DE2311340C2

DE2311340C2 - Schaltung zur Verkürzung der Einschaltzeit von induktiven Verbrauchern

Info

Publication number: DE2311340C2
Application number: DE2311340A
Authority: DE
Inventors: Claude 8000 Muenchen Frantz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-03-07
Filing date: 1973-03-07
Publication date: 1974-04-04
Also published as: FR2220863B3; DE2311340B1; FR2220863A1; US3896367A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Verkürzung der I "'nschaltzeit von induktiven Vc
brauchern, 1. B. Relais, elektromagnetischen Kupplungen oder Steuermagnelcn.bei welcher die Arbeitswicklung des induktiven Verbrauchers in Reihe mit der Kollektor !"mitter-Strecke eines von Steuersignalen gesteuerten Transistors an eine Stromquelle angeschlossen ist.

Es sind bereits verschiedene Schaltungen zur Verkürzung der Einschall/eit von elektromagnetischen Kupplungen oder Steuermagneten bekannt. In der deutschen PaKnschrift 1 088 14h wird eine Schaltung zur Verkürzung der Finschaltzcit von induktiven Verbrauchern beschriften, die über einen Netzspannüngstransformator und Gleichrichter gespeist werden und bei der ein Kondensator zunächst auf einen Überspannungswert aufgeladen und dann über die Wicklung der zu schaltenden Verbraucher, z. B. Kupplungen oder Sleuermagneten, entladen wird. Hierbei wird zur Reduzierung der Spannung auf die Nennspannung des Verbrauchers als Vorschaltwidirstand ein im Wechselstromkreis des Netzspannungstransformators liegender Scrienkondensator verwendet, der vorzugsweise mit der Induktivität des Transformators einen auf die Netzfrequenz abgestimmten Kreis bildet. Diese Schaltung wird vielfach benutzt, doch läßt sich die Einschallzeit in der Praxis nicht auf wenige Millisekunden abkürzen, wie dies für manche Zwecke wünschenswert ist.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Einschaltzeil noch wesentlich weiter zu verkürzen als es mit den bisher bekannten Schallungen möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltung der eingangs'gcnanntcn Art erfindungsgemäß mit der Arbeitswicklung eine Steuerwicklung derart gekoppelt, daß beim Leitendwerden des in Reihe mit der Arbeitswicklung geschalteten ersten Transistors in ihr eine Steuerspannung induziert wird, welche einen zweiten Transistor öffnet, dessen Kollektor-Emittcr-Strecke in Reihe mit einer Hilfswicklung an eine Stromquelle derart angeschlossen ist, daß bei Beginn eines Stromflusses durch diese Hilfswicklung in der Arbeitsvvicklung eine zusätzliche Spannung induziert wird, welche im Sinne einer Erhöhung der an den Enden der Arbeitswicklung vorhandenen Spannung wirkt.

Es ist zweckmäßig, wenn in die Basiszuleitung des zweiten Transistors ein dritterTransistor eingeschaltet ist, der durch die in der Steuerwicklung induzierte Steuerspannung leitend wird und dadurch die Basis des zweiten Transistors mit einer Stromquelle solchen Potentials verbinde», daß dadurch der zweite Transistor leitend wird.

Weitere Einzelheiten sind in den Patentansprüchen näher gekennzeichnet.

Im nachstehenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren beschrieben, wobei einander entsprechende Bauteile in beiden Figuren mit den gleichen Bezugsquellen versehen sind.

Die Arbeitswicklung Ll des schematisch angedeuteten induktiven Verbrauchers 1 ist in Reihe mit der Diode Dl und der Kollektor-Emitter-Strecke des NPN Transistors Tl zwischen dem positiven Pol 2 einer (nicht dargestellten) Stromquelle und zwischen Masse geschaltet, wobei vorausgesetzt ist, daß der negative Pol dieser Stromquelle ebenfalls mit Masse verbunden ist. Das Relais ist zusätzlich zur Arbeitswicklung Ll von 5000 Windungen mit einer Hilfswicklung L2von 300 Windungen und einer Steuerwicklung L3 von 2500 Windungen versehen, deren Funktion später beschrieben wird. Die Anfänge der gleichsinnig gewickelten Wicklungen Ll, L2 und L3 sind mit .41 bzw. /42 bzw. A3 bezeichnet. Ein Ende der Wicklung L2 ist mit Masse verbunden. Die Stcuerwicklung L3 ist durch eine Zenerdiode Dl überbrückt, wobei ein zur Strombegrenzung dienender Widerstand Rl zwischengeschaltet ist. Je ein Ende der Gteuerwicklung L3bzw. ein Pol der Zenerdiode Dl ist mit dem Emitter des NPN-Transistors Tl bzw. mit der Steuerelektrode des Transistors T3 vom Anreicherungstyp MOS-FET verbunden. Der eine Ausgang des Transistors Γ3 ist mit der Basis des Transistors Tl, der andere Ausgang mit je einem Pol der beiden in Gattcrariordnung geschalteten Dioden D3 und DA verbunden. Der andere Pol der Diode D3 ist mit dem positiven Pol der Stromquelle, der andere Pol der Diode DA mit dem vom positiven Pol dieser Stromquelle abgewendeten Ende der Arbeitswicklung Ll verbunden. Die impulsförmigen, durch den Kurvenzug S angedeuteten Steuersignale zum Einschalten des induktiven Verbrauchers werden über die Klemme 5 und den Widerstand Rl der Steuerelektrode des Transistors 7Ί zugeführt.

