DE19714538A1 - Schnellschalt-Gleichrichterbaustein - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schnellschalt-Gleich­ richterbaustein mit einer Gleichrichterbrücke und einem zwi­ schen der Gleichrichterbrücke und einem Ausgangsanschluß im Gleichspannungskreis liegenden Gleichspannungs-Schaltelement.

Derartige Bausteine werden beispielsweise zur Ansteuerung von Magnetspulen in Kupplungen oder Bremsen verwendet, um die Kupplung bzw. Bremse ein- und auszurücken. Ein im Bereich der Antriebstechnik zur Optimierung des Verhältnisses von Lei­ stungsvermögen zu benötigtem Einbauraum häufig verwendeter Typ sind Gleichrichterbausteine mit Übererregung durch Um­ schaltung von Einweg- auf Zweiweg-Gleichrichtung. Der Bau­ stein wird dabei mit seiner Nennleistung bei Einweg-Gleichrichtung auf eine bestimmte Leistungsbedarfsschwelle, die z. B. zur Erzeugung einer entsprechenden Haltekraft einer Magnetspule erforderlich ist, ausgelegt und zeitweise durch Umschalten auf Zweiweg-Gleichrichtung mit dann deutlich über dieser Schwelle liegender Leistung betrieben, so daß ein kurzzeitig höherer Leistungsbedarf gedeckt werden kann, z. B. zum schnellen Schalten einer Kupplung oder Bremse über die zugehörige Magnetspule ohne die Folge einer anschließend überhöhten Haltekraft. Das Abschalten kann über das entspre­ chende Schaltelement gleichstromseitig oder alternativ wech­ selspannungsseitig erfolgen. Mit gleichstromseitigem Schalten läßt sich das von einer angeschlossenen Magnetspule aufgebau­ te Magnetfeld schneller abbauen als mit wechselspannungssei­ tigem Schalten, jedoch ist hierzu für einen entsprechend schnellen Abbau der von der Spule in den Gleichstromkreis rückgespeisten Energie zu sorgen. Schnellschalt-Gleichrich­ terbausteine dieser Art werden unter anderem von der Firma Karl E. Brinkmann GmbH, Barntrup als "KEB Powerbox", von der Firma Lenze als "Lenze SEGC-Europa Schaltgerät" und von der Firma Chr. Mayr GmbH & Co KG Mauerstetten als "ROBA®-switch" angeboten.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Schnellschalt-Gleichrichterbausteins der eingangs genannten Art zugrunde, der sich kompakt und gegen Umgebungs­ feuchtigkeit geschützt bauen läßt und die Möglichkeit schnel­ ler Schaltvorgänge mittels gleichstromseitigem Schalten bei gleichzeitig problemloser Vernichtung anfallender elektri­ scher Energie durch Umwandlung in Wärme und Abführung dersel­ ben bietet.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Schnellschalt-Gleichrichterbausteins mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Charakteristischerweise ist in diesen Bau­ stein ein parallel zum Gleichstrom-Ausgangsanschluß im Gleichstromkreis liegender Varistor integriert. Über diesen kann folglich bei Öffnen des gleichstromseitigen Schaltele­ mentes die von einer angeschlossenen Magnetspule unter Abbau der magnetischen Energie in den Gleichstromkreis rückgespei­ ste elektrische Energie rasch in Wärme umgewandelt und diese an die Umgebung abgegeben werden. Diese Wärmeabführung wird dadurch begünstigt, daß der Varistor in eine Vergußmasse ein­ gebettet ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und außerdem dazu dient, eine entsprechende Bestückungsseite des Bausteins vor Feuchtigkeit und auch vor Erschütterungen zu schützen.

Ein nach Anspruch 2 weitergebildeter Baustein ist in einer Kontur ausgeführt, welche die Montage des Bausteins in einen üblichen, genormten Klemmenkasten an einer Stelle desselben erlaubt, an der die Temperatur des Klemmenkastens in dessen Gebrauchsposition, z. B. an einer Kupplung oder einer Bremse, am niedrigsten ist. Dieser Baustein kann daher problemlos in den Klemmenkasten eingebaut werden, wobei die Positionierung an einer Stelle niedriger Temperatur die Wärmeabführung vom gleichstromseitigen, in die Vergußmasse eingebetteten Vari­ stor beim Öffnen des gleichstromseitigen Schaltelementes be­ günstigt.

