DE19638260C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung von kleinen Magnetspulen, insbesondere für Magnetventile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung von kleinen Magnetspulen, insbesondere für Magnetventile, nach der Gattung des Anspruchs 1.

Insbesondere wenn Magnetventile bzw. Magnetspulen zu Ventil­ gruppen zusammengefaßt sind, treten vor allem im Dauerbetrieb Wärmeprobleme auf, da sich die dicht gepackten Spulen gegen­ seitig aufheizen und die nutzbare Oberfläche zur Wärmeab­ strahlung reduziert wird. Kommt dann noch die Verlustwärme der Kontroll- und Steuerelektronik hinzu, so besteht die Ge­ fahr, daß die zulässigen Temperaturgrenzen der Magnetventile bzw. Magnetspulen erreicht oder überschritten werden. Ande­ rerseits geht eine Reduzierung der Spulenleistung und eine Vergrößerung der Vorsteuerstufen negativ in das Schaltverhal­ ten der Magnetventile ein. Eine Reduzierung der zulässigen maximalen Umgebungstemperatur engt die Einsatzgebiete ein und wird vom Markt nicht akzeptiert. Das gleiche gilt für eine aktive Kühlung durch Gebläse.

Eine aus der DE-AS 11 49 788 oder der DE 33 05 674 A1 bekann­ te Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung weist eine elektronische Stromabsenkungseinrichtung auf, um einer­ seits die notwendige mechanische Kraft zum Schalten der Ma­ gnetspule aufzubringen und andererseits gleichzeitig die Ver­ lustwärme zu senken. Während der Anzugsphase (Hochstromphase) wird zunächst ein hoher Anzugsstrom erzeugt, der die notwen­ dige mechanische Anzugskraft garantiert. Nach Ablauf der Zeit eines Zeitglieds wird dann der Strom auf ein niedrigeres Ni­ veau abgesenkt, daß noch das Beibehalten der erreichten Stel­ lung, beispielsweise Ventilstellung, in jedem Fall garan­ tiert. Diese Absenkung erfolgt dadurch, daß ein elektroni­ scher Schalter öffnet, wodurch dann der Strom durch die Ma­ gnetspule über einen Strombegrenzungswiderstand fließen muß.

Bei einer aus der DE 39 10 810 A1 bekannten Schaltungsanord­ nung wird die Absenkung des Spulenstroms nach der Anzugsphase auf einen Nominalstrom mittels Taktung eines im Stromkreis der Magnetspule geschalteten Schalters erreicht. Um die An­ steuerung der Magnetspule optisch anzuzeigen, dient eine par­ allel zur Magnetspule geschaltete Leuchtdiode. Diese benötigt einen zusätzlichen Betriebsstrom, der insbesondere bei sehr kleinen Magnetspulen in der Größenordnung des Spulenstroms liegen kann, wodurch vor allem bei zu Ventilgruppen zusammen­ gefaßten kleinen Magnetspulen eine unerwünschte und unzuläs­ sige zusätzliche Erwärmung auftritt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Be­ triebszustand der Magnetspule so anzuzeigen, daß die Erwär­ mung und die erforderliche Energie insgesamt möglichst nied­ rig bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die in Reihe zum Strombegrenzungswiderstand geschaltete Leuchtdiode (LED) dient in vorteilhafter Weise als Zustand­ sanzeige, wobei sie gleichzeitig zur Reduzierung der Spulen­ leistung im Nominalbetrieb beiträgt, d. h., sie wird mit einer in einem Strombegrenzungszweig ansonsten unnütz verbrauchter Energie betrieben. Hierdurch verringert sich die erzeugte Wärme und Verlustleistung insgesamt, wodurch kleinere und kompaktere Magnetventile bzw. Ventilgruppen realisiert werden können.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An­ spruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.

Bei Spulenströmen, die den maximal zulässigen LED-Strom über­ schreiten, ist die Leuchtdiode zweckmäßigerweise durch einen Strom-Bypass überbrückt, der vorzugsweise durch einen als Stromquelle geschalteten Transistor gebildet wird.

Als Halbleiterschalter eignet sich ein FET.

Die aus der Magnetspule und dem Halbleiterschalter bestehende Reihenschaltung ist zweckmäßigerweise mit vom Schaltsignal beaufschlagbaren Anschlüssen der Schaltungsanordnung verbun­ den, so daß das Schaltsignal gleichzeitig zur Stromversorgung der Schaltungsanordnung und der Magnetspule dient.

In einer sehr einfachen und daher vorteilhaften Ausbildung des Zeitglieds wird dieses durch eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Reihenschaltung gebildet, die parallel zu der aus der Magnetspule und dem Halbleiter­ schalter bestehenden Reihenschaltung liegt. Der Verknüpfungs­ punkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator ist in vor­ teilhafter Weise mit dem Steueranschluß des Halbleiterschal­ ters verbunden, so daß dieser sowohl einerseits als Umschalt­ transistor zwischen den beiden unterschiedlichen Stromphasen und andererseits als Bestandteil des Zeitglieds dient. Zweck­ mäßigerweise bildet dabei die am Widerstand abfallende Span­ nung die Steuerspannung für den Halbleiterschalter.

