DE1807748A1 - Verfahren fuer das Betaetigen von Magnetventilen - Google Patents
Verfahren fuer das Betaetigen von MagnetventilenInfo
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Description
ap/A 2894 Voith Getriebe KG
Kennwort: "Elektronische Ventilsteuerung" Heidenheim (Brenz)
Verfahren für das Betätigen von Magnetventilen
Die Erfindung Detrifft ein Verfahren· für das Betätigen eines
über lange Zeiträume in Arbeitsstellung zu haltenden Magnetventils,
Hubmagneten o. dgl. mit einer zum Anziehen des beweglichen Magnetkernes an eine Spannungsquelle anzuschließenden
Magnetspule und mit einer nur in angezogenem Zustand des beweglichen Magnetkernes geschlossenen, den erregten Magnetfluß kurzschließenden
Eisenummantelung, Eisenjoch o. dgl,.
Magnete dieser Art müssen ninsichtlich ihrer Kupferwicklungen
mit Rücksicht auf den hohen Anzugstrcm sehr leistungsstark
ausgelegt werden, damit der auch in angezogenem Zustand fließende Strom das Wickelpaket nicht unzulässig stark erhitzt. Dieser
Umstand ist oesonders dann störend, wenn mehrere Magnetventile
in einer elektrohydraulischen Steuerung vorgesehen sind und wenn die Magnetventile über längere Zeiträume in Arbeitsstellung verharren
müssen. Die Ventile mit hoher Einschaltdauer sind sehr groß und schwer, was namentlich bei einer Mehrfachanordnung und
z.B. oei PahrzeuggetrieDesteuerungen nachteilig ist, da bei Fahrzeugen bekanntlich die Gewichts- und Platzfrage oesonders
prekär ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betätigungsverfahren
für Magnetventile anzugeben, aufgrund dessen die Magnetventile auch bei hoher Einschaltdauer klein ausgebildet werden
können, ohne daß eine Überhitzungsgefahr für die Wicklungen Desteht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in an sich bekannter
Weise während der Zeit des Anziehens des beweglichen Magnet-
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kerns die Spule zunächst an eine hohe Anzugsspannungsquelle
(100$) zur Erregung eines hohen Anzugsmagnetflusses in dem noch
offenen Joch und nach angezogenem Magnetkern während der ganzen
Arbeitszeit des Magnetventiles an eine geringe vorzugsweise etwa 5 bis 22$ gegenüber dem Anzugsspannung betragende Haltespannung
zur Erregung eines Haltemagnetflusses in dem nun geschlossenen Joch gelegt wird.
Zur Durchführung dieses Verfahrens wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Gleichstromschaltung vorgeschlagen, bei
der in der Stromzuführungsleitung zur Erregerspule des Magnetventiles ein durch eine Umgehungsleitung und einen darin angeordneten
elektrisch betätigten oder elektronisch gesteuerten, in Ruhestellung geöffneten Schalter überbrückbarer Ohm*scher Wider-
vorzugsweise
stand sowie ein in Serie zum Widerstand liegender weiterer,/ebenfalls
elektrisch oetätigter oder elektronisch gesteuerter, in Ruhestellung
offener Schalter zum Ein- und Ausschalten des Magnetventiles angeordnet ist, und daß eine Verzögerungsschaltung für
das verzögerte Öffnen des parallel zum Widerstand liegenden Schalters ab Einschalten des Einschalters vorgesehen ist.
Die Verzögerungsschaltung wird zweckmäßigerweise als ein sogenanntes R-C-Giied ausgebildet und der Schalter als eine
transistorisierte dreistufige Stromverstärkerschaltung , bei der
die Basis-Emitterstrecke des Eingangstransistors in Serie mit dem R-C-Glied geschaltet ist und bei der die Kollektor-Emitterstrecke
des Ausgangstransistors parallel zum Vorwiderstand liegt.
Diese bisher gekennzeichnete Schaltung ist für die Stromsteuerung bei der Betätigung nur eines Magnetventiles geeignet«
Soll der Betätigungsstrom für mehrere,voneinander unabhängige
Magnetventile gesteuert werden, so sind,ausgehend von der zuletzt
beschriebenen Schaltung,zwei Möglichkeiten der Steuerung zu unterscheiden,
die von der Anlage, die durch die Magnetventile hydraulisch gesteuert werden soll, Jeweils vorgegeben- werden»
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Eine Möglichkeit: Wenn ein neues Magnetventil eingeschaltet wird, mu3 ein anderes ausgeschaltet werden (Umschaltung von einer
Magnetspule auf eine andere. Möglichkeit: Wenn ein neues Magnetventil eingeschaltet wird, wird kein anderes.ausgeschaltet (Fall
der reinen Zuschaltung einer Magnetspule). Im Fail der eiektrohydraulisehen
Steuerung eines UmlaufrädergetrieDes für Fahrzeuge wird z.B. bei einem Gangwechsel normalerweise eine Getriebebremse
bzw. -kupplung gelöst und dafür eine andere geschlossen, d.h. in der hydraulischen Steuerung mu3 ein Ventil öffnen und dafür
ein anderes schließen. Wird der Rückwärtsgang eingelegt, so muß
z.B. eine normalerweise in Ruhestellung geschlossene Getriebekupplung oder -bremse hydraulisch geöffnet werden, wozu zusätzlich
ein Magnetventil eingeschaltet werden muß.
