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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Formgedächtniselement, welches mit
einem zeitlich begrenzten Stromimpuls beaufschlagbar ist. Ein solches
Element ist der
EP
1 202 423 A2 zu entnehmen. Die Erfindung betrifft ferner
ein Verfahren zur Einschaltstrombegrenzung an einem Formgedächtniselement
sowie eine Verwendung eines Formgedächtniselementes mit Einschaltstrombegrenzung.
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Formgedächtnislegierungen
können
hohe Kräfte
aufbringen und zeigen selbst nach vielen tausend Bewegungszyklen
keine nennenswerten Ermüdungserscheinungen.
Im Vergleich zu anderen Aktorwerkstoffen, z.B. Piezoelementen, verfügen Formgedächtnislegierungen über eine
sehr hohe Stellkraft bezogen auf ihr Volumen.
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Die
makroskopische Formveränderung,
z.B. eine Längenänderung
einer Formgedächtnislegierung
basiert auf einer temperaturabhängigen
Gitterumwandlung zweier verschiedener Kristallstrukturen des Werkstoffes
(sogenannte „allotrope
Umwandlung"). Formgedächtnislegierungen,
auch als SMA oder Shape Memory Alloy bezeichnet, verfügen über eine
austensitische Hochtemperaturphase und eine martensitische Niedertemperaturphase.
Beide Phasen können
durch Temperaturveränderung
ineinander übergehen.
Hierzu kann bevorzugt ein Heizstrom durch den aus der Formgedächtnislegierung
bestehenden Teil geleitet werden. Der Übergang zwischen den Phasen
wird auch als „Schaltvorgang" bezeichnet. Zur
Einleitung der Phasenumwandlung ist lediglich eine kritische Temperatur
zu überschreiten.
Die makroskopische Formveränderung
von Formgedächtnislegierungen
basiert auf einem kollektiven atomaren Gitter-Umklappprozess.
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Die
Formveränderung
einer Formgedächtnislegierung
kann aus diesem Grund sehr schnell erfolgen.
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Für den Einsatz
von Formgedächtnislegierungen
in Aktoren bedeutet dies, dass der Aktor ein sehr schnelles Schaltvermögen aufweist.
Die Geschwindigkeit des Schaltvorganges wird maßgeblich von dem an die Formgedächtnislegierung
angelegten Einschaltstrom bestimmt.
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Prinzipiell
ist bekannt, Verbraucher mit einem reduzierten Einschaltstrom zu
versorgen, welcher kurz nach dem Schaltvorgang auf den Nennstrom
ansteigt, indem parallel zu dem Verbraucher Bauelemente geschaltet
werden, die ein zeitabhängiges
Widerstandsverhalten aufweisen. Solche Bauelemente können z.B.
Kapazitäten,
Induktivitäten
oder PTC (Positiv Temperature Coefficient) Widerstände sein.
Durch eine derartige Verschaltung kann ein sanfter Stromanstieg
an dem Formgedächtniselement
und beispielsweise ein ruckfreier Schaltvorgang des Aktors erreicht
werden. Problematisch ist jedoch, dass Formgedächtniselemente während des Schaltvorganges
eine relativ hohe Stromaufnahme von beispielsweise bis zu 10 A aufweisen.
Bekannte einschaltstrombegrenzende Bauelemente, die bei einer hohen
Stromstärke
für eine
wie zuvor beschriebene Verschaltung tauglich sind, sind jedoch sehr teuer.
Weiterhin problematisch ist, bedingt durch die Verschaltung des
Formgedächtniselementes,
wenn ein hoher Heizstrom vorgegeben ist. Durch eine Verkürzung der
Heizdauer kann zwar die Überhitzung des
Formgedächtniselementes
unterbunden werden, jedoch wird auch durch eine Verkürzung der
Heizdauer nicht vermieden, dass die Umwandlungstemperatur des Formgedächtniselementes
sehr schnell erreicht wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Formgedächtniselement mit Mitteln zur
Einschaltstrombegrenzung anzugeben, mit dem die erwähnten Probleme
beim Stand der Technik überwunden
werden und welches insbesondere sanft und ruckfrei zu schalten ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht auch in der Bereitstellung eines
Verfahrens zur Einschaltstrombegrenzung an einem Formgedächtniselement
sowie in der Angabe einer Verwendung eines Formgedächtniselementes
mit Einschaltstrombegrenzung.
