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Die
Erfindung betrifft eine Spannungsversorgung für ein spannungs- oder stromauslösendes Schaltgerät gemäß dem Patentanspruch
1 sowie deren Verwendung in einem solchen Schaltgerät gemäß dem Patentanspruch
9. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Spannungsversorgung
für ein
solches Schaltgerät
gemäß dem Patentanspruch 10.
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Aus
der
EP 1 009 003 B1 bzw.
US 6,246,562 B1 ist
es bereits bekannt, eine Anordnung mit einer Steuereinrichtung mit
einem Elektromagneten vorzusehen, die mindestens eine Haltespule
in Reihe mit einem elektronischen Schalter, angeschlossen an die Klemmen
einer Versorgungsspannung der Spule, Messmittel zur Messung des
in der Haltespule fließenden
Haltestroms, Steuermittel zur Betätigung des Elektromagneten
sowie Mittel zur Stromversorgung der Steuermittel umfasst. Die Mittel
zur Stromversorgung der Steuermittel sind mit der Haltespule und dem
elektronischen Schalter in Reihe geschaltet, so dass sie mit dem
Haltestrom gespeist werden. Die Haltestrommessmittel umfassen eine
parallel zu den Stromversorgungsmitteln der Steuermittel geschaltete
Messschaltung mit einem zusätzlichen
elektronischen Schalter und einen in Reihe dazu geschalteten Messwiderstand.
Die Steuermittel sind an die Klemmen des Widerstandes und an eine
Steuerelektrode des zusätzlichen
elektronischen Schalters angeschlossen, wobei der zusätzliche
elektronische Schalter in regelmäßigen Zeitabständen in
den Durchlasszustand geschaltet wird. Die Stromversorgungsmittel
umfassen eine mit der Spule und dem elektronischen Schalter in Reihe
geschalte Zenerdiode und eine weitere Diode, die in Reihe mit einem Kondensator
an die Klemmen der Zehnerdiode geschaltet ist. Ferner umfassen sie
eine in Reihe mit der Zenerdiode geschaltete Diode beziehungsweise
eine parallel zum Kondensator geschaltete Spannungsreglerschaltung.
Ein Hilfsspannungsversorgungsregelkreis ist parallel zu einem Kondensator
geschaltet. Die Hilfsversorgungsspannung wird einem Mikroprozessor aufgegeben.
Eine zweite Hilfsversorgungsspannung, die nicht geregelt wird, ist
die Spannung dieses Kondensators. Der Durchtritt eines regulierten Haltestroms
durch die Spule wird durch den Mikroprozessor gesteuert. Periodisch
beaufschlagt der Mikroprozessor gleichzeitig zwei seiner Ausgänge, die jeweils
auf einen Transistor führen,
die einmal sourceseitig und einmal gateseitig mit dem Versorgungskreis
verbunden sind. Der Mikroprozessor sendet Steuerungsbefehle an die
beiden Transistoren während
der erforderlichen Zeit zum Messen der Spannung an dem Widerstand,
der sich sourceseitig an den einen der beiden Transistoren anschließt. Der andere
Transistor ist gateseitig mit einer Spannungsanpassungsschaltung
verbunden, die ihrerseits an dem einen Signalausgang des Mikroprozessors
liegt.
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Aus
der
DE 299 09 901
U1 geht eine elektronische Antriebssteuerung für einen
Schätzantrieb hervor,
der eine Antriebsspule und einen Anker enthält. Um eine Antriebssteuerung
ohne Kontrolle des Spulenstroms zu realisieren, wird über eine
jeweilige Pulsbreite der Antriebsspule innerhalb eines weiten statischen
und dynamischen Bereichs einer von einer Gleichrichterschaltung
zur Verfügung
gestellten Versorgungsspannung mit hoher Dynamik eine mittlere Betätigungsspannung
optimaler Größe zur Verfügung gestellt.
Dies erfolgt sowohl beim Anzieh- als auch beim Haltevorgang. Eine
hohe Dynamik resultiert aus der unter Umgehung einer Abfrage des
Spulenstroms allein aus der Speisespannung abgeleiteten Pulsbreitensteuerung.
