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Die Erfindung betrifft eine Ansteuereinrichtung
für eine
Magnetspule sowie ein Verfahren zum Versorgen einer Magnetspule
mit Strom.
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Spulen, insbesondere Magnetspulen,
magnetische Antriebe, wie beispielsweise die Magnetspulen von Ventilantrieben,
müssen
häufig
mit einem Betriebsstrom versorgt werden, der einerseits die thermische
Belastung der Spule in erträglichen
Grenzen hält
und andererseits ausreichend ist, damit der von der Spule erregte
Magnetkreis die geforderte Kraft erzeugt. Wird eine Spule eines
Magnetkreises an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, wird
der sich einstellende Spulenstrom von der Spuleninduktivität und deren Ohmschen
Widerstand begrenzt. Wird die Spule hingegen mit gleichgerichteter Wechselspannung,
d.h. pulsierender Gleichspannung, betrieben wird der Spulenstrom
in erster Linie von dem Ohmschen Widerstand der Spule begrenzt. In
beiden Fällen
ist der Spulenstrom stark von der anliegenden Spannung, beispielsweise
der anliegenden Netzspannung, abhängig. Sollen keine besonderen
Spannungsstabilisierungsmaßnahmen
getroffen werden, die häufig
unverhältnismäßig wären, muss die
Spule soweit überdimensioniert
werden, dass sie auch die größten vorkommenden
Spulenströme
erträgt.
Dies wird häufig
abgelehnt.
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Wird die Spule jedoch über eine
Strombegrenzungsschaltung betrieben, etwa derart, dass der Spule
eine Freilaufdiode parallel geschaltet ist und der Strom jeweils
bei Erreichen eines Spitzenwerts abgeschaltet wird, ergeben sich
bei unterschiedlichen Netzspannungen erhebliche Stromdifferenzen an
der Spule. Eine solche an sich bekannte Schaltung ist in 7 veranschaulicht. Die Magnetspule
L ist mit ihrer Freilaufdiode D an eine Gleichrichterbrücke G angeschlossen,
die aus einer Netzspannung UN eine wellige
Gleichspannung erzeugt. Zu der Spule L sind ein Transistor T und
ein Stromfühlerwiderstand
R in Reihe geschaltet. Der Transistor T wird von einer Steuerschaltung
S derart gesteuert, dass der Strom durch die Spule L abgeschaltet
wird wenn er seinen Spitzenwert erreicht hat. Wieder eingeschaltet
wird der Strom, wenn die Betriebsspannung ihren Nulldurchgang durchlaufen
hat. Das Endladen der Spule L erfolgt über die Diode D während das Aufladen
durch den Transistor T erfolgt. Der sich ergebende Spulenstrom I1 ist 2 und 3 zu entnehmen. 2 veranschaulicht die wellige
Spannung U bei niedriger Netzspannung. Der Schalter T wird von der
Steuerschaltung S immer kurz nach dem Netznull durchgang zum Zeitpunkt
t0, t1 eingeschaltet
und zwar so lange bis der Strom seinen Maximalwert Imax erreicht
hat. Gemäß der in 2 dargestellten oberen Kurve
I1 steigt der Strom bis zu seinem Maximalwert
an. Der Schalter T wird nun von der Steuerschaltung S abgeschaltet,
wonach er wieder abklingt, wie der gestrichelte Teil der Kurve I1 zeigt. Der sich ergebende Effektivwert
ist Ieff
1. 3 veranschaulicht den gleichen
Prozess bei größerer Eingangsspannung U2. Der sich ergebende Strom wird durch die
Kurve I2 symbolisiert. Das Ansteigen des
Stroms ist aufgrund der höheren
Netzspannung viel steiler als in 2 veranschaulicht.
Der Maximalwert Imax wird entsprechend früher erreicht.
