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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Schaltventils, die nach dem Einschalten kurzzeitig für die Dauer der Anzugsphase die maximal verfügbare Spannung bereitstellt, um danach in der sich anschließenden Haltephase den Magnetstrom auf einen exakt definierten Wert zu reduzieren und damit die Verlustleistung im betätigten Zustand zu verringern.
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Im Bereich der Magnetventile gibt es einen ausgeprägten Trend zur Miniaturisierung. Durch die Reduzierung des Bauvolumens und die Integration des Magnetventils in kompakte Systeme kommt der elektromagnetische Aktor immer mehr an die Grenze seiner Leistungsfähigkeit. Bedingt durch sein Wirkprinzip wird ein relativ großer Anteil der ihm zur Verfügung gestellten Energie in Wärmeenergie umgewandelt.
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Da die Möglichkeiten des Wärmetransports durch den kompakten Aufbau und die Integration deutlich eingeschränkt sind, verschärft sich die thermische Situation speziell in Anwendungen mit hoher Einschaltdauer, was teilweise zu kritischen Betriebszuständen führen kann.
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Der Optimierung im Bereich des Aktors sind jedoch relativ enge Grenzen gesetzt. So bleibt praktisch nur die Möglichkeit, über eine vorgeschaltete Elektronik und eine entsprechende Ansteuerstrategie Abhilfe zu schaffen.
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Da der elektromagnetische Aktor nur in der Anzugsphase einen hohen Strombedarf zur Realisierung der erforderlichen Anzugskraft hat, kann in der Haltephase der Strom deutlich abgesenkt werden. Damit lässt sich die Verlustleistung der Spule und somit die Eigenerwärmung deutlich reduzieren.
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Zur Realisierung der Haltestromabsenkung sind viele unterschiedliche Schaltungen bekannt, die sich im technischen Aufwand und in der erzielten Funktionalität deutlich unterscheiden.
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Dabei gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Ansätze – die getaktete und die lineare Ansteuerung.
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Bei der getakteten Ansteuerung wird die Spule in der Haltephase meist in Form eines pulsmodulierten Spannungs- bzw. Stromsignals beaufschlagt. Dies hat vor allem den Vorteil, dass der als Stellglied eingesetzte Transistor im Schaltbetrieb arbeitet, wodurch an diesem Bauteil nur eine geringe Verlustleistung entsteht und die Elektronik nicht als zusätzliche Wärmequelle wirkt.
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Eine Schaltungsanordnung, die in der Haltephase den Magnetstrom durch Taktung reduziert, wird z.B. in
DE19647215A1 vorgeschlagen. Die Schaltung ist relativ komplex mit vielen elektronischen Bauteilen, die diskret aufgebaut eine relativ große Leiterplattenfläche beanspruchen. Selbst wenn das Flächenproblem durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung gelöst werden kann, ergeben sich in jedem Falle erhöhte Kosten.
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Für Magnetventile mit relativ geringer Leistungsaufnahme und bei erhöhtem Kostendruck ist die lineare Ansteuerung eine Alternative, da sie mit einer geringen Anzahl kostengünstiger Bauteile auskommt.
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Bei dieser Ansteuervariante wird die Magnetspule in der Haltephase durch ein kontinuierliches Signal mit reduzierter Leistung angesteuert. Da das Stellglied, das die Haltestromabsenkung realisiert, nicht getaktet wird, entsteht an diesem Element eine gewisse Verlustleistung, die in der Schaltungsauslegung berücksichtigt werden muss.
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Die in dieser Form realisierten Schaltungen unterscheiden sich vor allem in der Art der Gestaltung des Stellglieds und der daraus resultierenden speziellen funktionalen Eigenschaften.
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In
DE19638260C2 werden als einfachste Variante in der Haltephase ein Widerstand und eine LED in Reihe zur Magnetspule zugeschaltet, wodurch sich der Magnetstrom reduziert. Als weitergehender Ansatz wird eine Begrenzung des LED-Stroms durch einen Strom-Bypass vorgeschlagen. Doch auch diese aufwendigere Variante ermöglicht keine exakte Vorgabe des Haltestroms, da vor allem die in der Praxis üblichen Spannungstoleranzen der Ansteuersignale nicht ausgeregelt werden.