Die mittlere Betätigungsspannung
soll nahezu unabhängig
von der Versorgungsspannung und so bemessen sein, dass der Anker
mit optimaler Einschaltdynamik angezogen und mit minimaler Leistung
sicher gehalten wird. Über
einen Mikroprozessor wird die Einhaltung eines zulässigen Spannungsbereichs
für die
Eingangsspannung kontrolliert und bei Unter- bzw. Überschreiten
dieses Bereichs wird das Einschalten des Schutzantriebs blockiert
beziehungsweise bei Erreichen dieses Bereiches aktiviert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Spannungsversorgung
und ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines spannungs- oder
stromauslösenden
Schaltgerätes
mit einer Spule eines Spannungs- oder Strömauslösers vorzusehen, wobei auf
den Aufbau eines getrennten Schaltnetzteils verzichtet werden kann
und insbesondere auf das Vorsehen eines Linearreglers, und bei der
ein einfacherer Aufbau als im Stand der Technik insbesondere der
EP 1 009 003 B1 bzw.
US 6,246,562 B1 vorgesehen
ist.
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Die
Aufgabe wird nach Anspruch 1 durch eine Spannungsversorgung für ein spannungs-
oder stromauslösendes
Schaltgerät
mit zumindest einer Spule eines Spannungs- oder Stromauslösers gelöst, mit
einer Einrichtung), die pulsweitenmoduliert eine Schalteinrichtung
ansteuert, mittels derer der in der Spule fließende Strom einstellbar ist
und wobei die Induktivität
der Spule als Impedanz einer getakteten Spannungsversorgung fungiert,
die mittels einer Gleichrichterdiode sowie einer Speicherkapazität eine erste
Versorgungsspannung bereitstellt, deren Wert durch einen Vergleichswert
vorgebbar ist, einer Spannungsregelungseinrichtung zum Bereitstellen zumindest
einer weiteren Versorgungsspannung, und einer messwiderstandsfreien
Regelung, um den Strom durch die Spule einzustellen. Die Aufgabe
wird durch Verwendung einer solchen Spannungsversorgung in einem
spannungs- oder stromauslösenden Schaltgerät gelöst. Für ein Verfahren
zur Spannungsversorgung eines spannungs- oder stromauslösenden Schaltgeräts mit zumindest
einer Spule nach Anspruch 10 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
eine erste Versorgungsspannung durch Vergleichen mit einem vorgebbaren
Vergleichswert und zumindest eine weitere Versorgungsspannung durch
eine Spannungsregelungseinrichtung eingestellt wird, die Induktivität der Spule
als Impedanz einer getakteten Spannungsversorgung verwendet wird,
der in der Spule fließende
Strom getaktet wird, um die Versorgungsspannungen des Schaltgerätes zu erzeugen und
um den Strom in der Spule einzustellen, und der Strom über den
Spannungsbereich der Versorgungseingangsspannung durch Pulsweitenmodulation
auf dem eingestellten Wert gehalten wird. Weiterbildungen der Erfindung
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Dadurch
werden eine Spannungsversorgung und ein Verfahren zur Spannungsversorgung
bzw. die Verwendung einer solchen Spannungsversorgung in einem Schaltgerät geschaffen,
bei denen kein gesondertes Netzteil mehr aufgebaut zu werden braucht,
um die Spannungsversorgung für
eine Steuereinheit sicherzustellen. Im Bereich des zumindest einen
Spannungs- oder Stromauslösers
wird nach Anlegen einer Versorgungsspannung ein Stößel angezogen
und in dieser neuen Position gehalten. Bei einem Spannungsauslöser kann
das Schaltgerät, das
insbesondere ein Leistungsschalter ist, nachfolgend weiter eingeschaltet
werden. Der Stößel in der angezogenen
Position führt
hier zu keiner Blockierung. Hingegen wird bei einem Stromauslöser das Schaltgerät, insbesondere
der Leistungsschalter, bei Anlegen der Versorgungsspannung ausgelöst und ein erneutes
Einschalten verhindert. Zur Versorgung der die Ansteuerung hier
vornehmenden Steuereinheit wird kein gesondertes Netzteil vorgesehen,
sondern die Vorrichtung zur Spannungsversorgung, die die Spule,
die zur Betätigung
des Spannungs- oder Stromauslösers
dient, als Impedanz nutzt. Es kann nur eine Spule vorgesehen sein,
die als Anzugs- oder Haltespule dient. Ferner können zumindest zwei Spulen
vorgesehen werden, von denen eine eine Anzugsspule und eine andere
eine Haltespule ist. Im Folgenden wird lediglich der Begriff der „Spule" verwendet, von dem
jedoch beide vorstehenden Varianten umfasst sein sollen.
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Der
durch die Spule fließende
Strom wird zur Spannungsversorgung für die Steuereinheit genutzt. Innerhalb
der Spannungsversorgung kann sich durch diesen Strom eine Spannung
aufbauen, die bei Überschreiten
eines vorgebbaren Schwellwertes vorteilhaft zur Spannungsversorgung
für die
Steuereinheit bzw. die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation genutzt
werden kann. Die Steuereinheit kann die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation
umfassen oder dieser vor- oder nachgeschaltet sein.