Das Abschalten des Transistors T erfolgt somit früher, wonach
der Strom, wie der gestrichelte Teil der Kurve I2 Veranschaulicht,
als Freilaufstrom durch die Diode D wieder abklingt. Die Abklingzeit
ist bei größerer Netzspannung
gemäß U2 in 3 wesentlich
größer als
bei geringerer Netzspannung U1 in 2. Der sich ergebende Effektivwert
Ieff2 des Stroms ist somit geringer. Dies
bedeutet, dass die Schaltung gemäß 7 bei wechselnden Eingangsspannungen
wechselnde Spulenströme
liefert.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, hier
abzuhelfen und eine Ansteuereinrichtung sowie ein Verfahren zur
Strombelieferung einer Spule vorzuschlagen, mit dem sich bei wechselnden
Eingangsspannungen wenigstens näherungsweise
konstante Spulenströme
erreichen lassen.
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Diese Aufgabe wird mit der Ansteuereinrichtung
nach Anspruch 1 sowie dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst: Die
erfindungsgemäße Ansteuereinrichtung
enthält
einen gesteuerten Schalter über den
die Magnetspule periodisch mit einer Spannungsquelle verbunden wird.
Eine Stromerfassungseinrichtung dient dabei dazu, den von der Spannungsquelle
in die Magnetspule gelieferten Strom, d.h. den Spulenladestrom,
zu erfassen. Sobald der Spulenstrom einen Schwellwert, der geringer
ist als der gewünschte
Stromspitzenwert, erreicht, wird die Zeitschaltung gestartet. Bei
einer vereinfachten Bauform wird die Zeitschaltung schon mit dem
Einschalten des Stroms gestartet. Diese schaltet den Schalter, über den
die Magnetspule mit Strom versorgt wird, nun nach einer Zeitverzögerung ab,
die ihrerseits von der Größe der Eingangsspannung
abhängt. Damit
gelingt es bei größeren Eingangsspannungen kleinere
Spulenladezeiten und bei kleineren Eingangsspannungen größere Spulenladezeiten
festzulegen. Jedoch weicht der Zusammenhang zwischen Spulenladezeit
und Eingangsspannung von dem sich bei einer Schaltung nach 7 ergebenden Zusammenhang
signifikant ab. Es wird nun die Möglichkeit geschaffen, die Zeitverzögerung nach
dem Erreichen des Schwellwerts gerade so einzustellen, dass auch bei
unterschiedlichen Eingangsspannungen gleiche Stromeffektivwerte
an der Magnetspule entstehen.
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Dies bedeutet, dass bei unterschiedlichen Eingangsspannungen
unterschiedliche Stromspitzenwerte erreicht werden. Ist die Spannung
niedriger, liegen die erreichten Stromspitzenwerte tendenziell niedriger
als bei höherer
Eingangsspannung. Eine äquivalente
Alternative zur Festlegung unterschiedlicher Ladezeiten ist die
spannungsabhängige Festlegung
von Stromspitzenwerten, bei denen die Abschaltung erfolgt. In beiden
Fällen
wird eine Erhöhung
des Effektivwerts des Spulenstroms bei einer Erniedrigung der Eingangsspannung,
wie es bei einer Schaltung nach 7 der
Fall ist, vermieden. Dadurch können
Magnetspulen auch an Netzen mit unterschiedlich schwankenden Eingangsspannungen sicher
betrieben werden. Eine Überdimensionierung der
Spulen ist nicht erforderlich. Die Eingangsspannungen können z.B.
im Bereich von 100 V bis 250 V schwanken. Dies ermöglicht sogar
den Betrieb ein- und derselben Ansteuereinrichtung sowie ein- und derselben
Magnetspule an ganz unterschiedlichen öffentlichen Netzen, z.B. 60
Hz/110 V und 50 Hz/230 V.