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In
JP000H09217855A wird die Begrenzung des Haltestroms durch Zuschalten einer Z-Diode realisiert. Durch diese Schaltung lässt sich eine relativ genaue Vorgabe des Haltestroms erreichen. Störgrößen wie Änderung des Spannungswertes des Schaltsignals oder Änderung des Lastwiderstands wirken sich jedoch in vollem Umfang auf den Haltestrom aus.
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In
DE 10 2004 058 159 B4 wird als Stellglied ein bipolarer Transistor eingesetzt, der in der Anzugsphase als Schalter arbeitet und in der Haltephase in einen geregelten Betrieb übergeht. Durch eine Spannungsregelung an der Magnetspule wird der Haltestrom weitgehend unabhängig von Schwankungen der Steuerspannung.
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Laständerungen infolge von Temperaturerhöhungen der Magnetspule werden durch diese Schaltung nicht ausgeglichen. Da es durch den reduzierten Haltestrom zu einer relativ geringen Eigenerwärmung der Spule kommt, sind unter üblichen Betriebsbedingungen keine Probleme zu erwarten.
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Wird das Magnetventil jedoch bei erhöhten Umgebungstemperaturen eingesetzt, kann es durch die thermisch bedingte Erhöhung des Spulenwiderstands zu einer deutlichen Reduzierung des Haltestroms kommen. Dies hat zur Folge, dass bei der Auslegung der Schaltung der Wert des Haltestroms höher angesetzt werden muss und die Haltestromabsenkung weniger effizient arbeiten kann.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Haltestromabsenkung zu realisieren, deren Strom in der Haltephase exakt auf einem vorgegebenen Level bleibt, unabhängig von den in der industriellen Anwendung auftretenden Störgrößen. Spannungstoleranzen des Ansteuersignals in einem Bereich von +/–20% des Nennwertes und Änderungen des Lastwiderstandes infolge thermischer Einflüsse von +30% des Nennwertes sind durchaus realistisch und sollten möglichst geringe Auswirkung auf die Konstanz des Haltestroms haben.
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Ein weiterer ganz wesentlicher Aspekt ist die Minimierung des schaltungstechnischen Aufwandes. Ziel ist es durch die zusätzliche Funktionalität der Haltestromabsenkung nur geringe Mehrkosten zu verursachen und den Flächenbedarf so gering zu halten, dass die Schaltung auf der meist bereits vorhandenen Platine für Schutzbeschaltung und Funktionsanzeige untergebracht werden kann.
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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 11 angegeben.
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Ein von einer externen Steuerung erzeugtes Schaltsignal wird an den Eingang der Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Magnetventils angelegt. Dieses Ansteuersignal liefert sowohl die Schaltinformation als auch die Versorgungsspannung für die gesamte elektronische Schaltung und für die daran angeschlossene Magnetspule.
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Die Schaltungsanordnung beinhaltet alle Elemente, die für die Umsetzung der Ansteuerstrategie der Haltestromabsenkung erforderlich sind.
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In einer kurzen durch ein Zeitglied definierten Anzugsphase wird über einen betätigten Halbleiterschalter die Magnetspule direkt mit dem vollen Schaltsignal beaufschlagt. Dadurch kann der elektromagnetische Aktor des Schaltventils die erforderliche Anzugskraft realisieren.
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Nach Ablauf der vorgegebenen Anzugszeit wird der Halbleiterschalter geöffnet und die Haltephase eingeleitet. Ein vorher durch den geschlossenen Halbleiterschalter überbrückter Schaltungsteil, das Stellglied einer Regeleinrichtung, übernimmt die Ansteuerung des Magnetventils in der Haltephase.
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Die Regeleinrichtung besteht aus einer Referenzspannungsquelle, welche die Sollwertvorgabe übernimmt, einem vom Magnetstrom durchflossenen Widerstand, der den Istwert liefert und einem Transistor, der den Soll-Istwertvergleich durchführt und zusätzlich auch die Funktion des Stellglieds übernimmt. Mit dieser Schaltungsanordnung ist mit einem minimalen Bauteilaufwand eine exakte Regelung des Magnetstroms auf einen definierten Wert für die Dauer der Haltephase möglich.