Ein nach Anspruch 3 weitergebildeter Baustein ist speziell für den Einsatz im Bremsen- und Kupplungsbau ausgelegt, wozu er Anschlüsse für ein Heizelement zum Beheizen der Bremsung oder Kupplung, z. B. zwecks Vermeidung von Kondenswasserbil­ dung, und/oder für einen als Öffner oder Schließer ausgeleg­ ten Mikroschalter aufweist, der z. B. zur Schaltzustands- oder Verschleißanzeige dienen kann.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Baustein kann das Schalten einer angeschlossenen Magnetspule vorteilhafterweise je nach Wahl durch den schnelleren gleichstromseitigen oder den langsameren wechselstromseitigen Schaltvorgang vorgenom­ men werden.

Ein nach Anspruch 5 weitergebildeter Baustein beinhaltet vor­ teilhafte Schutzmaßnahmen vor netzanschlußseitigen Überspan­ nungen und/oder vor hochfrequenten Spannungsspitzen, die beim Abschalten induktiver Lasten entstehen.

Ein nach Anspruch 6 weitergebildeter Baustein ermöglicht eine selbsttätige Umschaltung von Zweiweg- auf Einweg-Gleichrich­ tung, wobei diese Umschaltung eine bestimmte Zeitdauer nach dem Anschalten des Gleichrichterbausteins, d. h. nach dessen Anschließen an die Netzspannung, erfolgt und diese Zeitdauer durch Wahl eines entsprechenden Widerstandswertes für den Vorwiderstandskomplex in der Relaisansteuerstufe auf den je­ weils passenden Wert eingestellt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Schnellschalt-Gleichrichterbau­ steins zur Ansteuerung einer Magnetspule einer magne­ tisch gelüfteten Bremse und

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Klemmenkastens mit an der Innenseite eines Deckels montiertem Gleichrich­ terbaustein nach Art von Fig. 1 bei geöffneten Klem­ menkastendeckel.

Das Schaltbild von Fig. 1 veranschaulicht den Schaltungsauf­ bau eines Schnellschalt-Gleichrichterbausteins, mit dem eine Magnetspule einer magnetisch gelüfteten Bremse angesteuert werden kann. Derartige Bremsen werden z. B. von der Anmelderin in Form von Reibungsbremsen angeboten, bei denen Schrauben­ druckfedern auf einen als Reibpartner für einen Reibbelag dienenden Anker drücken. Durch einen Elektromagneten, zu dem die vom Schnellschalt-Gleichrichterbaustein ansteuerbare Ma­ gnetspule gehört, kann die Bremse gelüftet werden, indem er den Anker gegen die Kraft der Schraubendruckfeder anzieht. Die Magnetkraft steigt dabei mit kleiner werdendem Luftspalt zwischen dem Anker und einem zugehörigen Joch quadratisch an, während die Federkraft nur etwa linear anwächst, so daß zum Halten des Ankers in der angezogenen Stellung, d. h. bei gelö­ ster Bremse, die vorhandene Magnetkraft viel größer als er­ forderlich wäre, wenn die Magnetspule mit gleichbleibender Spannung beaufschlagt würde. Statt dessen schaltet der Gleichrichterbaustein von einer anfänglichen Zweiweg-Gleich­ richtung nach einer vorgebbaren Zeitdauer auf Einweg-Gleich­ richtung um, wodurch die Magnetspule nur noch mit einem Vier­ tel der Energie der Zweiweg-Gleichrichtung versorgt wird. Der Elektromagnet ist so ausgelegt, daß diese Energie während der Einweg-Gleichrichtung noch zum sicheren Halten des gelüfteten Ankers ausreicht. Andererseits wird durch die anfängliche Zweiweg-Gleichrichtung eine höhere Spulenkraft zur Betätigung des Ankers zur Verfügung gestellt, was das Lüften der Bremse beschleunigt. Der Gleichrichterbaustein und die von ihm ange­ steuerte Magnetspule sind so dimensioniert, daß Schaltvorgän­ ge bis zu einer Stromstärke von ca. 2,5 A schnell durchge­ führt werden können, ohne daß eine thermische Überlastung der Magnetspule auftritt.