Im Fail der Mehrventilsteuerung· durch Umschalten sind die Spulen der Magnetventile und ein jeweils zugehöriger Betätigungsschalter alle parallel zueinander geschaltet. Der Vorwiderstand,
der diesen Vorwiderstand überbrückende elektronische Schalter (Transistor) und die VerzögerungsschaLtung (R-C-Glied) sind allen
parallelliegenden Spulen gemeinsam. Zum Umschalten eines Magnetventiles
auf ein anderes wird - auch bei geforderter zeitlicher Überschneidung der Gange - gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung
zunächst die Stromzufuhr zur einen Spule angeschaltet bevor sie zur anderen eingeschaltet wird. Durch die vorherige Ausschaltung
eines Stromverbrauchers wird ein kleiner, kurzzeitiger Potentialanstieg innerhalo der Schaltung erzeugt, der zum Ingangsetzen
der Stromsteuerung ausgenutzt wird. Wird keine zeitliche Überschneidung verlangt,,se ist zweckmä3igerweise die Zeitkonstante
des R-C-Gliedes auf die Anzugszeit auszulegen. Ist wohl eine ^ Überschneidungszeit gefordert, so wird nach einem weiteren Vor-■j->
schlag der Erfindung parallel zu den Schalterkontakten desjenigen ^?Magnetventiles, das länger eingeschaltet oieiben soll, ein kleiner
-«^Widerstand geschaltet und die Zeitkonstante des R-C-Gliedes auf
rs>die geforderte Überschneidungszeit ausgelegt.
Q Im Fall der reinen Zusehaltung eines Ventiles kommt durch ein
Zuschalten eines Stromverbrauchers ein kurzzeitiger Potentialabfall innerhalb der Schaltung an den Stellen, an denen beim
Abschalten ein kleiner 5pL)n-nu7imjSans~tt'eß zu verzeichnen war, zustande.
Dieses Signal ist nicht zum Durchschalten der Stromsteuerung
geeignet. Für rein zuzuschaltende Magnetspulen wird daher nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgeschlagen, daß der
Potentialanstieg an der zugeschalteten Spule selber zur Durchschaltung
der Stromsteuerung ausgenutzt wird. Zu diesem Zweck
ist zwischen dem spulenseitigen Kontakt und dem Leiter zwischen dem Kondensator und dem Widerstand des R-C-Gliedes ein kleiner
Kondensator eingeschaltet. Dieser bringt den Potentialanstieg beim Einschalten der Spule an den Eingang der Stromverstärkerschaltung,
die ihrerseits durchschaltet.
Die Erfindung ist an Hand von in den Zeichnungen dargestellten
Schaltungsbeispielen im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Steuerschaltung für den Betätigungsstrom
von zwei wahlweise einschaltbaren Magnetventilen mit einer Auslösung der Stromsteuerung durch das
Einschalten einer Magnetspule und
Fig, 2 eine Steuerschatlung für den Betätigungsstrom
von mehreren wechselweise einschaitbaren Magnetventilen mit einer Auslösung der Stromsteuerung
oei vier Magnetventilen durch das Ausschalten einer vorhergehenden Spule.
Der Aufbau der Schaltungen ist zunächst für beide Figuren ' gemeinsam erläutert, da sie weitgehend im Grundsätzlichen übereinstimmen.
In den Figuren sind die Spulen der zu betätigenden Magnetventilen durch das schwarze rechteckige Schaltzeichen einer
Induktivität dargestellt. Sie symbolisieren damit die Magnetventile
und diese wiederum, sofern sie eingeschaltet sind, einen bestimmten Zustand der Anlage, die durch das elektrohydraulische
Steuersystem,von dem lediglich dessen elektrischer Teil und auch nur zum Teil dargestellt ist, gesteuert wird. Zur Unterscheidung
sind die in den Figuren vorkommenden Magnetventilspulen mit den Bezugszahlen
I bis 7 gekennzeichnet. Die Schaltung ist für Gleichstrom dargestellt und die Spulen liegen alle mit einem Anschluß
am Minuspol des aus der Batterie B1 bzw. Bp gespeisten Gleieh-
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Stromnetzes, d.h. an Masse M. Vom Pluspol P her werden die
Spulen über den überbrückbaren Vorwiderstand R . bzw. R _ mit
Strom versorgt. Wie üblich sind elektrisch parallel zu den Spulen
Funkenlöschdioden 8 bis 14 angeordnet.
Erfindungsgemäß ist der nur während der Anzugszeit des Magnetventiles
überbrückte Vorwiderstand derart ausgelegt, daß der Spannungsabfall entlang dem Vorwiderstand vorzugsweise etwa 78 bis
9% der vollen Spannung des Gieichstromnetzes beträgt. Die im eingeschalteten
Zustand an den beiden Enden zur Verfügung stehende Spannung ist dann nur noch 7 bis 22$ der vollen Netzspannung, das
bedeutet aber, daß im Einschaltzustand nur etwa 0,5 bis 5# derjenigen
elektrischen Leistung im Magnetventil verbraucht wird, die während des Anziehens (volle Spannung) aufgenommen wird, da in
die Leistungsberechnung die Spannung quadratisch eingeht (N=U /R).