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Bekanntermaßen fließt im Anzugsvorgang durch
die Spule eines Spannungs- oder
Stromauslösers
ein größerer Strom
als im Haltezustand. Durch Vorsehen der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation können jedoch
der Anzugsstrom und der Haltestrom auf einem konstanten Wert gehalten
werden, unabhängig
von der Höhe
der Versorgungsspannung. Somit kann auch die Einrichtung zur Spannungsversorgung
mit einem über
den gesamten Versorgungsspannungsbereich konstanten Strom versorgt
werden.
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Daher
wird für
die Messung des durch die zumindest eine Spule fließenden Stroms
kein Shunt bzw. Messwiderstand benötigt, so dass der Schaltungsaufwand
hier erheblich gegenüber
dem Stand der Technik minimiert werden kann. Da durch die Pulsweitenmodulation
in Abhängigkeit
von der anliegenden Versorgungsspannung der Anzugs- und/oder Haltestrom
durch die Spule des Spannungs- oder Stromauslösers gehalten bzw. auf einem
konstanten Wert gehalten wird, kann eine solche Strommessung unter
Verwendung eines Shunts entfallen. Die Spannung über der Halte- bzw. Anzugsspule
wird also konstant gehalten, so dass der Halte- bzw. Anzugsstrom
konstant ist. Im Gegensatz zur
EP 1 009 003 B1 bzw.
US 6,246,562 B1 werden also
keine Messeinrichtungen zum Bestimmen des Stroms benötigt.
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Bei
der
EP 1 009 003 B1 bzw.
US 6,246,562 B1 erfolgt
eine Zu- bzw. Abschaltung des getakteten Transistors in Abhängigkeit
vom gemessenen Strom. Zur Regelung des Anzugs- bzw. Haltestroms
wird ein erhöhter
Schaltungsaufwand erforderlich, aufgrund des Messwiderstands.
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Vorteilhaft
ist erfindungsgemäß lediglich
eine Schalteinrichtung zwischen einer Quelle für die Versorgungseingangsspannung
und der Spannungsversorgung vorgesehen. Insbesondere ist eine solche Schalteinrichtung
als Schalttransistor ausgebildet, insbesondere als selbstsperrender
Feldeffekttransistor, z. B. als n-Kanal MOSFET. Dieser ist vorteilhaft gateseitig
mit der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation, drainseitig mit der
oder den Spule(n), die den Spannungs- oder Stromauslöser betätigt/betätigen und zugleich als Impedanz
der Spannungsversorgung dient/dienen, und sourceseitig mit den weiteren Komponenten
der Vorrichtung zur Spannungsversorgung, insbesondere der einen
rückwärts gerichteten Stromfluss
abblockenden Diode verbunden.
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Vorteilhaft
umfasst die Spannungsversorgung zumindest eine in Sperrrichtung
betriebene Zenerdiode. Eine solche in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode
ist zum Erzeugen eines Maximalwertes der Versorgungsspannung vorgesehen,
so dass die erste Versorgungsspannung sich über die Gleichrichterdiode
an einem Kondensator der Vorrichtung zur Spannungsversorgung aufbauen
kann. Diese erste Versorgungsspannung kann der Steuereinheit und/oder
der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeleitet werden.
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Neben
der einen Speicherkapazität
der Spannungsversorgung, die vorteilhaft der Zenerdiode parallel
geschaltet ist, und die zusammen mit der Gleichrichterdiode zum
Bereitstellen einer Gleichspannung als erster Versorgungsspannung
dient, kann zumindest eine weitere Speicherkapazität vorgesehen
sein. Diese ist vorteilhaft der Spannungsregelungseinrichtung zum
Bereitstellen einer weiteren Versorgungsspannung parallel- bzw.
nachgeschaltet. Hierdurch lässt
sich die zumindest eine weitere Versorgungsspannung als gleichgerichtete
Spannung bereitstellen, deren Höhe
durch die Spannungsregelungseinrichtung eingestellt werden kann.
Auch diese zumindest eine weitere Versorgungsspannung kann der Steuereinheit
des Schaltgerätes
bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeleitet werden. Die
Höhe der
ersten und weiteren Versorgungsspannung wird vorteilhaft in Abhängigkeit
von der erforderlichen Höhe
der Versorgungsspannung insbesondere für die Steuereinheit des Schaltgeräts bzw.
die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation gewählt. Insbesondere über die
Spannungsregelungseinrichtung kann eine der beiden Versorgungsspannungen
anwendungsspezifisch veränderlich
eingestellt und an die anwendungsspezifischen Erfordernisse angepasst
werden.