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Prinzipiell ist es möglich, unterschiedliche Stromerfassungseinrichtungen
vorzusehen. Im einfachsten Fall wird jedoch ein Stromfühlerwiderstand (Shunt)
bevorzugt.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird
die Ladezeit der Spule so in Abhängigkeit
von der pulsierenden Gleichspannung (Betriebsspannung) gesteuert,
dass die Lade- und Entladekurve des Spulenstroms bei allen anliegenden
Betriebsspannungswerten ein konstantes Zeitintegral aufweist. Dies
kann auch ohne Stromerfassung erreicht werden, wenn die Zeitschaltung
jeweils mit dem Einschalten des Spulenstroms gestartet wird. Als
Alternative ist es außerdem
möglich,
auf eine Zeitschaltung zu verzichten, wie beispielsweise Anspruch
12 festlegt. Bei dieser Variante erfolgt die Einschaltung des Ladestroms, wie
bei den vorigen Beispielen auch, synchron zu den jeweils ankommenden
Spannungsminima. Die Abschaltung erfolgt jedoch nicht nach festgelegter (betriebsspannungsabhängiger)
Ladezeit sondern bei Erreichen eines Maximalstroms. Jedoch wird
der Wert des Maximalstroms, der den Abschaltstrom kennzeichnet,
wiederum spannungsabhängig
festgelegt. Bei geeignetem Zusammenhang zwischen dem als Abschaltgrenze
dienende Strom Imax und der Betriebsspannung
ergibt sich wiederum ein konstantes Stromzeitintegral.
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Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den 1 bis 6 der Zeichnung, der zugehörigen Beschreibung
sowie Unteransprüchen.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Ansteuereinrichtung
als Übersichtsbild,
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2 und 3 Strom- und Spannungsverläufe der
erfindungsgemäßen Ansteuereinrichtung,
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4 die
Ansteuereinrichtung nach 1 in einem
detaillierteren Blockschaltbild,
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5 einen
Prinzipschaltplan der Ansteuereinrichtung nach 1 und 4,
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6 den
Zusammenhang zwischen Netzspannung und Zeitverzögerung einer zu der Ansteuereinrichtung
gemäß 1, 4 und 5 gehörigen Zeitschaltung
und
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7 eine
Ansteuereinrichtung nach dem Stand der Technik.
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In 1 sind
eine Magnetspule L und deren Ansteuereinrichtung 1 gemäß der Erfindung
veranschaulicht. Die Magnetspule L ist beispielsweise die Magnetspule
eines Zugantriebs zum Öffnen
und Schließen
eines Ventils oder eines anderweitigen Stellantriebs. Die Ansteuereinrichtung 1 dient
dazu, die Magnetspule L mit einem definierten Spulenstrom zu beaufschlagen
wenn eine Netzspannung UN vorliegt. An die
Netzspannung UN ist eine Gleichrichterbrücke G angeschlossen,
die aus der anliegenden Sinus-Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung
U1 macht. Der Zeitverlauf derselben ist
beispielsweise in 2 veranschaulicht.
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Die Gleichrichterbrücke G ist
mit einem Ende der Magnetspule L verbunden, deren anderes Ende über einen
gesteuerten Schalter 3 in Form eines Transistors T und
einen Stromfühlerwiderstand
R wiederum mit der Gleichrichterbrücke G verbunden ist. Der Transistor
T ist von einer Ansteuerschaltung 4 gesteuert, die einen
Stromfühlereingang 5 und
einen Spannungsfühlereingang 6 aufweist.
Die Steuerschaltung 4 ist so beschaffen, dass sie den Transistor T
jeweils kurz nach Passieren eines Nulldurchgangs der Betriebsspannung
UN einschaltet und in besonderer Weise wieder
ausschaltet. Dazu überwacht
die Steuerschaltung 4 die an dem Stromfühlerwiderstand R abfallende
Spannung, die den Spulenladestrom kennzeichnet. Es wird dazu auf 2 und insbesondere die Kurve
für den
Spulenstrom I2 verwiesen. Zu einem Zeitpunkt
t0 kurz nach dem Nulldurchgang der Spannung
U1 erfasst die Steuerschaltung 4 an
dem Spannungsfühlereingang 6 eine
Spannung, die ein Einschalten des Transistors T auslöst. Ab diesem Zeitpunkt überwacht
die Steuerschaltung mit dem Stromfühlereingang 5 den
zunehmenden Spulenstrom I2. Sobald dieser
einen Schwellwert IS erreicht hat, der deutlich
kleiner ist als der gewünschte
Spitzen wert, startet die Steuerschaltung 4 eine Zeitschaltung
(Timer), die eine Zeitverzögerung Δt1 festlegt. Nach Ablauf dieser Zeitverzögerung Δt1 wird der Transistor T abgeschaltet. Der
Strom I2 erreicht in diesem Zeitpunkt seinen
Spitzenwert.