Ein betriebssicheres Arbeiten erhält man auch bei starken Erschütterungen - Gefahr des Losreißens des elektromagnetisch hochgehobenen
Magnetkernes -, wenn er mit 2% der Anzugsleistung festgehalten wird, also der Vorwiderstand auf einen Spannungsabfall
von etwa 86$ ausgelegt wird. Dieser Vorwiderstand braucht auch bei
mehreren hinsichtlich des Anzugsstromes zu steuernden Magnetventilen nur einmal in die Steuerschaltung mit aufgenommen zu^werden,
da auch bei Zuschaltung eines weiteren Magnetventiles ein kurzer
Stromstoß bei den bereits eingeschalteten Magnetventilen nicht, schadet.
Der dem Pluspol abgewandte Anschluß des Vorwiderstandes R * bzw.
Rp ist an einen Schaltpunkt S1 bzw. Sp angeschlossen, an dem im
Normalbetrieb die reduzierte Spannung und wenn ein Magnet gerade anzieht, die volle Netzspannung herrscht.
Von diesem Leiter werden mittels Schalter I5 bis 18 die Spulen
der Jeweils erforderlichen Magnetventile an die Stromversorgung angeschlossen bzw. von ihr abgeklemmt. Über den Hauptschalter
19 bzw. 20 kann die ganze Anlage ein- bzw. ausgeschaltet werden.
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Der weitere "Schaltungsaufbau ist nicht mehr beiden dargestellten
Schaltungen gemeinsam, weshalb nun zunächst der weitere Aufbau der Schaltung nach Fig. 1 und deren Wirkungsweise erläu
tert werden soll.
Die Stromsteuerungsschaltung nach Pig. I besteht im wesentlichen
aus der aus Tx-ansistor T1 und dem Relais Rl gebildeten
Überbrückungssehaltung und dem aus dem Kondensator C1 bzw. Cg
und dem Widerstand Rcl zusammengesetzten, verzögernden R-C-Glied.
Zu jeder Spule 1 bzw. 2 gehört jeweils ein Kondensator C1 bzw.
Der ÜberDrückungsschalter 21 des Relais ist in Ruhestellung
offen. Wird durch den Schalter I5 der positive Anschluß einer
der Spulen 1 und 2 auf das Potential des Schaltpunktes S1 gebracht,
so fließt über den zugehörigen Kondensator ein zunächst
relativ hoher Ladestrom, der auch über die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors fließt, der sofort durchschaltet, d.h. in seiner Kollektor-Emitter-Strecke weitend wird. Damit liegt mit einer
Verzögerung von Mikrosekunden nach dem Schalten des Schalters
an der Spule des_Relais Rl die volle Netzspannung und nach einer
Verzögerung von wenigen Millisekunden, bis das Relais angezogen hat, liegt die volle Netzspannung auch an der mit dem Schalter 1-5
eingeschalteten Magnetventilspule. Der Magnetkern des eingeschalteten Ventiles wird angezogen. Gleichzeitig lädt sich der zugehörige
Kondensator auf; die Ladespannung ist die durch den Widerstand Rcl verminderte Netzspannung. Die Größe des Widerstandes
und der Kapazität bestimmen die Ladezeit. Mit zunehmender Sättigung des Kondensators nimmt dessen Ladestrom abj sinkt
er unter den zum Durchschalten nötigen Schwellwert des Transistors ab, so wird dessen Basis-Emitter-Strecke wieder nichtleitend
und das Relais Rl fällt ab. Die Zeitkonstante des R-C-Gliedes ist auf die Anzugszeit der Magnetventile (in der Größenordnung
von 50 ms) ausgelegt, d.h. die Ladezeit des Kondensators ist etwas größer als die Anzugszeit-. Erst wenn das Magnetventil
mit Bestimmtheit angezogen hat, darf das Relais abfallen und
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die Erregerleistung auf den für das Festhalten bei geschlossenem
Eisenjoch noch nötigen Bruchteil aosinken.
Beim Umschalten wird die Stromzufuhr zu der bisher eingeschalteten
Magnetspule für immer unterbrochen, ihr Magnetkern fällt ao. Für die stattdessen eingeschaltete oder für eine zusätzlich
eingeschaltete Spule und deren Stromsteuerung vollzieht sich der Vorgang erneut genau wie oben beschrieben.