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Zunächst wird
die Versorgungseingangsspannung auf die Spannungsversorgung bzw.
den diese Spannungsversorgung umfassenden Teil des Schaltgeräts aufgeschaltet.
Hierdurch wird die Schalteinrichtung, insbesondere der vorstehend
bereits erwähnte
Schalttransistor, in Richtung der Spannungsversorgung durchgeschaltet.
In dieser Vorrichtung können
sich nun zumindest zwei Versorgungsspannungen zum Versorgen des
Schaltgerätes
aufbauen. Vorteilhaft wird die sich in der Vorrichtung aufbauende
Versorgungsspannung mit einem vorgebbaren oder vorbestimmten Schwellwert
verglichen und bei Erreichen des Schwellwerts eine die Pulsweitenmodulation
ansteuernde Steuereinheit und/oder die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation
durch diese Versorgungsspannung aktiviert. Erreicht also die Spannung
innerhalb der Vorrichtung einen ersten vorgebbaren Schwellwert der
Versorgungsspannung, wird diese Versorgungsspannung der Steuereinheit
bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeleitet, die nachfolgend
zu arbeiten beginnen. Hierbei wird im Bereich der Steuereinheit
bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation in einem vorgebbaren
oder vorbestimmten Zeitintervall die zugeführte Versorgungseingangsspannung
abgetastet und hieraus eine aktuelle Einschaltzeit der Pulsweitenmodulation
bestimmt. Somit wird basierend auf dem abgetasteten Wert der der
Steuereinheit bzw. der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation zugeführten Versorgungseingangsspannung
die aktuelle Einschaltzeit der Pulsweitenmodulation so bestimmt, dass
die Spulenspannung konstant gehalten wird und somit auch der durch
die Spule fließende
Strom konstant gehalten wird. Der durch die Spule bzw. Spulen fließende Strom
wird somit über
den kompletten Versorgungseingangsspannungsbereich konstant gehalten.
Dieser konstante Strom wird wiederum von der Spannungsversorgung
genutzt, d. h. die Spannungsversorgung wird wiederum mit diesem über den
kompletten Versorgungseingangsspannungsbereich konstanten Strom
versorgt und erzeugt hieraus weiter konstante Versorgungsspannungen vorgebbarer
Höhe.
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Zur
näheren
Erläuterung
der Erfindung wird im Folgenden ein Ausführungsbeispiel von dieser näher anhand
der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Spannungsversorgung, in
Kombination mit einer Steuereinheit, einer Einrichtung zur Pulsweitenmodulation
sowie einer Spule zur Betätigung
eines Spannungs- oder Stromauslösers
eines Schaltgerätes,
und
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2 eine
Prinzipskizze des Details der Spannungsversorgung, der Spule und
der Einrichtung zur Pulsweitenmodulation gemäß 1.
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In 1 ist
eine Prinzipskizze einer Schaltungsanordnung eines Teils eines Schaltgeräts gezeigt,
das eine Spannungsversorgung 1, eine Steuereinheit 2 mit
drei Spannungsanschlüssen 20, 21, 22, eine
Spannungsmesseinrichtung 3 sowie eine Filterungs- und Gleichrichteinrichtung 4 umfasst.
Ausgangsseitig ist die Steuereinheit mit einer Schalteinrichtung
in Form eines selbstsperrenden Feldeffekttransistors 5 verbunden.
Dieser ist in 1 und 2 als n-Kanal
MOSFET ausgebildet.
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Drainseitig
ist der Feldeffekttransistor 5 mit einer Spule 6 verbunden.
Die Spule ebenso wie die Spannungsmesseinrichtung 3 ist
ferner mit der Filterungs- und Gleichrichteinrichtung 4 verbunden.
Die Filterungs- und Gleichrichteinrichtung 4 liegt an einer Versorgungseingangsspannung
U. Sowohl der Spannungsmesseinrichtung 3 als auch der Spule 6, die
eine Anzugs- oder Haltespule sein kann oder als zwei Spulen, nämlich als
eine Anzugs- und eine Haltespule ausgebildet sein kann oder zweiteilig
als Anzugs- und Haltespule ausgebildet sein kann, wird eine gefilterte
und gleichgerichtete pulsierende (AC-)Versorgungseingangsspannung
zur Verfügung gestellt.