Solange an Klemme 5 kein Steuersignal anliegt, ist der Transistor Tl gesperrt und die Arbeitswicklung Ll stromlos. An den bnden der Wicklungen L2 und L3 werden keine Spannungen induziert, und daher bleiben auch der Transistor 7*3 und der von ihm angesteuerte Transistor 7'2 gesperrt.

Wird über die Klemme S der Basis des Transistors ei η Steuersignal 5 zugeführt, dann wird der Transistor Tl teilend und es beginnt ein Strom von der Klemme 2 durch die Wicklung Ll, die Diode Dl u:id den Transistor Tl zu fließen. Ein entsprechender Spannungssprung wird in den Wicklungen L2 und L3 induziert.

Der in der Steuerwicklung L3 induzierte Spannungssprung wirkt über den Widerstand Rl als St£uerspannung für den Transistor Γ3, so daß durch diesen ein Strom fließt, der als Steuerbasisstrom für den Transistor T2 wirkt, so daß auch dieser leitend wird. Die Zenderdiode Dl begrenzt die von der Steuerwicklung L3 abgegebene Spannung, so daß der Transistor 73 nicht beschädigt werden kann. Da die Transistoren Γ2 und 73 leitend sind, beginnt nun vom positiven Pol der Stromquelle über die Diode D3 und den Transistor Tl ein zusätzlicher Hilfsstrom durch die Hilfswicklung L2 zur Masse zu fließen. Hierdurch

ao wird in der Arbeitswicklung Ll eine Spannung induziert, welche im Sinne einer Erhöhung der an den Enden der Arbeitswicklung Ll vorhandenen Spannung wirkt. Durch diese Spannungserhöhung wird der Stromanstieg in der Arbeitswicklung Ll beschleunigt, also die Einschaltzeit verkürzt. Während dieses Zeit raiimes tritt am Schaltungspunkt 6 eine negative Spannung gegen Masse auf und die Diode Dl verhindert die Weiterleitung dieses negativen Spannungsimpulses an den Transistor 7*1 und schützt ihn dadurch vor Beschädigung. Gleichzeitig verhindert die Diode Dl dadurch jede störende Rückwirkung auf das Steuersignal 5.

Der durch die Wicklung L2 fließende Strom induziert in der Wicklung L3 eine zusätzliche Spannung, welche als zusätzliche Steuerspannung für den Transistor Γ3 wirkt und über diesen die Kollektor-Emitter-Streckc des Transistors 77. völlig durchsteuert. Allmählich wird der Stromanstieg bzw. die Stromänderung in der Hilfswicklung L2 geringer und damit

verringern sich die von der Hilfswicklung L2 in Arbeitswicklung Ll und Sieuerwicklung L3 induzierten Spannungen. Nach kurzer Zeit wird die Diode Dl wieder leitend, und über die Arbeitswicklung Ll, die Diode Dl und den Transistor 7"1 fließt wieder Strom.

Nach einiger Zeit wird die in der Steuerwicklung L3 induzierte Spannung geringer und reicht nicht mehr aus, um den Transistor T3 und über diesen den Transistor Tl anzusteuern, und beide Transistoren werden gesperrt, so daß die Wicklung L2 stromlos wird. Der

hierdurch in der Arbeitswicklung Ll und in der Steuerwicklung L3 induzierte Impuls wird durch die an die genannten Wicklungen angeschlossenen Stromkreise hinreichend gedämpft.

Sobald die Transistoren Tl und 73 gesperrt sind.

fließt nur noch durch die Arbeitswicklung Ll Strom,, der bei entsprechender Dimensionierung als Haltestrom für das Relais bzw. die elektromagnetische Kupplung ausreicht und solange erhalten bleibt, wie das Steuersignal andauert.