Grundsätzlich anders als bei der Schaltung nach Fif5. 1 wird
die Stromsteuerung in der Schaltung gemäß Fig. 2 eingeleitet. Beim
Aufstellen dieser Schaltung ging man davon aus, daß bei der elektrohydraulisch
zu steuernden Anlage ein ölstrom ein- bzw. ausgeschaltet,
während ein anderer aus- bzw. eingeschaltet wird. Diese
Annahme ist für Steueranlagen von Umlaufräder-PKW-Getrieben eigentlich die Regel. Solche Getriebe werden bekanntlich durch
hydraulisch betätigte Reibungskupplungen oder -bremsen geschaltet,
und zwar derart, daß bei einem Gangwechsel die eine geöffnet bzw. geschlossen, während eine andere geschlossen bzw. geöffnet
wird. Es kann z.B. angenommen werden, daß wenn die zu den Spulen 3 und l gehörenden Magnetventile angezogen haben (dargestellte
Schalterstellung) der erste Gang eines Getriebes eingeschaltet ist. Beim Umschalten des Schalters 17 von rechts nach links wird
der durch das Magnetventil u gesteuerte ölstrom abgeschaltet und
dafür der durch das Ventil 5 gesteuerte freigegeoen. Durch diesen
Wechsel wird vcm ersten auf den zweiten Gang geschaltet. Wird
vollends Schalter Io von links nach rechts umgelegt, so vollzieht
sich ein Gangweehsel von "zwei" nach "drei". Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Schalterstellung für· den angenommenen
ersten Gang kann z.B. durch Zusätzliches Einschalten der Spule 7 der Rückwärtsgang des Getrieoes eingelegt werden.
Das besondere an der Schaltung nach Fig. 2 besteht in der Art der Auslösung der Stromsteuerung bei einer Umschaltung der Ventile.
Auch wenn eine zeitliche Überschneidung der Arbeitszeiten
der Magnetventile bei einer Umschaltung erforderlich ist, wird zuerst die Spule des einen Magnetventiles stromlos gemacht, bevor
die andere angeschlossen wird. Dieser Vorgang erfolgt durch Umschalter ganz natürliclaj.Q gg ~ η ι η g c c
Durch das Abschalten einiss Stromverbrauchers kommt es am
Schaltpunkt Sp zu einem Potentialanstieg. Diese kleine Spannungserhöhung iäßt iiDer den Kondensator C^, den Widerstand R,,, die
Basis-Emitterstrecke des Transistors Tp sowie den Widerstand
R^ einen Ladestrom für den Kondensator C0 fließen. Durch diesen
wie gesagt auch über die Basis-Emitterstrecke des Transistors Tp f lie-Sende η Elektronenstrorr, wird der Transistor durchgeschaltct,
d.h. dessen KoI j.t ktur-Emitterstrecke wird leitend. Damit
liegt die Basis-Emitterstrecke des Transistors T, über den
Widerstand R1, am Nf ti.; ein relativ starker Strom fließt, wodurch ,
seinerseits die Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors Leitend wird. Nunmehr ist üoer den Widerstand R1, die Basis-Emitterstrecke
des Tranaistors T2^ ans Netz gelegt, wodurch er in seiner
Kollektor-Emitterstrecke leitend wird und den Vorwiderstand Rp
kurzschließt. Diese Dreistufen-Transistorschaltung ist nötig,
um die hohen Anzugsströme (ca. 20A) wie sie zum Anziehen der Magnetkerne
Voraussetzung sind, mit so geringen Strömen (Bruchteile einednA), wie sit der Ladestrom auf Grund eines Potentialanstieges
in der Schiene Sp darstellen, schalten zu können. Der rechte mit
25 bezeichnete Tt.iL der Fig. 2 stellt gewissermaßen eine Stromvtrstärkerschaitung
mit hohem Verstärkungsfaktor dar. Das sukzessive Durchschalten der einzelnen Transistoren geht unvorstellbar
sonnell vor sich; soDald einer der Kontakte der Schalter li5 und
17 sich öffnet, ist auch schon der Vorwiderstand Rp durch den
als Leistungstransistor ausgebildeten Transistor T^ überbrückt.
In diesem Moment liegt die volle Netzspannung an der Schiene 'S^1 und an der einen Seite des Kondensators C,. Durch diesen erneuten
Potentialanstieg kommen die ganzen Transistoren, falls sie durch den ersten, kleinen Potentialanstieg noch nicht richtig
durchgeschaltet haben sollten, richtig zum Durchgriff. Es handelt sich um eine Schaltungsanordnung, bei der ein winzig kleiner Potentialanstieg
an der Schiene Sp ein lawinenartiges und sehr
schnelles Anwachsen der Durchschaltleistung am Transistor IV
auslöst. Diese Uoerorückung hält so lange an, wie auf Grund des
ausgelösten Potentialanstieges ein ausreichend hoher Ladestrom
über den Kondensator C-, fließt. In der Zwischenzeit muß der gegen-
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.-. . ■■., ■ .■- ■ -9- :
überliegende Kontakt des Umschalters Io oder IJ erreicht sein.