Die Spannungsmesseinrichtung 3 misst diese gefilterte und
gleichgerichtete Versorgungseingangsspannung, bevor diese der Steuereinheit 2 über den
ersten Spannungsanschluss 20 zugeführt wird. Über den zweiten und dritten
Spannungsanschluss 21, 22 können andere Versorgungsspannungen,
wie beispielsweise eine 15 V-Spannung und eine 3,3 V-Spannung als
Versorgungsspannungen der Steuereinheit 2 zur Verfügung gestellt
werden.
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Innerhalb
der Steuereinheit ist in dieser Ausführungsform eine Einrichtung 7 zur
Pulsweitenmodulation vorgesehen. Ferner ist eine Einrichtung 8 zum
Abtasten der Versorgungseingangsspannung U vorgesehen. Mit Hilfe
des jeweils aktuell abgetasteten Versorgungseingangsspannungswerts
wird eine neue Einschaltzeit der Pulsweitenmodulation errechnet.
Hierfür
umfasst die Steuereinheit beispielsweise einen Mikrocontroller,
der die Einrichtung zur Pulsweitenmodulation entsprechend ansteuert
bzw. die Pulsweitenmodulation vornimmt.
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Nach
Zuschaltung dieser Versorgungseingangsspannung U ist der Feldeffekttransistor 5 durchgeschaltet,
so dass sich innerhalb der Vorrichtung 1 zur Spannungsversorgung
eine Spannung aufbauen kann. Dies kann besser der Detailansicht gemäß 2 entnommen
werden.
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In
dieser ist lediglich die Spule 6, der selbstsperrende Feldeffekttransistor 5,
die Einrichtung 7 zur Pulsweitenmodulation sowie eine Zenerdiode 10, eine
Gleichrichterdiode 11, eine erste Speicherkapazität 12,
eine Spannungsregelungseinrichtung 13 sowie eine zweite
Speicherkapazität 14 gezeigt.
Die letztgenannten Komponenten sind zueinander parallel geschaltet
und die Zenerdiode 10, die erste und zweite Speicherkapazität 12, 14 und
die Spannungsregelungseinrichtung 13 auf Masse gelegt.
Die Spannungsversorgung 1 umfasst ferner zwei Ausgänge 15,16,
an denen zwei unterschiedliche Versorgungsspannungen U1 und
U2 zur Verfügung gestellt werden.
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Die
Zenerdiode 10 wird in Sperrrichtung betrieben und dient
dem Erzeugen eines Maximalwerts der Versorgungsspannung. Über die
Gleichrichtdiode 11 und die erste Speicherkapazität 12 wird
die erste Versorgungsspannung U1, die sich
aus dem vorgebbaren Z-Wert, d. h. dem Wert der Z-Spannung bestimmt,
zu einer Gleichspannung gleichgerichtet und am ersten Ausgang 15 zur
Verfügung
gestellt. Über die
Spannungsregelungseinrichtung 13 und die zweite Speicherkapazität 14 wird
ebenfalls eine Gleichspannung als zweite Versorgungsspannung U2 am zweiten Ausgang 16 der Spannungsversorgung 1 zur Verfügung gestellt.
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In
einem festgelegten oder vorbestimmbaren Zeitintervall wird durch
die Einrichtung 8 zum Abtasten der Versorgungseingangsspannung
diese abgetastet und mit Hilfe des momentan abgetasteten Spannungswert
U eine neue Einschaltzeit der Einrichtung 7 zur Pulsweitenmodulation
errechnet. Hierbei wird der durch die Spule 6 (Anzugs-
und/oder Haltespule) fließende
Strom über
den kompletten zugelassenen Versorgungsspannungsbereich konstant gehalten.
Zugleich wird die Spannungsversorgung 1 mit einem über den
kompletten zugelassenen Versorgungseingangsspannungsbereich konstanten Strom
versorgt, da der durch die Spule fließende Strom zugleich auch,
wie bereits erläutert,
für die Spannungsversorgung
der Spannungsversorgung 1 genutzt wird. Die Spule 6 fungiert
hier somit als Impedanz für
die Spannungsversorgung 1 zum Aufbau der Spannungsversorgung
und für
die Betätigung
eines nicht gezeigten Spannungs- oder Stromauslösers des Schaltgeräts.
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Neben
den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen einer
Spannungsversorgung lassen sich auch zahlreiche weitere realisieren,
bei denen eine Pulsweitenmodulation zum Aufrechterhalten eines Anzugs- und
Haltestroms einer Anzugs- bzw. Haltespule unabhängig von einer anliegenden
Versorgungsspannung vorgesehen ist und die Spule, durch die der
Anzugs- bzw. Haltestrom fließt,
zugleich als Impedanz für
die Spannungsversorgung innerhalb eines spannungs- oder stromauslösenden Schaltgeräts genutzt wird.