Sobald die Zufuhr eines Steuersignals unterbrochen wird oder die Dauer des Steuersignals endet, wird der Transistor Tl gesperrt und in der Arbeitswicklung Ll fließt kein Strom mehr. Die durch diese Stromänderung induzierte Überspannung wird durch die vorhan-

denen Schaltelemente hinreichend gedämpft. Die in der Steuerwicklung L3 induzierte Spannung wird durch den Widerstand Rl und die Zenerdiode D2 begrenzt, da die Anode der letzteren auf positives Po-

tential gebracht und somit die Diode in direkter Richtung leitend wird. Durch die in der Hilfswicklung Ll induzierte Spannung wird der Emitter des Transistors Tl negativ gegen Masse und durch die an der Arbeitswicklung Ll induzierte Spannung wird der Schaltungspunkt 7 positiv gegen Masse. Die Diode D4wird daher leitend und überträgt das positive Potential auf den Kollektor des Transistors Tl. Da das positive Potential über die Diode D4 auch an die Anode des Transistors 73 gelangt, wird dieser leitend und zugleich auch der vom Transistor 7'3 angesteuerte Transistor Tl, wodurch eine starke Dämpfung bewirkt wird. Es entsteht ein Stromfluß von Klemme 2 über die Arbeitswicklung Ll, die Diode D4,den Transistor Tl und die Hilfswicklung Ll.

Erfahrungsgemäß können die Hauelemente, insbesondere Transistor Tl, so dimensioniert werden, daß keine Schädigung zu befürchten ist.

Reicht nach Abklingen der beim Ausschaltvorgang induzierten Überspannung diese nicht mehr aus, um den Transistor Γ3 ohne Ansteuerung über die Steuerelektrode leitend zu machen, so sperren beide Transistoren Tl und 7'3. Die Dämpfung ist aufgehoben und der gedämpfte Schwingungsvorgang, dessen erste halbe Periode die Überspannung war. setzt sich in der Spule fort. Die Amplitude ist jetzt jedoch so gering, daß kein Schaden an den Bauelementen entstehen kann.

Durch die vorstehend beschriebene Schaltung wird nicht nur die Einschaltzeit erheblich verkürzt, beispielsweise von etwa K) msec auf 2 V₂ msec, sondern es wird auch die Abschaltzcil von etwa 15 mso. auf etwa 2'<\ msec verkürzt, ohne daß hierbei Schaden an den Bauelementen auftreten.

Fi g. 2 z.eigt eine Varianlc der in Fig. 1 angegebenen Schaltanordnung, weiche in manchen Fällen nützlich ist. Hierbei ist ein sogenannter /V-Kana!-Feldef~ fekl-Transistor TA in die Aiiodcnzuleitung des Transistors Ti eingeschaltet, und zwar so, daß die Anoden der beiden Transistoren zusammengcschaltcl sind. Die Steuerelektrode des Transistors T4 \:Λ über einen Widerstand /?3so geschaltet, daß der Transistor T"4 im Normalzustand leitend ist. Er ist nur dann nicht leitend, wenn beim Abschalten des die Arheitswicklung Li durchfließenden Stromes über die Diode 04 ein positivei Impuls an die Kathode des Transistors 7 4 gelangt. Dabei wird dessen Steuerelektrode negativ gegen Kathode und der Transistor 7'4 wird während dieser Zeit gesperrt. Der Transistor /4 würde nur dann wieder leitend werden, wenn die Spannung überschritten wird, die ihn ohne Ansteuerung zum Leiten btnvieu kann. Diese Schaltanordnung ¹UHn insbesoiuieiv in solchen Fallen mil Vorteil \crwcndet werden, in denen die zur Speisung des induktiven Verbrauchers vorgesehene, an Klemme 3 zugeführte Betriebsspannung so hoch ist, daß der transistor 73 hierdurch gefährdet werden könnte.

Im übrigen arbeitet die Schaltung nach Fig. 2 sinngemäß in gleicher Weise wie die Schaltung nach Fig. 1. Der Einfachheit und besseren Übersicht halber si'.d in Fig. 2 die Diode Di. der Transistor 71. der Widerstand Rl, sowie die Klemme 5 tongelassen worden.