Zum Schutz des Halbleiterschalters ist parallel zum Wider­ stand eine Z-Diode geschaltet, die beispielsweise die an die­ ser Stelle auftretenden Spannungen auf maximal 15 V begrenzt.

Um die Schaltungsanordnung verpolsicher zu machen wird ihr als zusätzlicher Schutz das Schaltsignal über eine Verpol­ schutzdiode zugeführt. Zum Schutz gegen hohe Spannungsspitzen und kapazitive Störungen im Schaltsignal kann noch eine wei­ tere Schutzdiode vorgesehen sein, die die mit dem Schaltsi­ gnal beaufschlagten Anschlüsse der Schaltungsanordnung über­ brückt, und gleichzeitig die Funktion der Freilaufdiode beim Abschalten der Spule erfüllt, wodurch die hohen negativen Spannungsspitzen unterdrückt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung,

Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise und

Fig. 3 eine mit einem Bypass versehene Leuchtdiode für größere Spulenströme.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 10 dient zur Steuerung einer Magnetspule 11, die schematisch mit einem ohm­ schen und einem induktiven Anteil dargestellt ist. Bei dieser Magnetspule 11 handelt es sich beispielsweise um die Magnet­ spule eines Magnetventils, jedoch kann die Magnetspule 11 auch für einen sonstigen Elektromagneten oder ein sonstiges Stell­ glied vorgesehen sein. Diese Magnetspule 11 ist an zwei Aus­ gangsanschlüsse 12, 13 der Schaltungsanordnung 10 angeschlos­ sen. An zwei Eingangsanschlüsse 14, 15 der Schaltungsanordnung 10 werden Schaltsignale 5 für die Magnetspule 11 angelegt. Die Schaltungsanordnung 10 kann somit in die Zuleitungen zu einer Magnetspule 11 auch noch nachträglich geschaltet werden.

Der Eingangsanschluß 14 ist über eine Verpolschutzdiode 16 mit dem Ausgangsanschluß 12 verbunden, und der Eingangsanschluß 15 ist über die Schaltstrecke eines FET 17 mit dem Ausgangsan­ schluß 13 verbunden, so daß die Magnetspule 11 mit dem FET 17 eine Reihenschaltung bildet. Anstelle eines FET kann prinzipi­ ell auch ein anderer Schalttransistor oder ein anderer Halblei­ terschalter eingesetzt werden.

Parallel zur Schaltstrecke des FET 17 liegt die Reihenschaltung einer Leuchtdiode (LED) 18 mit einem Strombegrenzungswiderstand 19.

Parallel zu der aus der Magnetspule 11 und dem FET 17 bestehen­ den Reihenschaltung liegt eine weitere, aus einem Kondensator 20 und einem Widerstand 21 bestehende Reihenschaltung, zu der wiederum eine Schutzdiode 22 als Schutz gegen kapazitive Stö­ rungen und eingangsseitige hohe Spannungsspitzen parallelge­ schaltet ist, die auch als Freilaufdiode für die Spule fun­ giert. Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Kondensator 20 und dem Widerstand 21 ist mit dem Gate des FET 17 verbunden. Dabei überbrückt der Widerstand 21 die Gate-Source-Strecke des FET 17. Parallel zum Widerstand 21 liegt eine Spannungsbegrenzungs­ diode 23, die zum Schutz des FET 17 dessen Gate-Source-Spannung auf beispielsweise maximal 15 V begrenzt.

In einem einfacheren Ausführungsbeispiel kann auch auf die Di­ oden 16 und 23 verzichtet werden, sofern beispielsweise keine Spannungsspitzen oder Verpolungen auftreten können und sofern die Versorgungsspannung geringer als die maximal zulässige Gate-Source-Spannung ist.

Auch auf die Leuchtdiode 18 kann bei einer einfachen Ausführung verzichtet werden.

Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiels wird im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramms erläutert. Wird ein Schaltsignal S an die Klem­ men 14, 15 angelegt, so ist der FET 17 zunächst stromleitend, und es baut sich ein Spulenstrom Is als Nominalstrom der Ma­ gnetspule 11 auf. An der Magnetspule 11 liegt dabei die größt­ mögliche Spannung Us. Dieser hohe Spulenstrom Is zu Beginn ge­ währleistet ein sicheres Schalten beispielsweise eines mit der Magnetspule 11 versehenen Magnetventils.