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Die
sich auf das Formgedächtniselement
beziehende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst.
Die sich auf das Verfahren bzw. auf die Verwendung beziehende Aufgabe
wird mit den aus Anspruch 5 bzw. den aus Anspruch 8 entnehmbaren
Maßnahmen
gelöst.
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Vorrichtungsbezogen
wird die vorgenannte Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Demgemäß sollen
einem Formgedächtniselement,
welches mit einem zeitlich begrenzten Stromimpuls beaufschlagt ist,
zusätzlich Mittel
zu einer Einschaltstrombegrenzung zugeordnet sein, welche mindestens
eine elektrisch parallel zu dem Formgedächtniselement geschaltete Glühlampe mit
Glühwendel
umfassen. Die Stromstärke des
Stromimpulses soll während
seiner zeitlich begrenzten Dauer in dem Formgedächtniselement zu- und in der
Glühwendel
der mindestens einen Glühlampe
abnehmen. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Formgedächtniselements ist
insbesondere darin zu sehen, dass durch die Parallelschaltung einer
Glühlampe,
als einer einfachen und preiswerten Maßnahme, ein sanfter, ruckfreier Schaltvorgang
des Formgedächtniselementes
erreicht werden kann. Eine Glühlampe
stellt weiterhin ein langlebiges Bauelement dar, und trägt so zu
einer hohen Zuverlässigkeit
der Mittel zur Strombegrenzung bei.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Formgedächtniselements gehen aus den
von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüchen
hervor. Dabei kann die Ausführungsform
nach diesem Anspruch mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder
vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann das
Formgedächtniselement
zusätzlich
noch folgende Merkmale aufweisen:
- – Die Glühlampe kann
eine 12 V/35 W-Halogen-Glühlampe
sein. Eine Halogen-Glühlampe mit
den oben beschriebenen Kennda ten ist vorzugsweise geeignet, um sie
parallel zu dem Formgedächtniselement
zu verschalten. Der Kaltwiderstand der Glühwendel einer oben genannten
Halogenglühlampe
zu Beginn des Stromimpulses, der Verlauf des Widerstands während der
Aufheizphase und der Widerstand zum Ende des Stromimpulses (Nennwiderstand)
sind optimal geeignet für
eine Parallelverschaltung mit einem Formgedächtniselement.
- – Die
Mittel zur Einschaltstrombegrenzung können genau eine Glühlampe aufweisen,
welche eine 12 V/35 W-Halogen-Glühlampe
ist. Die oben genannte Ausführungsform
weist gleiche oder ähnliche
Vorteile wie die zuvor genannte Ausführungsform auf.
- – Die
Mittel zur Einschaltstrombegrenzung können durch genau zwei Glühlampen
gebildet sein, die jeweils eine 12 V/20 W-Halogen-Glühlampe sind. Zwei Glühlampen,
welche beide parallel zu dem Formgedächtniselement geschaltet sind,
wirken sich positiv auf die Zuverlässigkeit aus. Eine Glühlampe mit
den angegebenen Leistungsmerkmalen stellt die Minimalanforderung
an die zu verwendenden Glühlampen
dar. Im Falle des Versagens einer Glühlampe verliert die Einschaltstrombegrenzung,
welche zuvor mit zwei Glühlampen arbeitete,
nicht ihre Funktion.
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Verfahrensbezogen
wird die oben genannte Aufgabe mit den in Anspruch 5 angegebenen
Maßnahmen
gelöst.