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Die Referenzspannungsquelle ist so realisiert, dass sie weitgehend unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung und von Änderungen der Umgebungstemperatur eine stabile Spannung als Sollwert für die Regelung liefert. Dazu wird der Spannungsabfall an dem PN-Übergang eines stromdurchflossenen Halbleiterelementes genutzt.
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Ein in Reihe zur Magnetspule angeordneter Widerstand erzeugt einen Spannungsabfall, der proportional zum Magnetstrom ist und somit als Istwert für die Regeleinrichtung genutzt wird.
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Der Transistor der Regeleinrichtung, der als bipolarer Transistor oder als Feldeffekttransistor ausgeführt sein kann, vergleicht Soll- und Istwert und minimiert als stetiges Stellglied die Regelabweichung des Magnetstroms.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass durch die beschriebene Schaltungsanordnung sichergestellt wird, dass der durch die Auslegung der Schaltung vorgegebene Level des Haltestroms weitgehend unabhängig von Störgrößen eingehalten wird. Die im industriellen Bereich üblichen Schwankungen des Ansteuersignals und des Lastwiderstandes infolge thermischer Einflüsse wirken sich dank der Stromregelfunktion praktisch nicht auf den Haltestrom aus.
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Diese positiven Eigenschaften der beschriebenen Schaltungsanordnung bieten für die Auslegung des Gesamtsystems, bestehend aus Ventilmechanik, Magnetkreis, Magnetspule und Elektronik ganz entscheidende Vorteile.
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Um eine geringe Verlustleistung zu garantieren, ist es von Vorteil, den Wert des Haltestroms auf einen möglichst geringen Level zu legen. Wenn der Haltestrom unabhängig von allen relevanten Störgrößen konstant bleibt, kann sich der Entwickler bei der Auslegung relativ nahe an den aus mechanischen Überlegungen resultierenden Mindest-Haltestrom heran bewegen. Ohne diese gesicherte Konstanz des Haltestroms, die Voraussetzung für eine exakt definierte Magnetkraft ist, müsste mit zusätzlichen schwer abschätzbaren Sicherheitszuschlägen gearbeitet werden. Dies würde die Effizienz der Haltestromabsenkung deutlich reduzieren.
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Um einige der Merkmale der Erfindung bildlich darzustellen, werden die folgenden Zeichnungen genutzt. Es zeigt:
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1 die prinzipielle Darstellung der Schaltungsanordnung in Form eines Blockschaltbilds
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2 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs der Schaltspannung und des hierzu korrespondierenden Magnetstroms über der Zeit
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3 ein Ausführungsbeispiel mit einer LED als Referenzspannungsquelle und einem PNP-Transistor und einer auf Masse bezogenen Last
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4 ein Ausführungsbeispiel mit Z-Diode als Referenzspannungsquelle und einer LED für die Anzeige des Schaltzustandes in Reihe zur Magnetspule
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5 ein Ausführungsbeispiel mit einer LED als Referenzspannungsquelle und einem als Feldeffekttransistor ausgeführten Stellglied mit einer auf Versorgungsspannung bezogenen Last
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Gleiche oder entsprechende Teile werden in den Darstellungen 3 bis 5 durch gleiche oder entsprechende Bezugszeichen bezeichnet, wobei bei den sich ändernden Teilen die erste Ziffer die Figur referenziert und die zweite Ziffer die vergleichbaren Bauteile benennt.
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Das Blockschaltbild 1 soll den prinzipiellen Aufbau der in der Erfindung vorgeschlagenen Schaltungsanordnung veranschaulichen.
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Das von einer externen Steuerung, bestehend aus einer Versorgung 1 und einem Schaltelement 2, erzeugte Ansteuersignal wird über die Anschlussklemmen 3 und 4 der Schaltung zur Ansteuerung eines Magnetventils zugeführt.
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Zwischen den beiden Anschlussklemmen liegt eine Regeleinrichtung 5 in Serie zu der Magnetspule 9. Parallel zur Regeleinrichtung ist ein Halbleiterschalter 10 angeordnet, der durch ein Zeitglied 11 angesteuert wird.
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In einer kurzen durch das Zeitglied 11 definierten Anzugsphase wird über den betätigten Halbleiterschalter 10 die Magnetspule 9 direkt mit den Anschlussklemmen 3 und 4 verbunden und mit dem vollen Schaltsignal beaufschlagt. Das anschließende Öffnen des Halbleiterschalters beendet die Anzugsphase und leitet die stromgeregelte Haltephase ein.