Zur Erfüllung der oben genannten Funktionen besitzt der Schnellschalt-Gleichrichterbaustein von Fig. 1 eine Gleich­ richterbrücke 1 herkömmlichen Aufbaus, die wechselstromseitig an eine übliche 230 V-Netzwechselspannung angeschlossen werden kann, wobei ein parallel zum Wechselspannungsanschluß liegen­ der Varistor 2 als Netzschutz dient. Im Gleichstromkreis liegt zwischen der Gleichrichterbrücke 1 und einem zugehöri­ gen Gleichspannungs-Ausgangsanschluß 3, an den das zu betrei­ bende elektrische Gerät, wie die besagte Magnetspule, an­ schließbar ist, ein Schaltelement 4, das je nach Anwendungs­ fall von Hand oder in nicht gezeigter Weise durch entspre­ chende elektrische Ansteuermittel betätigt werden kann, um gleichstromseitige Schaltvorgänge zum Abschalten des ange­ schlossenen elektrischen Geräts zu bewirken. Parallel zu die­ sem gleichstromseitigen Schaltelement 4 ist ein RC-Glied 5 als Schalterschutz vorgesehen. Parallel zum Gleichspannungs-Ausgangsanschluß 3 liegen im Gleichstromkreis zwischen diesem Ausgangsanschluß 3 und dem Schaltelement 4 zum einen eine herkömmliche Relaisansteuerstufe 6 und zum anderen eine Ener­ gieabsorptionsstufe 7, die aus einem RC-Glied 7a und einem dazu parallelen Varistor 7b, z. B. des herkömmlichen Typs S20K 250, besteht.

Die Relaisansteuerstufe 6 steuert ein Relais 8 an, das in der Gleichrichterbrücke 1 derart liegt, daß diese bei geschlosse­ nem Relais 8 eine Zweiweg-Gleichrichtung und bei geöffnetem Relais 8 eine Einweg-Gleichrichtung der zugeführten Wechsel­ spannung durchführt. Die Relaisansteuerstufe 6 ist so dimen­ sioniert, daß sie das Relais 8 vom geschlossenen in den ge­ öffneten Zustand schaltet, sobald die an ihr anliegende Span­ nung, d. h. die Spannung im Gleichstromkreis, einen bestimmten Wert erreicht hat. Bei einem praktischen Einsatz des Bau­ steins zur Ansteuerung der oben genannten Magnetspule einer Bremse ist dies nach einer Zeitdauer von typischerweise etwa 1s nach Anschalten des Gleichrichterbausteins, d. h. nach An­ schließen desselben an die Netzspannung, der Fall. Diese Zeitdauer stellt somit die anfängliche Zeit der Übererregung durch Zweiweg-Gleichrichtung dar und kann durch entsprechende Wahl der Widerstände in der Relaisansteuerstufe 6 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Das Öffnen des Relais 8 beendet den Übererregungszustand, und der Baustein steuert das angeschlossene Gerät nachfolgend im Einweg-Gleichrichtungsbetrieb und damit nur noch mit einem Viertel der vorigen Energie an. Im Fall der bremsenbetätigenden Ma­ gnetspule ist die Übererregungsdauer so gewählt, daß der Bremsenanker während dieser Zeit in seine gelöste Stellung gebracht werden kann, ohne daß andererseits die Spule ther­ misch überlastet wird.