Demgemäß soll zur
Einschaltstrombegrenzung für
ein Formgedächtniselement,
welches mit einem zeitlich begrenzten Stromimpuls beaufschlagt wird,
während
der Dauer des Stromimpulses der Strom durch das Formgedächtniselement
zu- und der Strom durch eine elektrisch parallel zu dem Formgedächtniselement
geschaltete Glühlampe
mit Glühwendel
abnehmen. Zu dieser Ausgestaltungsform ergeben sich gleiche oder ähnliche
Vorteile, wie zu der korrespondierenden vorrichtungsbezogenen Ausführungsform.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den
von Anspruch 5 abhängigen
Ansprüchen
hervor. Demgemäß kann das
Verfahren zusätzlich
noch folgende Merkmale aufweisen:
- – Die Dauer
des Stromimpulses kann kürzer
als eine Sekunde sein, vorzugsweise kann die Dauer des Stromimpulses
zwischen 100 ms und 900 ms liegen. Die angegebenen Zeitintervalle,
in denen das Formgedächtniselement
mit einem Strompuls beaufschlagt wird, sind für den Umwandlungsvorgang des
Formgedächtniselements
besonders vorteilhaft. Würde
das Formgedächtniselement mit
einem Stromimpuls, welcher zeitlich länger ist, beaufschlagt werden,
könnte
das Formgedächtniselement
beschädigt
werden. Würde
das Formgedächtniselement
hingegen mit einem Stromimpuls beaufschlagt, welcher kürzer als
das angegebene Zeitintervall ist, könnte der Umwandlungsvorgang
des Formgedächtniselementes
nur unvollständig
erfolgen.
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Bezüglich der
vorteilhaften Verwendung eines Formgedächtniselementes wird auf Anspruch
8 Bezug genommen. Demgemäß kann das
Element bevorzugt in einer Schaltereinrichtung wie z.B. einem elektrischen
Schalterelement zum Einsatz kommen. Eine Verwendung eines solchen
Formgedächtniselements
in einer Schaltervorrichtung birgt eine Reihe allgemein bekannte
Vorteile. Eine Verwendung des Formgedächtniselements mit Mitteln
zur Einschaltstrombegrenzung gemäß der bevorzugten
Ausgestaltungsform birgt unter anderem den zusätzlichen Vorteil, dass die
Schaltereinrichtung ruckfrei geschaltet werden kann.
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Das
Formgedächtniselement
kann bevorzugt in einem Haushaltsgerät verwendet werden. Der Einsatz
in einem Haushaltsgerät
ist besonders vorteilhaft, da häufig
ein sanfter, komfortabler Schaltvorgang in dieser Produktklasse
anzustreben ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Formgedächtniselements gehen aus den
vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus
der nachfolgend erläuterten
Zeichnung hervor. Dabei zeigen deren
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1 ein
Ersatzschaltbild einer allgemein bekanten Schaltung zur Ansteuerung
eines Formgedächtniselements,
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2 ein
Ersatzschaltbild einer Schaltung zur Ansteuerung eines Formgedächtniselements
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
und
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3 die
zeitlichen Stromverläufe
in dem Formgedächtniselement
und einer als ein Kompensationselement dienenden Glühwendel.
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Sich
in der Zeichnung entsprechende Teile sind in den Figuren jeweils
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zur Ansteuerung eines Formgedächtniselements
12,
wie sie allgemein bekannt ist. Bei dem Formgedächtniselement kann es sich
bevorzugt um ein Teil einer elektrischen Schaltereinrichtung wie beispielsweise
um ein elektrisches Schaltelement (vgl. z.B.
WO 01/99136 A1 ) oder um
ein Teil eines Haushaltgerätes
wie um einen Durchflusseinsteller (vgl. z.B.
DE 102 17 061 A1 ) handeln.
An einer Reihenschaltung aus einem Schalter
11, einem Begrenzungswiderstand
R
1 und dem Formgedächtniselement
12 wird
eine äußere Spannung
U
1 angelegt. Der Innenwiderstand des Formgedächtniselements
12 ist durch
einen diskreten Ersatzwiderstand R
12 dargestellt.