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Das Kernstück der Schaltung ist die Regeleinrichtung, die aus einem Transistor 8, der als bipolarer Transistor oder als Feldeffekttransistor ausgeführt sein kann, einer Referenzspannungsquelle 6 und einem Widerstand 7 besteht.
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Der Transistor 8 dient als stetig arbeitendes Stellglied, das in der Haltephase den Magnetstrom stufenlos in dem vorgegebenen Regelbereich steuert.
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Die Referenzspannungsquelle 6 hat die Aufgabe eine stabile Spannung zu liefern, die weitgehend unabhängig sein soll von Schwankungen der Versorgungsspannung und von Änderungen der Umgebungstemperatur. Sie erzeugt quasi den Sollwert für die Regelung des Magnetstroms.
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Der Widerstand 7, der in Reihe zur Magnetspule liegt, erzeugt in der Haltephase einen zum Magnetstrom proportionalen Spannungsabfall, der als Istwert für die Stromregelung genutzt wird.
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Der eine Anschluss des Widerstandes 7 ist mit dem Emitter/Source-Anschluss A2 des Transistors 8 verbunden. Die Referenzspannungsquelle 6 liegt zwischen dem zweiten Anschluss des Widerstandes und dem Basis/Gate-Anschluss A1, während über den Kollektor/Drain-Anschluss A3 des Transistors 8 eine Verbindung zur Magnetspule 9 hergestellt wird.
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2 zeigt die relevanten Signalverläufe für einen Schaltzyklus. Die von einer externen Steuerung generierte Schaltspannung U wird in der Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Magnetspule in ein spezielles Stromsignal I umgesetzt.
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In der Anzugsphase t1 wird die Schaltspannung direkt auf die Magnetspule durchgeschaltet. Die Induktivität der Spule führt zu einem verzögerten Stromaufbau und im weiteren Verlauf kommt es zu einem kurzen Einbruch im Stromverlauf, der durch den Anzug des Magnetankers bedingt ist.
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Nach der durch die Schaltung vorgegebenen Dauer der Anzugsphase t1 wird in der sich anschließenden Haltephase t2 der Magnetstrom reduziert und exakt auf den vorgegebenen Sollwert geregelt. Der Level des Haltestroms IH ist so gewählt, dass es bei betätigtem Ventil zu einer deutlichen Verringerung der Verlustleistung an der Magnetspule kommt.
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Nach Abschalten der Schaltspannung baut sich der Haltestrom IH bedingt durch die Induktivität der Magnetspule und die Freilaufdiode zeitlich verzögert ab.
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In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Schaltplan veranschaulicht. Die Magnetspule 9 liegt einseitig an der mit Masse verbundenen Anschlussklemme 4. Der Transistor 8 der Regeleinrichtung 5 aus 1 ist als PNP-Transistor 33 ausgeführt. Der Widerstand 7 aus dem Blockschaltbild entspricht dem Widerstand 32, der den Emitter des Transistors mit der positiven Anschlussklemme 3 verbindet. Die Referenzspannungsquelle 6 aus 1 wird durch die LED 30 realisiert, die über einen Vorwiderstand 31 zwischen den Anschlussklemmen 3 und 4 angeordnet ist. Die LED übernimmt neben der Funktion der Referenzspannungsquelle auch gleichzeitig die Anzeigefunktion für den Schaltzustand der Ventilansteuerung.
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Diese Mehrfachnutzung der LED bringt gleich zwei Vorteile. Zum einen wird die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert, zum anderen verringert sich die Verlustleistung der gesamten Schaltung, da kein zusätzlicher Strompfad für die Anzeigefunktion erforderlich ist. Durch den Einsatz einer Low-Power LED und die Auswahl eines Transistors 33 mit hoher Stromverstärkung kann darüber hinaus die Verlustleistung im LED Strompfad deutlich reduziert werden, ohne die Qualität der Stromregelung zu verringern.
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Die zur Magnetspule 9 parallel geschaltete Freilaufdiode 34 soll die Induktionsspitzen während des Ausschaltvorgangs begrenzen. Der Halbleiterschalter 10 aus 1 ist bei dieser Schaltungsanordnung durch einen P-Kanal-MOS-FET 35 realisiert, dessen Gate durch eine Schutzbeschaltung 36 gegen Überspannung geschützt ist.