Die Ladezeit für den Kondensator CU ist durch entsprechende
Bemessung seiner Kapazität und der Größe der Widerstände Rp
und R., so ausgelegt, daß mindestens so lange ein Ladestrom
fließt, bis das neu eingeschaltete Magnetventil angezogen hat. Der Ladestrom nimmt mit zunehmender Aufladung nach einem exponentiellen
Gesetz ab." Irgendwann unterschreitet der Ladestrom den Wert, der für ein Durchschalten des Transistors Tp mindestens
nötig ist, d.h. der Ladestrom unterschreitet gegen Ende der Ladezeit
den Schwellwerk des Transistoransprechstromes. Dieser Zeit- · punkt bzw. die durch ihn begrenzte Zeitspanne ist für die Erfindung
von Interesse und diese Zeitspanne soll in diesem Zusammenhang die Ladezeit des Kondensators bedeuten. Beim Unterschreiten
des Schwellwertes wird ganz analog zu dem oben oeschriebenen
sukzessiven Durchschalten der drei Transistoren T2,T-, und
T2, nacheinander jeder der Transistoren nichtleitendv Die Überbrückung
des Vorwiderstandes R^ wJ-rd also am Ende der Ladezeit
des Kondensators C-* wieder aufgehoben. Es kommt an der Schiene Sp
zu einem Potentialabfall, der ähnlich wie beim Ansprechen der Transistorreihe nun ein sich selbst verstärkendes Abschalten des
elektronischen Schalters auslöst. Ein geringfügiges Unterschreiten
der Ansprechschwelle des ersten Transistors Tp löst ein schlagartiges Abschalten der Vorwiderstand-Überbrückung aus. Damit der
Kondensator C, und der unten in seiner Bedeutung erläuterte Kondensator
C sich in den Pausen schnell entlädt, ist die Gleichrichterdiode
2} vorgesehen.
Die bisherigen Betrachtungen haben den Widerstand R und den
Kondensator C außer Acht gelassen. Diese Schaltelemente beeinflussen
nicht die Funktion der Überbrückungsschaltung 25 der drei Transistoren, sondern dienen einer zeitlichen Überschneidung der
Einschaltzeiten bei einem Wechsel von Spule 3 nach 4. Für das
Verständnis einer derart beabsichtigten Gangüberschneidung sei gesagt, daß das Ansprechen der ÜDerbrückungsschaltung mit den drei
Transistoren ganz wesentlich rascher vor sich geht als das Ab-
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fallen des Magnetkernes in dem Magnetventil. Ehe sich nach dem öffnen des linken Kontaktes des Schalters 16 der bewegliche Kern
des Magnetventiles ) von der übrigen festen Eisenummantelung
nennenswert entfernt und sich ein größerer Luftspalt gebildet hat, ist bereits der Vorwiderstand Rp überbrückt und an der
Schiene Sp liegt die volle Netzspannung. Das bedeutet, daß, wenn
der Widerstand R in seiner Größe so bemessen ist wie der Widerstand
R 2, die Spule 3 trotz Abschalten mittels Schalter Io nach ·
wie VQr von einem der Halteerregung entsprechenden Strom durchflossen wird und das Magnetventil in seiner vorherigen Arbeitsstellung
verharrt. Dieses Verharren dauert so lange an,als der Vorwiderstand R ρ überbrückt ist. Wird die überbrückung aufgehoben,
so liegen in der Stromzuführung zur Spule 3 zwei Widerstände; ,damit wird der Spannungsabfall bis zur Spule 3 so groß, daß die
Restspannung nur noch einen so kleinen Erregerstrom durch die Spule 3 fließen lassen kann, daß das dadurch hervorgerufene
Magnetfeld den Kern des Magnetventiles nicht mehr zu halten vermag und es in seine Ruhestellung zurückkehrt. Die Zeit, bis die
Überbrückung des Vorwiderstandes R 2 beim Umschalten des Schalters
16 von links nach rechts wieder aufgehoben wird, d.h. bis das Magnetventil der Spule j5 in Ruhestellung geht - diese Spanne ent- '
spricht der Einschait-Überschneidungszeit der Magnetventile beim Wechsel von 3 nach 4 - wird beeinflußt durch die Größe des Kondensators
C . Im Moment, in dem der rechte Kontakt des Schalters . schließt, liegt der Kondensator C elektrisch parallel zum Kondensator
CU. Die Zeitkonstante des R-C-Gliedes erhöht sich dadurch.
Man hat es durch entsprechende Bemessung des Kondensators C in der Hand, die gemeinsame Ladezeit der beiden Kondensatoren des
neuen R-C-Gliedes so zu verlängern, daß sich die Überschneidungszeit ergibt. An sich könnte man auch ganz auf den Kondensator C
verzichten und den Kondensator C^, von vornherein so groß machen,
daß dessen Ladezeit der Überschneidungszeit entspricht. Dies hat *;
jedoch den allerdings nur geringen Nachteil, daß bei jedem Wechsel :
von einem der Magnetventile auf ein anderes der Leistungstran- ;
sistor T1. und natürlich auch die Transistoren T2 und T-, eine an )
sich nicht nötig lange Zeit belastet werden. Bei extrem hoher '
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Schalthäufigkeit kann die relative Einschaltdauer der Transistoren
so hoch werden, daß in den Schaltpausen der Transistoren diese sich nicht mehr auf die Umgebungstemperatur abkühlen können und
sich eventuell unzulässig erwärmen. Die mittlere Einschaltdauer ist Dank des Kondensators Ctt auf das unbedingt nötige
Maß reduziert, da nur bei den Wechseln, bei denen eine Überschneidung
gefordert wird, nämlich z.B. von Spule 3 nach 4, die Einschaltzeit des Transistors lang (z.B. 0,3 Sekunden) und sonst
kurz (z.B. 20 ms) ist.