Durch Anlegen einer Steuerspannung U
2 kann der
Schalter
11 geschlossen werden. Eine solche Schaltung kann
z.B. in einem netzbetriebenen Haushaltsgerät vorhanden sein.
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Bei
der Spannung U1 handelt es sich um eine gebräuchliche
Netzspannung von typischerweise 230 V Wechselspannung. Die Steuerspannung
U2 an einem Relais 2 beträgt typischerweise
5 V. Der Begrenzungswiderstand R1 hat vorzugsweise
einen Wert von 26 Ω,
der Innenwiderstand R12 des Formgedächtniselements
liegt typischerweise bei 1 Ω.
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Durch
Schließen
des Schalters 11 wird schlagartig die Spannung U1, abzüglich
des durch den Widerstand R1 hervorgerufenen
Spannungsabfalls, an das Formgedächtniselement 12 angelegt.
Infolge dessen wird ein sehr schneller, ruckartiger Schaltvorgang
des Formgedächtniselements 12 ausgelöst. Um Lasten
ruck- und schwingungsfrei bewegen zu können, ist es wünschenswert,
beim Einschaltvorgang nicht sofort den vollen Betriebsstrom an das
Formgedächtniselement 12 anzulegen.
Der durch das Formgedächtniselement
fließende
Strom sollte vorzugsweise bei einem niedrigen Wert beginnen und
erst zeitlich verzögert
seinen höheren
Betriebswert erreichen.
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2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zur Ansteuerung eines Formgedächtniselements 12 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das die vorgenannten Anforderungen hinsichtlich einer ruck- und
schwingungsfreien Bewegung erfüllt.
Erfindungsgemäß wird die
allgemein bekannte, in 1 dargestellte, Schaltung um
ein parallel zu dem Formgedächtniselement 12 geschaltetes
Kompensationselement in Form einer Glühlampe 21 ergänzt.
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Nach
Schließen
des Schalters 11 wird das Formgedächtniselement 12 zunächst mit
einem reduzierten Einschaltstrom versorgt, der nach einer zeitlichen
Verzögerung
auf einen Nennstrom ansteigt. Durch die Parallelschaltung des Formgedächtniselementes 12 und
der Glühlampe 21 wird
der insgesamt zur Verfügung
stehende Strom in einen Nutzstrom für das Formgedächtniselement 12 und
einen Kompensationsstrom durch die Glühwendel der Glühlampe 21 aufgeteilt.
Im Augenblick des Schaltvorganges fließt durch die Glühwendel
der Glühlampe 21,
bedingt durch ihren verhältnismäßig niedrigen Kaltwiderstand,
ein wesentlich höherer
Strom als durch das Formgedächtniselement 12 mit
seinem Innenwiderstand R12. Nach einer zeitlichen
Verzögerung
erreicht die Glühwendel
der Glühlampe 21 ihr Temperaturmaximum
bzw. ihre Arbeitstemperatur im Leuchtbetrieb. Infolgedessen steigt
der elektrische Widerstand der Glühwendel der Glühlampe 21 auf
ihren Warmwiderstand an. Dies hat zur Folge, dass der Strom durch
das Formgedächtniselement 12,
in der Weise wie der Strom durch die Glühwendel der Glühlampe 21 abnimmt,
umgekehrt proportional zunimmt. Der Einschaltstrom, welcher anfänglich durch
die Glühwendel
der Glühlampe 21 fließt, kann
insbesondere das Drei- oder Mehrfache des Nennstromes im Leuchtbetrieb
betragen.
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Je
nach Dicke der Glühwendel
erreicht diese nach einem exponentiellen Anstieg binnen einiger 100 μs oder schneller
ihre Maximaltemperatur und damit ihren Maximalwiderstand. Dieses
zeitliche Verhalten des Kompensationsstroms durch die Glühwendel
der Glühlampe 21 bewirkt,
dass der Stromanteil durch das Formgedächtniselement 12 beim
Einschalten mit einem niedrigen Wert beginnt und gemäß einem
exponentiellen Verlauf auf den Nennwert ansteigt.