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Das Zeitglied 11 wird durch eine RC-Reihenschaltung 37, 38 gebildet die zwischen den Anschlüssen 3 und 4 angeordnet ist, wobei der Verknüpfungspunkt des RC-Glieds mit dem Gate des FET verbunden ist. Bei dieser Schaltungsanordnung muss der Kondensator einseitig auf Masse liegen.
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Zum Schutz vor externen Spannungsimpulsen ist unmittelbar am Eingang der Schaltung zwischen den Anschlüssen 3 und 4 eine bipolare Suppressordiode 12 angeordnet.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel erfüllt alle in der Aufgabenstellung definierten Anforderungen bei einem minimalen schaltungstechnischen Aufwand. Gegenüber der üblicherweise bei Magnetventilen eingesetzten Ansteuerelektronik, die sich auf eine Funktionsanzeige durch LED und eine Schutzbeschaltung beschränkt, sind für die Realisierung der Haltestromabsenkung mit exakt geregeltem Haltestrom zusätzlich lediglich sechs kleinbauende, kostengünstige Bauteile erforderlich.
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Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt eine Modifikation der Schaltung von 3. Als Referenzspannungsquelle wird statt der LED 30 eine Z-Diode 49 eingesetzt und die Funktionsanzeige wird durch eine LED 40 realisiert, die zwischen dem Kollektoranschluss von Transistor 43 und einem Anschluss der Magnetspule so angeordnet ist, dass sie in der Anzugsphase durch den FET 45 überbrückt wird. Da die LED 40 durch den Haltestrom der Magnetspule aktiviert wird, ist kein zusätzlicher Stromanteil für die Funktionsanzeige erforderlich, wodurch sich die Verlustleistung der Gesamtschaltung reduziert.
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Diese Schaltungsvariante kann nur genutzt werden, wenn der erforderliche Haltestrom des Magnetventils kleiner ist als der maximal zulässige LED-Strom. Andernfalls wird ein zusätzlicher Strompfad für die Funktionsanzeige erforderlich.
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Durch eine gezielte Auswahl der Z-Spannung und eine entsprechende Anpassung des Emitter-Widerstands 42 kann in der Haltephase ein Teil der Verlustleistung vom Transistor 43 auf den Emitter-Widerstand 42 verlagert werden. Dadurch ist es möglich, ein entsprechend kleinbauendes SMD-Transistorgehäuse zu nutzen, um den Flächenbedarf zu minimieren.
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Wenn eine besonders hohe Temperaturstabilität gefordert ist, kann in Reihe zur Z-Diode zusätzlich eine Diode geschaltet werden, um den Temperaturkoeffizienten der Basis/Emitter-Strecke des Transistors zu kompensieren. Die Wahl einer Z-Diode mit einer Z-Spannung im Bereich von 5 bis 6V wirkt sich ebenfalls positiv auf das Temperaturverhalten der Schaltung aus.
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5 zeigt im Prinzip die gleiche Schaltung wie 3. In diesem Fall liegt die Magnetspule 9 jedoch einseitig am Anschluss 3, der die positive Steuerspannung repräsentiert. Durch die veränderte Anordnung der Magnetspule müsste der PNP-Transistor 33 auf einen NPN-Typ umgestellt werden. In 5 ist jedoch statt des möglichen bipolaren NPN-Transistors alternativ ein Feldeffekttransistor, in diesem Falle ein n-Kanal Sperrschicht-FET 53, eingesetzt. Als Halbleiterschalter kommt in dieser Schaltung ein N-Kanal-MOS-FET 55 zum Einsatz.
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Die LED 50, die neben der Funktionsanzeige auch die Referenzspannungsquelle darstellt, ist in dieser Schaltungsanordnung mit Masse verbunden. Der Kondensator 58 des RC-Glieds kontaktiert die positive Steuerspannung an Anschluss 3. Die Anordnung der Schutzbeschaltungen 54 und 56 wird entsprechend angepasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19647215 A1 [0009]
- DE 19638260 C2 [0013]
- JP 09217855 A [0014]
- DE 102004058159 B4 [0015]