In der Schaltung nach Fig. 2 ist auch eine zu einem Magnetventil
gehörige Spule 7 gezeigt, die ohne das vorherige Abschalten eines anderen Stromverbrauehers eingeschaltet wird. Um
dennoch einen die überbrückungsschaltung auslösenden geringen Strom beim Einschalten der Spule 7*über die Basis-Emitterstrecke
des Eingangstransistors Tp fließen lassen zu können, ist ein bei
geschlossenem Schalter 18 elektrisch zum Kondensator C-, parallelgeschalteter
Kondensator Cu vorgesehen, der in seiner Kapazität
um mehrere Größenanordnungen kleiner ist als der Kondensator C,. Damit der Ladestrom auch tatsächlich über die Basis-Emitterstrecke
des Eingangstransistcrs und nicht über den Kondensator C, fließt,
ist zwischen dem Anschlußpunkt 24 des Kendensators C1. und "dem
Kondensator C, eine zu diesem Kondensate· hin sperrende Gleichrichterdiode
2u vorgesehen. Nach dem Schließen des Schalters 18 fließt ein kleiner Ladestrom,der in bekannter Weise das Tätigwerden
der UberDrUckungsschaltung 2^ anstößt. Wird die Spule 7
durch den Schalter 18 wieder von der Stromzufuhr getrennt, so kommt es zwar zu einem die Überbrückungsschaltung 25 auslösenden
Potentialanstieg und somit zu einer kurzzeitigen Ubererregung
der übrigen eingeschalteten Spulen; das macht aber nichts.
Durch die Erfindung wird ein mit Platz und Gewichtsfragen
verknüpftes Energieproblem gelöst. Magnetventile sind bekanntlich, je nach erforderlicher relativer Einschaltdauer, mit Rücksicht
auf die bei größerer Einschaltzeit zunehmende Erwärmung durch die Erregerleistung elektrisch mehr oder wenig stark zu dimensionieren;
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ßA0 ORIGINAL
ein Hubmagnet für 15$ relative Einschältdauer ist wesentlich
kleiner, leichter und billiger als ein gleichstarker Hubmagnet für 100$ Einschaltdauer. Diese Grööenunterschiede sind rein
thermisch bedingt. Entscheidend ist nicht die zeitliche Einschaltdauer, sondern die in den Hubmagneten im zeitlichen Mittel
eingetragene elektrische Leistung. Der Erfinder hat aus dieser Tatsache die Konsequenz gezogen und beaufschlagt die Spule nur
in der kurzen Zeit, in der eine starke Erregung eines Magnetflusses nötig ist, stoßartig mit einer hohen Leistung. In der
übrigen Zeit senkt er den Erregerstrom dzw. die -leistung auf das bei dem nunmehr geschlossenen Eisenjoch des Hubmagneten unbedingt
zum Halten des Kernes nötige Maß ab. Im Fall der Magnetventile reichen hierzu 2% der Anzugsleistung aus. D.h. ein"nach
der Erfindung im Erregerstrom gesteuertes Magnetventil mit zeitlich gesehen 100$ Einschaltdauer braucht nur so groß wie ein nach
herkömmlichen Methoden betätigtes und ausgelegtes Magnetventil mit nur 2% Einschaltdauer ausgelegt zu werden, da der Leistungseintrag und die Erwärmung in beiden Fällen gleich ausfallen. Dadurch
sind bei den hohen geforderten Einschaltzeiten Reduzierungen sowohl im Bauvolumen als auch im Preis und im Gewicht auf etwa
1/10 bis 1/20 gegenüber Magnetventilen der herkömmlichen Steuerung möglich.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen darin, daß Magnetspulen die für hohe mittlere zeitliche Einschaltdauer vorgesehen
sind, mit durchaus erträglichem Aufwand an Bausteinen, die heutzutage billig und massenweise hergestellt werden, so klein
und leicht ausgelegt und su billig hergestellt werden können,
wir Magnetspulen für extrem niedrige mittlere Einschaltdauer. Der Schaltungsaufwand ist billiger als die Preisdifferenz eines Magnetventils
für 100$ re.latj.ve Einschaltdauer herkömmlicher Betriebsweise
(von 100$ relativer Einschaltdauer spricht man, wenn in einen-, Schaltspiel die Beharrungstemperatur erreicht wird) gegenüber
einer solchen für nur 5$ liinschaitdauer, d.h. der Schaltungsaufwand lehnt sich a j. Ie in preislich selbst oei nur einem einzigen
Magnetventil, ganz abgesehen von den Platz und Gewichtsvorteilen.
Ganz beträchtlich wird die Ersparnis bei elektrohydraulischen Steuerungsanlagen -oder bei sonstigen Anlagen mit Hub-
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BAD ORIGINAL
magneten, in denen mehrere Hubmagnete vorgesehen sind. Eine Ersparnis
ist auch dann zu erzielen, wenn die relative Einschaltdauer der Magnetventile nur gering, z.B. 10$ beträgt, da der Leistungseintrag bei Betriebsweise gemäß der Erfindung noch kleiner ist
und die Spulen unter Zuhilfenahme der Erfindung auch bei nur 10$ Einschaltdauer thermisch noch kleiner ausgelegt werden können
als bei herkömmlicher Betriebsweise.