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3 zeigt
in seinem oberen Bereich als Diagramm den Verlauf 31 eines
Wechselstroms I1 durch das Formgedächtniselement 12 in
Abhängigkeit
von der Zeit t. Neben dem zeitlichen Kurvenverlauf des an das Formgedächtniselement 12 angelegten
Wechselstroms ist zusätzlich
die Einhüllende 32 dargestellt. Über der
gleichen Zeitachse aufgetragen, findet sich im unteren Teil von 3 in
einem Diagramm der Verlauf 32 des Stromes I2 durch
das Kompensationselement (Glühlampe 21)
aufgetragen. Auch in diesem Teil von 3 ist zusätzlich zu
dem zeitlichen Verlauf 33 der an die Glühlampe 21 angelegten
Wechselspannung die Einhüllende 34 dargestellt.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
steigt der Strom I1 gemäß einem exponentiellen Verlauf
auf den Nennwert an, während
der Strom durch das Kompensationselement (Glühlampe 21) von einem
hohen Anfangswert einen exponentiellen Abfall folgend auf einen
niedrigeren Wert abfällt
(vgl. Verlauf der Einhüllenden 33 und 34).
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Der
Einsatz einer Glühlampe 21 als
Kompensationselement in Parallelschaltung zu dem Formgedächtniselement 12 ist
insbesondere deshalb vorteilhaft, da eine solche Schaltung sehr
robust und zuverlässig
ist. Schwankungen der Umgebungstemperatur haben einen sehr geringen
Einfluss auf die Funktionsweise der Lampe 21. Typische
Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur mit einer Schwankungsbreite
von einigen 10°C
sind weit entfernt von der Glühtemperatur
der Glühwendel
der Lampe 21. Folglich haben diese Temperaturschwankungen
einen geringen Einfluss auf den Kaltwiderstand der Lampe 21.
Der Kompensationseffekt der Lampe 21 wird folglich von
diesen Schwankungen nur geringfügig
tangiert.
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Insbesondere
vorteilhaft kann als Lampe 21 eine Niedervolthalogenlampe
eingesetzt werden. Solche Lampen sind sehr robust und weisen eine hohe
Lebensdauer (von insbesondere über
2000 Stunden) auf.
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An
das Formgedächtniselement 12 mit
Mitteln zur Einschaltstrombegrenzung kann sowohl eine Wechselspannung
wie auch eine Gleichspannung angelegt werden. Das erläuterte Verfahren
zur Einschaltstrombegrenzung für
ein Formgedächtniselement 12 ist
auch für
andere Arten von Aktoren anwendbar.
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Aktoren
mit einem Formgedächtniselement 12 werden
in erster Linie im Hinblick auf ihre mechanische Beanspruchung dimensioniert.
Aus dieser Vorgabe ergibt sich die Dimension des Formgedächtniselementes 12 und
somit im Wesentlichen der Innenwiderstand desselben. Ist eine weitere
Vorgabe der Betrieb des Formgedächtniselements 12 an
einer Netzspannung von typischerweise 230 V, so bedeutet dies, dass
der Vorwiderstand R1 entsprechend den Betriebsvorgaben
des Formgedächtniselements 12 an
den Wert der Spannung U1 (in diesem Fall Netzspannung 230 V) angepasst
werden muss. Liegt als weitere Vorgabe die Größe des Widerstands R1 z.B. durch eine Verwendungsvorgabe eines
bestimmten Bauteils fest, so kann die Heizenergie für das Formgedächtniselement 12 lediglich über die Dauer
des Heizstromimpulses reguliert werden. In einem solchen Fall ist
eine Parallelstromkompensation, z.B. mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Einschaltstrombegrenzung für
ein Formgedächtniselement 12,
bei dem eine Glühlampe 21 parallel zu
dem Formgedächtniselement 12 geschaltet
wird, unumgänglich.