Das Abschalten des vom Gleichrichterbaustein angesteuerten elektrischen Gerätes, z. B. der Magnetspule, kann wechsel­ stromseitig durch Abtrennen des Wechselspannungsanschlusses des Gleichrichterbausteins von der Netzspannung oder gleich­ stromseitig durch das Schaltelement 4 erfolgen. Da beim wech­ selstromseitigen Abschalten die in der Gleichrichterbrücke l enthaltenen Dioden im Strompfad liegen, der von der beim Ab­ schalten entstehenden Induktionsspannung in der Spule beauf­ schlagt wird, verläuft dieser Abschaltvorgang langsamer als das gleichstromseitige Abschalten durch Öffnen des gleich­ stromseitigen Schaltelementes 4. Die Energieabsorptionsstufe 7 dient dazu, die beim gleichstromseitigen Abschalten von ei­ ner angeschlossenen Magnetspule aufgrund des Abbaus der in ihr gespeicherten magnetischen Energie in den Gleichstrom­ kreis eingespeiste elektrische Energie entsprechend rasch ab­ zubauen, wobei impulsartige Spannungsspitzen durch das RC-Glied 7a abgefangen werden, während der Varistor 7b den rest­ lichen, hauptsächlichen Teil der elektrischen Energie in Wär­ me umsetzt.

Der in Fig. 1 mit seinem Schaltungsaufbau gezeigte Schnell­ schalt-Gleichrichterbaustein ist in der praktischen Umsetzung durch eine Platine 10 realisiert, wie sie in der Perspektiv­ ansicht eines üblichen, genormten Klemmenkastens 11 von Fig. 2 zu erkennen ist. Die Kontur des Gleichrichterbausteins und damit der Platine 10 ist so gewählt, daß die Platine 10 paß­ genau an der Innenseite eines aufklappbaren Deckels 12 des Klemmenkastens 11 montierbar ist. Fig. 2 zeigt die montierte Platine 10 bei aufgeklapptem Deckel 12, wodurch die Sicht auf die eine Seite 13 der Platine freigegeben ist, die als An­ schlußseite fungiert und zu diesem Zweck zwei nebeneinander­ liegende Reihenklemmen 14 aufweist. Die gegenüberliegende, nicht zu erkennende, der Deckelinnenseite zugewandte Plati­ nenseite fungiert als Bestückungsseite, auf der die in Fig. 1 dargelegte Verschaltung mit den einzelnen elektrischen Bau­ teilen realisiert ist, mit Ausnahme des gleichstromseitigen Schaltelementes 4, das extern positioniert ist und über ent­ sprechende Anschlüsse der Reihenklemmenanordnung 14 ange­ schlossen ist. Des weiteren können über die Reihenklemmenan­ ordnung 14 je nach Bedarf ein Heizelement und ein Mikroschal­ ter für die Bremse angeschlossen werden. Das Heizelement kann z. B. zur Vermeidung von Kondenswasserbildung in einer zugehö­ rigen Bremse eingesetzt werden. Der Mikroschalter ist z. B. als Schaltzustands- oder Verschleißanzeige verwendbar. Zwei Anschlüsse der Reihenklemmenanordnung 14 sind für den An­ schluß an die Netzwechselspannung reserviert.

Die auf der Bestückungsseite angebrachten elektrischen Bau­ teile, insbesondere auch der gleichstromseitige Varistor 7b, sind zum Schutz vor Erschütterungen und Feuchtigkeit in einer Vergußmasse eingegossen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit be­ sitzt. Eine solche Vergußmasse kann beispielsweise durch eine Kunstharzmasse mit hohem Füllstoffanteil, z. B. einem Anteil von ca. 50%, gebildet sein. Da der gleichstromseitige Vari­ stor 7b auf diese Weise in die gut wärmeleitfähige Verguß­ masse eingebettet ist, kann die von ihm beim gleichstromsei­ tigen Abschalten einer angeschlossenen Magnetspule durch Öff­ nen des gleichstromseitigen Schaltelementes 4 erzeugte Wärme sehr rasch abgeleitet und über die vergleichsweise große Oberfläche der Vergußmasse nach außen abgeführt werden, so daß der Varistor 7b zuverlässig vor Überhitzung geschützt ist. Die Wärmeabführung wird weiter dadurch begünstigt, daß die Platine 10 am Deckel 12 des Klemmenkastens 11 montiert ist, der im Gebrauch in herkömmlicher Weise so an einer zuge­ hörigen, magnetisch belüfteten Bremse montiert ist, daß der Klemmenkastendeckel 12 nach außen weist und damit die kälte­ ste Stelle des Klemmenkastens 11 im Betrieb der Bremse dar­ stellt. Damit läßt sich beispielsweise sicherstellen, daß die Temperatur des Varistors 7b einen Wert von etwa 70°C nicht überschreitet. Selbstverständlich bewirkt die Vergußmasse ei­ ne Wärmeabführung auch von anderen wärmebelasteten elektri­ schen Bauteilen des Gleichrichterbausteins.