Heidenheim (Brenz), den 4. November 19b8
Pö/HKn
Pö/HKn
009827/0665
Claims (1)
- ap/A 2894 VoitnKennwort: "Elektronische Ventilsteuerung" Heidenheim (Brenz)Patentansprüche .[I) Verfahren für das Betätigen eines über lange Zeiträume in ^— Aroeitsstellung zu haltenden Magnetventils, Hubmagneten o. dgl. mit einer zum Anziehen des oeweglichen Magnetkernes an eine Spannungsquelle anzuschließenden Magnetspule und mit einem nur in angezogenem Zustand des beweglichen Magnetkernes geschlossenen, den erregten Magnetfluß kurzschließenden Eisenummantelung, Eisenjoch o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß in an sich oekannter Weise während der Zeit des Anziehens des beweglichen Magnetkerns die Spule zunächst an eine hohe Anzugs-Spannungsquelle (100$) zur Erregung eines hohen Anzugsmagnetflusses in dem noch offenen Joch und nach angezogenem Magnetkern während der ganzen Aroeitszeit des Magnetventiles an eine geringe,vorzugsweise etwa 5 Dis 22$ gegenüber dem Anzugspannung betragende Haitespannung zur Erregung eines Haltemagnetflusses in dem nun geschlossenen Joch gelegt wird. y ,2) Verfahren nach Anspruch 1, dad. gekennzeichnet, daß die Erregerspule des Magnetventiles nahezu ständig an die geringe Haltespannung (5-22$) gelegt wird und daß zum Anziehen des Magnetkernes die· Erregerspule kurzzeitige bis das Joch geschlossen ist, an eine hpha JLQp^L Anzugsspannung gelegtUUaoZ //UbOO·/. . BAD ORIGINALwird und daß zum Abfallen des Magnetkernes in die Ruhestellung jegliche Stromzufuhr wenigstens kurzzeitig, bis der Magnetkern abgefallen und das Joch ganz geöffnet ist, unterbrochen wird.3) Schaltung für Gleichstrom zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stromzuführungsleitung zur Erregerspule (eine der Spulen 1 bis 7) des Magnetventiles ein durch eine Umgehungsleitung und einen darin angeordneten^ elektrisch betätigten oder elektronisch gesteuerten,in Ruhestellung geöffneten Sehalter (21 bzw. T4) Uberbrückbarer Ohm1scher Widerstand (R , bzw. Rv2) sowie ein in Serie zum Widerstand liegender weiterer^ vorzugsweise eoenfalls elektrisch betätigter oder elektronisch gesteuerter, in Ruhestellung offener Schalter (19 bzw. 2>) zum Ein- und Ausschalten dt: '""gne tv en tiles angeordnet ist, und daß eine Vcrzogerungsschaitung (C,/Cp und Rcl Dzw. C-, und Rp/R,) für das verzögerte öffnen des parallel zum Widerstand liegenden Schalters (21 bzw. TO ab Einschalten des Einschaiters vorgesehen ist.4) Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, da3 die Verzögerungsschaltung derart ausgebildet ist, daß parallel zur Erregerspule des Magnetventiles die Serienschaltung eines Kondensators (C1ZCp bzw. CU), eines Olim1 sehen Widerstandes (R , bzw. Rp/R ) und die Steueranschlüsse eines009827/0655elektrisch betätigten oder elektronisch gesteuerten
Schalters (T1 bzw. Tg) angeordnet ist, und daß dieser
Schalter wenigstens mittelbar in Serie mit den Steueranschlüssen des in der Umgehungsleitung liegenden Schalters (21 bzw. T^) geschaltet ist.5) Schaltung nach Anspruch 4 mit als elektronisch gesteuertem Schalter ausgebildeten, den Vorwiderstand überbrückenden Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisch
gesteuerter Schalter ein Transistor vorgesehen ist, der mit seiner Basis-Emitter-Strecke mit dem R-C-Glied in Serie geschaltet ist.o) Schaltung nach Anspruch 4 bei der der den Vorwiderstand überbrückende Schalter elektronisch gesteuert ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Sehalter als eine dreistufige transistorisierte Stromverstärkerschaltung
(25) ausgebildet ist.7) Schaltung nach Anspruch 6 für die Steuerung des Betätigungsstromes mehrerer, selektiv einzuschaltender Magnetventile für die Steuerung eines Mehrganggetriebes, dessen Gänge hydraulisch geschaltet werden und bei dem zum Gangwechseln wenigstens ein Magnetventil aus- und ein anderes eingeschaltet wird, gekennzeichnet durch folgende Schaltungsmerkmale:009827/0655 ·/·BAD ORIGINAL-νa) Die Magnetspulen (3 bis 7) liegen mit ihrem einen Ende alle am Minuspol (M) des Gleichstromnetzes (an Masse) und mit ihrem anderen Ende an dem einen Kontakt jeweils eines Betätigungsschalters (16,17 bzw. 18).b) Die anderen Kontakte der Betätigungsschalter liegen an einer Stromschiene (Sg).c) Zwischen