverarbeitung gemäß Block 10, 20 und 30.
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Die Schaltung selbst besteht aus einem Bipolartransistor, der als Stellglied in Block 40 in Reihe zur Magnetspule geschaltet ist und der Signalverarbeitung in Block 10, 20, 30, die parallel zu dieser Reihenschaltung angeordnet ist.
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Die Signalverarbeitung setzt sich aus drei Teilen zusammen. Zum einen ist dort die Referenzspannungsquelle in Block 10, die Zeitstufe in Block 20 und der Schwellwertschalter in Block 30.
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Die Zeitstufe wird durch ein RC-Glied gebildet, d. h. aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators besteht. Die Referenzspannung wird durch eine Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Z-Diode gebildet. Der Schwellwertschalter besteht aus einem Transistorschalter und einer Entkopplungsdiode.
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Der Schwellwertschalter wird durch den Ausgang der Zeitstufe angesteuert. Ein Transistor 7 geht nach Erreichen eines bestimmten Spannungspegels aus dem geschalteten in den gesperrten Zustand über. Dieser Umschaltvorgang markiert den Übergang vom Ansprechstrom in der ersten Phase, in den Haltestrom in der zweiten Phase.
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In der ersten Phase wird die Zeitstufe in Block 20 durch die Anstiegsflanke des Schaltsignals der Steuerung getriggert. Der Kondensator 4 wird über den Widerstand 3 aufgeladen. Der Transistor 7 des Schwellwertschalters gemäß Block 30 ist während des Ladevorganges durchgeschaltet und verbindet die Basis des Transistors 8 des Stellgliedes mit dem Spannungspegel des Schaltsignals der Steuerung. Das Stellglied schaltet durch, so dass bis auf einen geringen Spannungsabfall am Transistor der gesamte Spannungspegel des Schaltsignals der Steuerung an der Magnetspule anliegt, und so den Anzugstrom in der ersten Phase generiert.
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Am Ende des Ladevorganges des Kondensators erreicht die Ausgangsspannung der Zeitstufe im Block 20 den Level des Schaltsignals der Steuerung, so dass der Transistor 7 sperrt und der Ausgang der Referenzspannungsquelle gemäß Block 10 über die Entkopplungsdiode 6 auf die Basis des Stellgliedes in Block 40 durchgeschaltet wird. Da die Magnetspule am Emitter des Transistors 8 des Stellgliedes angeschlossen ist, wird an der Magnetspule eine Spannung eingestellt, die der Referenzspannung, abzüglich der Spannungsabfälle über die Diode 6 und die Basis-Emitterstrecke des Transistors 8 entspricht.
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Die Referenzspannung muss so festgelegt werden, dass sich ein ausreichender Haltestrom ergibt, so dass das auf diese Weise angesteuerte Ventil im durchgeschalteten Zustand verbleibt. Die Dauer des Einschaltimpulses kann über die Dimensionierung des RC-Gliedes definiert werden, und muss auf die Einschaltzeiten des Magnetventils abgestimmt werden. Die sonst übliche Schutzbeschaltung an Magnetspulen zur Reduzierung der Abschaltspannungsspitzen, z. B. bei einer Zehner-Diode, kann entfallen, da diese Funktion durch die Ansteuerschaltung mit abgedeckt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Widerstand
- 2
- Z-Diode
- 3
- Widerstand
- 4
- Kondensator
- 5
- Widerstand
- 6
- Diode
- 7
- Transistor
- 8
- Transistor
- Blöcke:
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- 10
- Referenzspannungsquelle
- 20
- Zeitstufe
- 30
- Schwellwertschalter
- 40
- Stellglied
- S
- Schalter, Schaltkontakt
- U
- Spannungsquelle
- R
- ohm'scher Widerstand der Spule (Ersatzwiderstand)
- L
- Induktivität (Magnetspule)
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Anmerkung: R und L bilden insgesamt schaltsymbolisch den elektromagnetischen Antrieb des Ventils und stellen insoweit ein Ersatzschaltbild dar, welches die elektrischen Anteile von Wirkwiderstand und Induktivität der Spule des Antriebes bezeichnen sollen.