Im folgenden lädt sich nun der Kondensator 20 über den Wider­ stand 21 auf, bis die Spannung am Widerstand 21 so weit abge­ fallen ist, daß der FET 17 sperrt. Dies erfolgt zum Zeitpunkt t1. Sowohl der Spulenstrom Is, wie auch die Spulenspannung Us sinken nun auf einen deutlich niedrigeren Wert ab, d. h. es fließt jetzt nur noch ein Haltestrom durch die Magnetspule 11, durch die der erreichte Schaltzustand aufrechterhalten wird. Dieser reduzierte Haltestrom wird dadurch erreicht, daß nach dem Sperren des FET 17 der Spulenstrom nun durch den Strombe­ grenzungswiderstand 19 fließen muß. Gleichzeitig wird die Leuchtdiode 18 eingeschaltet und zeigt des eingeschalteten Zu­ stand der Magnetspule 11 an. Der Kondensator 20 bildet daher zusammen mit dem Widerstand 21 und dem FET 17 ein Zeitglied, das die Dauer der anfänglichen Hochstromphase bzw. des Anzugs­ stroms in der gewünschten Weise begrenzt. Gleichzeitig dient der FET 17 zur Umschaltung zwischen dem vollen Spulenstrom und dem durch den Strombegrenzungswiderstand 19 reduzierten Spulen­ strom in der Haltestromphase. Mit dem Ende des Schaltsignals S bricht auch die Spulenspannung zusammen und der Spulenstrom Is reduziert sich bis zum Wert 0.

Die in Fig. 3 dargestellte Abwandlung ersetzt die Leuchtdiode 18 gemäß Fig. 1 für den Fall, daß der Spulenstrom durch die Magnetspule 11 den maximal zulässigen Strom durch die Leuchtdi­ ode 18 überschreitet. Aus diesem Grunde ist die in Reihe zu ei­ nem Widerstand 24 geschaltete Leuchtdiode 18 durch die Schalt­ strecke eines Transistors 25 überbrückt, wobei der Verknüp­ fungspunkt zwischen der Leuchtdiode 18 und dem Widerstand 24 mit der Basis des Transistors 25 verbunden ist. Der Transistor 25 ist dadurch als Stromquelle geschaltet, durch die ein By­ pass-Strom an der Leuchtdiode 18 vorbei gebildet wird, um den Leuchtdiodenstrom auf das zulässige Maß zu reduzieren.

Durch die in Folge der geringen Zahl von Bauelementen erreich­ bare kleine Baugröße der Schaltungsanordnung kann diese bei­ spielsweise in einem Stecker für eine Magnetspule bzw. ein Ma­ gnetventil untergebracht werden.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Steuerung von kleinen Magnetspu­ len, insbesondere für Magnetventile, mit einem in Reihe zur Magnetspule geschalteten, diese während eines vorgebbaren Zeitintervalls ab dem Beginn eines Schaltsignals mit einem hohen Anzugsstrom beaufschlagenden Halbleiterschalter und mit einem dieses Zeitintervall vorgebenden und danach eine Um­ schaltung auf einen verringerten Haltestrom für die Magnet­ spule vornehmenden Zeitglied, wobei parallel zur Schaltstrec­ ke des nach dem vorgebbaren Zeitintervall durch das Zeitglied vom stromleitenden in den gesperrten Zustand umgeschalteten Halbleiterschalter ein Strombegrenzungswiderstand geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem parallel zur Schalt­ strecke geschalteten Strompfad eine Leuchtdiode (18) in Reihe zum Strombegrenzungswiderstand (19) geschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leuchtdiode (18) zur Begrenzung des Dioden­ stroms durch einen Strom-Bypass (25) überbrückt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strom-Bypass (25) durch einen Transistor gebildet wird, der insbesondere als Stromquelle geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter (17) als FET ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Magnet­ spule (11) und dem Halbleiterschalter (17) bestehende Reihenschaltung mit vom Schaltsignal (S) beaufschlagbaren Anschlüssen (14, 15) der Schaltungsanordnung (10) ver­ bunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der aus der Magnetspule (11) und dem Halbleiterschalter (17) bestehenden Reihenschaltung eine weitere, das Zeitglied bildende und aus einem Widerstand (21) und einem Kondensa­ tor (20) bestehende Reihenschaltung liegt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verknüpfungspunkt zwischen dem Widerstand (21) und dem Kondensator (20) mit dem Steuer­ anschluß des Halbleiterschalters (17) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die am Widerstand (21) abfallende Spannung die Steuerspannung für den Halbleiterschalter (17) bildet.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß parallel zum Widerstand eine Spannungs­ begrenzungsdiode, insbesondere eine Z-Diode, geschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr das Schalt­ signal (S) über eine Verpolschutzdiode (16) zuführbar ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Schutzdiode (22) gegen Spannungsspitzen die mit dem Schaltsignal (S) beaufschlagten Anschlüsse (14, 15) der Schaltungsanordnung überbrückt.