der Stromschiene (Sp) und dem Pluspol (P) des Gleichstromnetzes liegt der den Erregerstrom der Magnetventile auf den der Halteerregung entsprechenden Strom begrenzende Vorwiderstand (R _).d) Zwischen der Stromschiene (Sp) und dem Minuspol (M) liegt in folgender Reihenfolge von der Stromschiene (Sp) aus gezählt die Serienschaltung eines Kondensators (C„), eines Ohm1sehen Widerstandes (Ersatzwiderstand von Rp und R,)' und der Basis-Emitterstrecke des Eingangstransistors (Tp) der dreistufigen Stromverstärkerschaltung (25).e) Die Kollektor-Eiriitterstrecke des Ausgatigstransistors (Tj.) der Strcmverstärker'kchaltung (25.) liegt zwischen dem Pluspol (P) und der Stromschiene (Sp).8) Verfahren zum Betrieb der Schaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die beim Gangwechsel nicht mehr nötigen Magnetventile stromlos gemacht werden und kurze Zeitspäter das oder die nun erforderlichen Magnetventile eingeschaltet werden. 009827/06554ο9) Schaltung nach Anspruch J für ein Getriebe, deren Gänge ohne zeitliche Überschneidung geschaltet werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ohm1sehen Widerstand (Rp) und dem Eingangswiderstand (R,) der Stromverstärkerschaitung (25) entsprechende Ersatzwiderstand (R^ + R,) und die Kapazität des Kondensators (C^) des R-C-Gliedes auf eine der Anzugszeit der Kerne der Magnetventile (2-7) entsprechende Zeitkonstante ausgelegt sind.10) Schaltung nach Anspruch 7 für ein Getriebe, deren Gänge wenigstens zum Teil zugkraftunterbrechungsfrei mit zeitlicher Überschneidung gewechselt werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt für die Magnetspulen (jj) derjenigen Gänge, die während des Gangwechsels noch eingeschaltet bleiben sollen einerseits und der Stromschiene (Sp) andererseits jeweils ein Ohm1scher Widerstand (R ) von etwa der Größe des Vorwiderstandes * (Rv2) eingeschaltet ist und daß die Zeitkonstante des R.rC- · Gliedes auf die erforderliche Uberschneidungszeit ausgelegtist. :i'l ) Schaltung nach Anspruch J für ein Getriebe, deren Gänge wenigstens zum Teil zugkraftunterbrechungsfrei mit zeitlicher. Überschneidung gewechselt werden sollen, dadurch gekennteicnWt# daß zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt für die Magnetspulen (3) derjenigen Gänge, die während de« .^ingwechsej^f eingeschaltet bleiben sollen einerseits und der Stromschien·00982 7/06 5 5BAD ORIGINAL ~ *andererseits Jeweils ein Ohm*scher Widerstand (Ru) von etwa der Größe des VerWiderstandes (Ry2) eingeschaltet ist, daß ferner zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt der beim Gangwechsel neu einzuschaltenden Spulen einerseits und dem Anschluß (27) unmittelbar nach dem Kondensator (C,) des R-C-Gliedes andererseits ein weiterer Kondensator (Cu) eingeschaltet ist und daß die Zeitkonstante des aus diesen beiden Kondensatoren (Cu +C,) sowie den Widerständen (Rg + R5) zusammengesetzten R-C-Gliedes auf die überschneidungsze,it ausgelegt ist.12) Schaltung nach Anspruch 7, 9, oder 11. zur Steuerung des Betätigungsstromes von Magnetventilen fUr die Steuerung eines Mehrganggetriebes, dessen Gänge hydraulisch geschaltet werden und bei dem zum Gangweehseln lediglich wenigstens ein Magnetventil zusätzlich betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt all derjenigen . Magnetspulenschalter (lö) deren Magnetventile (7) bei einem Gangwechsel jeweils zusätzlich Detätigt werden einerseits und dem Leiter (21O zwischen dem Kondensator (C,) und dem Ohm1sehen Widerstand (Rp) des R-C-Gliedes andererseits jeweils ein kleiner Kondensator (C^) eingeschaltet ist, und daß zwischen dem Kondensator (C,)des R-C-Gliedes und dieser Anschlußstelle (24) eine vom Kondensator (C,) zum widerstand (Rp) des R-C-Gliedes durchlässige Gleichrichterdiode (26) in Serie eingeschaltet ist.009827/0655iv- ■: -■ " :< i13) Schaltung nach Anspruch 7,9,lCjUoder 12, dadurch gekenn« .' zeichnet, daß an einem Schaltpunkt (27) unmittelbar nach . dem Kondensator .(C,) des R-C-Oliedes und dem Minuspol (M)." des Qleichstromnetzes eine in Richtung vom Kondensator (C,) zur Masse sperrende Qleichrichterdlode (2J) eingeschaltet ist. ·Heidenheim (Brenz), den 4« Moy-, I968
Pö/HKn009827/0655SAD ORiGINAL
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