Es versteht sich, daß der Gleichrichterbaustein in Form der bestückten Platine 10 mit vergossener Bestückungsseite bei Bedarf auch ohne den Klemmenkasten 11 verwendet werden kann, wobei in diesem Fall die Vergußmasse zusätzlich als elektri­ sche Isolation und Befestigungssockel dienen kann.

Die erfindungsgemäße Integration des gleichstromseitigen Va­ ristors 7b in den vergossenen Schaltungsaufbau des Gleich­ richterbausteins hat den Vorteil, daß ein solcher Varistor nicht extern angeschlossen werden braucht, wobei ein bei­ spielsweise möglicher Anschluß eines Varistors parallel zum gleichstromseitigen Schaltelement 4 dazu führt, daß auch ein Teil der Gleichrichterbrücke in den Abbau der Magnetspule­ nenergie einbezogen ist, was die Abschaltzeit verlangsamt.

Claims (6)

1. Schnellschalt-Gleichrichterbaustein, insbesondere zur An­ steuerung einer Magnetspule einer Kupplung oder Bremse, mit

• - einer Gleichrichterbrücke (1) und
• - einem zwischen der Gleichrichterbrücke und einem Ausgangs­ anschluß (3) im Gleichstromkreis liegenden Schaltelement (4), dadurch gekennzeichnet, daß
• - er einen parallel zum Gleichstrom-Ausgangsanschluß (3) im Gleichstromkreis liegenden Varistor (7b) beinhaltet und auf einer Bestückungsseite mit einer feuchtigkeitsschützenden Vergußmasse hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist, in die der Varistor eingebettet ist.

2. Schnellschalt-Gleichrichterbaustein nach Anspruch 1, wei­ ter dadurch gekennzeichnet, daß er in Form einer Platine (10) mit einer Kontur ausgeführt ist, welche die Montage des Bau­ steins in einen genormten Klemmenkasten (11) an einer Stelle desselben erlaubt, an der die Temperatur des Klemmenkastens in dessen Gebrauchsposition am niedrigsten ist.

3. Schnellschalt-Gleichrichterbaustein nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß er für die Ansteuerung einer Magnetspule einer Bremse oder Kupplung ausgelegt ist und Anschlüsse (14) aufweist, an die wenigstens ein Heizele­ ment für die Bremse bzw. Kupplung und/oder ein Mikroschalter als Schaltzustands oder Verschleißanzeige der Bremse bzw. Kupplung anschließbar ist.

4. Schnellschalt-Gleichrichterbaustein nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß er sowohl zum gleichstromseitigen als auch zum wechselstromseitigen Schal­ ten einer an ihn anschließbaren Magnetspule eingerichtet ist.

5. Schnellschalt-Gleichrichterbaustein nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, weiter gekennzeichnet durch Überspannungs- Schutzmittel in Form eines zwischen den wechselstromseitigen Anschlußpolen liegenden Varistors (2), eines parallel zum im Gleichstromkreis liegenden Schaltelement (4) liegenden RC-Glieds (5) und/oder eines parallel zum im Gleichstromkreis liegenden Varistor (7b) eingeschleiften RC-Glieds (7a).

6. Schnellschalt-Gleichrichterbaustein nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, weiter gekennzeichnet durch ein der Brücken­ gleichrichterstufe (1) zugeordnetes Relais (8) zur Umschal­ tung zwischen Zweiweg- und Einweg-Gleichrichtung sowie eine zugehörige, im Gleichstromkreis liegende Relaisansteuerstufe (6) zur selbsttätigen Umschaltung des Relais (8) von Zweiweg­ auf Einweg-Gleichrichtung, wobei die Relaisansteuerstufe ei­ nen Vorwiderstandskomplex beinhaltet, dessen Widerstandswert den Relaisumschaltzeitpunkt bestimmt.