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Nach Abschalten des Transistors T
kommutiert der Strom auf die Diode D, die der Magnetspule L parallel
geschaltet ist. Er klingt hier wieder ab wie durch den gestrichelten
Ast der Kurve I2 in 2 veranschaulicht ist. Sobald ein nächster Spannungsnulldurchgang
erfolgt ist und die Spannung wieder auf ihren ausreichenden Mindestwert
angestiegen ist, schaltet die Steuerschaltung 4 den Transistor
T zu einem Zeitpunkt t1 wieder ein. Das
oben beschriebene Spiel wiederholt sich von Neuem.
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Es wird somit ein Effektivwert Ieef2 für
den Spulenstrom erhalten, der sich aus den anschwellenden, durch
den Transistor T fließenden Ästen und den
abfallenden, durch die Diode D fließenden Ästen ergibt.
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3 veranschaulicht
die Verhältnisse
bei einer wesentlich größeren Eingangsspannung.
Wiederum zu einem Zeitpunkt t0, bei dem
die Eingangsspannung UN den gleichen Wert
wie in 2 erreicht hat,
schaltet die Steuerschaltung 4 den Transistor T ein. Der
Stromanstieg, der hier durch die Kurve I2 (3) veranschaulicht ist,
ist wesentlich steiler als in 2.
Der Schwellwert IS wird somit schon nach relativ
kurzer Zeit erreicht. Aufgrund der nun schneller ansteigenden Spannung
UN legt die Steuerschaltung bzw. deren Zeitschaltung
nun eine wesentliche kürzere
Einschaltzeit Δt2 fest. Der Strom erreicht dabei seinen Spitzenwert
Imax. Mit Ablauf der Zeitverzögerung Δt2 wird der Transistor T abgeschaltet und
der Strom kommutiert auf die Diode D. Es ergibt sich der abfallende
gestrichelte Ast der Kurve I2 in 3. Der Effektivwert Ieef2 stimmt mit dem Effektivwert Ieef1 überein,
wenn die Zeitverzögerung Δt2 ausreichend
kurz gewählt
worden ist.
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Zum besseren Verständnis der
Funktion der Zeitverzögerung Δt1 bzw. Δt2 wird nochmals auf 7 verwiesen. Die dort veranschaulichte
Steuerschaltung S schaltet den Spulenstrom jeweils immer dann ab,
wenn der Maximalwert Imax erreicht ist.
Im Falle der hohen Eingangsspannung nach 3 ergibt sich dabei ein niedriger Stromeffektivwert
Ieef1 der gleich dem Stromwert ist, den
die Schaltung nach 1 liefert.
Sinkt jedoch die Eingangsspannung, wie 2 veranschaulicht, sind nach dem Erreichen des
Stromwerts Imax (Kurve I1 in 2) jeweils nur kurze Zeiten
für das
Abklingen des Stroms vorhanden, so dass sich insgesamt ein erhöhter Effektivwert Ieef1 ergibt. Dies vermeidet die erfindungsgemäße Schaltung
nach 1.
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Zur weiteren Erläuterung, insbesondere der Steuerschaltung 4,
wird auf die 4 und 5 verwiesen. 4 veranschaulicht die Steuerschaltung 4 als Blockschaltbild.
Es enthält
einen Schaltungsblock 7 zur direkten Ansteuerung des Transistors
T. der Schaltungsblock 7 weist einen Eingang 8 zum
Einschalten des Transistors T und einen Eingang 9 zum Ausschalten
des Transistors T auf. Sein Ausgang 11 ist mit dem Transistor
T verbunden. Dem Eingang 8 ist eine Komparator- oder Triggerschaltung 12 vorgeschaltet,
deren Eingang den Spannungsfühlereingang 6 der
Steuerschaltung 4 bildet. Wenn die hier erfasste Eingangsspannung
einen Mindestwert übersteigt,
erhält
der Schaltungsblock 7 einen Einschaltimpuls.
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An den Stromfühlereingang 5 ist
ebenfalls eine Triggerschaltung 14 angeschlossen, die an
ihrem Ausgang einen Impuls liefert, wenn die von dem Stromfühlerwiderstand
R erzeugte Spannung größer als
ein Schwellwert ist. An die Triggerschaltung 14 ist eine
Zeitschaltung 15 angeschlossen, die eine festgelegte Verzögerungszeit
ablaufen lässt
bis sie das an dem Eingang erhaltene Signal an ihren Ausgang überträgt, der
mit dem Eingang 9 verbunden ist. Die Zeitschaltung 15 weist
einen Steuereingang 16 auf, der mit dem Spannungsfühlereingang 6 verbunden ist.
Die an dem Steuereingang 16 anliegende Spannung bestimmt
die Verzögerungszeit
der Zeitschaltung 15 in der in 6 veranschaulichten Weise. Je größer die
anliegende Spannung ist desto kleiner ist die von der Zeitschaltung 15 festgelegte
Verzögerungszeit.
Der Zusammenhang kann, wie 6 veranschaulicht,
linear sein. Die Triggerschaltungen 12, 14 bilden
gemeinsam eine Einschalteinrichtung für den Transistor T und die
Zeitschaltung 15. Die Triggerschaltung 14 ist
die Einschalteinrichtung für
die Zeitschaltung 15.
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5 zeigt
die schaltungstechnische Realisierung des Schaltungsblocks 7 der
Triggerschaltungen 12, 14 und der Zeitschaltung 15.
Im Einzelnen:
Der Schaltungsblock 7 wird durch ein
RS-Flipflop gebildet, dessen Setzeingang E (Eingang 8)
mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers verbunden ist, der zu
der Triggerschaltung 12 gehört. Der invertierende Eingang
desselben greift über
einen Spannungsteiler R1, R2 eine Referenzspannung ab. Diese vergleicht
er mit einer aus der Spannung UN über einen
Spannungsteiler R3, R4 abgeleiteten Spannung, die an seinem nicht
invertierenden Eingang anliegt. Sobald die Spannung an dem nicht
invertierenden Eingang die Span nung an dem invertierenden Eingang
unterschreitet wird der Ausgang des Operationsverstärkers Masse
oder negativ und es wird ein Setzsignal an den Eingang 8 des
Schaltungsblocks 7 geliefert. Auf diese Weise wird in der
Nähe des
Nulldurchgangs der Spannung UN ein Signal
erzeugt, das an dem Ausgang 11 positiv ansteht und den
Transistor T aufsteuert.
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Der Stromfühlereingang 5 wird
durch den nicht invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers gebildet,
der den Kern der Triggerschaltung 14 bildet. Sein negativer
Eingang liegt an dem Spannungsteilerpunkt des aus den Widerständen R1,
R2 gebildeten Spannungsteilers. Sein positiver Eingang ist mit dem
Widerstand R verbunden und bildet den Stromfühlereingang. Sobald die Spannung an
dem Widerstand R größer ist
als die an dem Spannungsteilerpunkt wird der Ausgang des Operationsverstärkers positiv.
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Die Zeitschaltung 15 wird
durch einen Kondensator C gebildet, der über einen Widerstand RZ mit der Spannung UN verbunden ist. Eine
in Flussrichtung gepolte Diode D1 verbindet den Verbindungspunkt
zwischen dem Widerstand RZ und dem Kondensator
C mit dem Ausgang des Operationsverstärkers der Triggerschaltung 14.
Außerdem
ist hier ein Triggerblock 17 angeschlossen, dessen Ausgang den
Ausgang der Zeitschaltung 15 bildet und mit dem Eingang 9 verbunden
ist.
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Ist der Strom durch den Widerstand
R gering, so dass der Spannungsabfall kleiner als das Potential an
dem Spannungsteilerpunkt des Spannungsteilers R1/R2 ist, fließt der über den
Widerstand RZ kommende Strom über
die Diode D1 in den Ausgang der Triggerschaltung 14. Sobald
die Spannung an dem Stromfühlerwiderstand
R jedoch größer wird
als an dem Spannungsteilerpunkt Rl/R2 wird der Ausgang der Trigger schaltung 14 positiv
und die Diode D1 sperrt. Es wird nun der Kondensator geladen. Nach einer
Ladezeit, die von der Größe des durch
den Widerstand RZ fließenden
Ladestrom abhängt,
wird eine Spannung erreicht, die den nachfolgenden Triggerblock 17 kippen
lässt und über den
Schaltungsblock 7 den Transistor T abschaltet. Je größer die Spannung
UN ist desto schneller wird der Kondensator C aufgeladen, d.h. desto
kürzer
wird die von der Zeitschaltung 15 vorgegebene Zeit Δt1 bzw. Δt2.
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Eine abgewandelte Bauform der Steuerschaltung 4 ist
insoweit möglich,
als diese ohne Stromerfassungseinrichtung auskommen kann. Beispielsweise
kann die Zeitschaltung von dem Einschaltimpuls des RS-Flipflops
gestartet werden, wodurch dann die Ladezeit der Spule L vollständig und allein
von der Zeitschaltung 15 festgelegt wird. Ebenso ist in
einer weiteren Abwandlung der Steuerschaltung gemäß 1 die Möglichkeit vorgesehen, ohne Zeitschaltung
auszukommen. Dies wird erreicht, indem der Schwellwert den die Triggerschaltung 14 erhält und der
normalerweise den Strom festlegt, bei dem die Zeitschaltung 15 gestartet
werden soll, betriebsspannungsabhängig variabel festgelegt wird. Dies
kann erfolgen, indem der invertierende Eingang der Triggerschaltung 14 an
einen Spannungsteiler angeschlossen wird, der an den Ausgang der
Gleichrichterschaltung G angeschlossen ist. Dadurch kann der Stromspitzenwert,
bei dem die Abschaltung des Transistors T erfolgt, proportional
zur Spannung festgelegt werden, um somit ein Abfallen des Spulenstroms
bei höheren
Spannungen bzw. eine zu große Zunahme
des Spulenstroms bei niedrigeren Spannungen zu vermeiden.
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Eine Ansteuereinrichtung für eine Magnetspule
weist eine Ansteuerschaltung auf, die sowohl den Augenblickswert der
Spannung, mit der die Spule beaufschlagt wird, als auch den Augenblickswert des
Spulenladestroms überwacht.
Erreicht dieser einen Schwellwert wird eine Zeitschaltung 15 gestartet, deren
Zeitverzögerung
von der anliegenden Spannung UN beeinflusst
wird. Je größer die
Spannung ist desto geringer ist die Zeitverzögerung der Zeitschaltung 15.
Die Steuerschaltung 4 schaltet den Spulenladestrom ab sobald
die von der Zeitschaltung vorgegebene Verzögerungszeit abgelaufen ist.
Der Spulenstrom kommutiert nun auf eine Freilaufdiode. Die Steuerschaltung 4 schaltet
den Spulenladestrom über
den Transistor T erst in der Nähe
des Nulldurchgangs der Versorgungsspannung überein. Durch geeignete Abstimmung
der Abhängigkeit
der Zeitverzögerung
von der Versorgungsspannung lässt
sich erreichen, dass die Magnetspule in äußerst weiten Grenzen der Versorgungsspannung
mit einem immer gleichen Strom, insbesondere mit einem konstanten Effektivwert
beaufschlagt wird.