Die erfindungsgemäße Schaltung wurde vorstehen·.:

für die Verwendung einer positiven Speisespannung gegen Masse beschrieben. Eis ist selbstverständlich auch möglich, bei entsprechender Wahl dei liauH·;-monte. z.H. PNI'-Transislorcn stall NPN-1 ransistoren, sinngemäß die gleiche Wirkung auch bei nenativei Speisespannung gegen Masse /u erzielen.

Hierzu 1 Dlatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schattung zur Verkürzung der Einschaltzeit von induktiven Verbrauchern, z. B. Relais, elektromagnetischen Kupplungen oder Steuermagneten, bei welcher die Arbeitswicklung des induktiven Verbrauchers in Reihe mit «Jci Kollektor-Emitter-Strecke eines von Steuersignalen gesteuerten Transistors an eine Stromquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Arbeitswicklung eine Steuerwicklung (L3) derart gekoppelt ist, daß beim Leitendwerden des ersten Transistors in ihr eine Steuerspannung induziert wird, weiche einen zweiten Transistor lei- t5 tend macht, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einer Hilfswicklung (L2) an eine Stromquelle derart angeschlossen ist, daß bei Beginn eines Stromflusses durch diese Hilfswicklung in der Arbeitswicklung (Ll) eine zusätzliche Spannung induziert wird, welche im Sinne einer Erhöhung der an den Enden der Arbeitswicklung vorhandenen Spannung wirkt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Basiszuleitung des zweiten transistors (ii) ein dritter Transistor (7 3) eingeschaltet ist, der durch die in der Steuerwicklung (L3) induzierte Steuerspannung leitend wird und dadurch die Basis des zweiten Transistors (72) mit einer Stromquelle solchen Potentials verbindet, daß dadurch der zweite Transistor ( 72) leitend wird.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen ersten Transistor (Tl) und Arbeitswicklung (Ll) eine Diode (Dl) geschaltet ist, die derart gepolt und bemessen ist, daß sie bei Stromfluß durch die Koilektor-Emitter-Strecke des ersten Transistors (Tl) leitend wird, jedoch bei einer durch induktive Kopplung vom Strom der Hilfswicklung induzierten Spannungserhöhung an den Enden der Arbeitswicklung (Ll) die Verbindung zu diesem Verbraucher und dem ersten Transistor unterbricht.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zenerdiode zwecks Begrenzung der Höhe des in der Steue/wicklung (L3) induzierten Potentials -gegebenenfallsunter Zwischenschaltung eines Begrenzerwiderstandes [Rl) - an diese Steuerwicklung (L3) angeschlossen ist.

5. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung /\vi_r sehen Stromquelle und drittem Transistor (73) eine Diode (D3) in solcher Polarität eingeschaltet ist, daß sie bei Leitendwerden der Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (72) ebenfalls leitend ist.

6. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Hilfswicklung (L2) abgewendete Ende der Kollektor-Emitter-Strecke des zweittn Transistors (Tl) über eine vierte Diode (DA) mit dem vom zugeordneten Pol der Stromquelle abgewendeten Ende der Arbeitswicklung (Ll) verbunden und das vom Transistor (Tl) abgewendete Ende der Hilfswicklung (L2) mit Masse bzw. dem anderen Pol der Stromquelle verbunden ist.

7. Schaltung nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekenn2:eichnet,daß zwischen das vom zweiten Transistor abgewendete Ende der Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Transistors einerseits und die Verbindung zwischen dritter und vierter Diode andererseits die Koilektor-Emitter-Strecke tines vierten Transistors (74) eingeschaltet ist

(l·¹ ig. 2).

8. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vun der Stromquelle abgewendete Ende der ArbeHswicklung (Ll) über eine vierte Diode (D4) mit der von der Hilfswicklung (L2) abgewendeten Elektrode der Koilektor-Emitter-Strecke des /weiten Transistors (72), vorzugsweise auch mit der Anode eines als Feldeffekttransistor (FET) ausgebildeten dritten Transistors verbunden ist, wobei die Polarität dieser vierten Diode (i>4) derart gewählt ist, daß sie durch den beim Abschalten des die Arbeitswicklung durchfließenden Stromes induzierten ersten Spannungsimpuls feilend wird und daß Jas Windungsverhältnis zwischen Arbeitswicklung (Ll) und Hilfswicklung (L2) derart gewählt ist, daß durch das Zusammenwirken dieses ersten Spannungsimpulses mit dem beim Abschalten des die Arbeitswicklung durchfließenden Stromes in der Hilfswicklung (L2) induzierten, der anderen Elektrode der Emitter-Kollektor-Strecke des zweiten Transistors (72) zugeführten Zweiten Spannungsimpuls der zweite Transistor (72) leitend wird, jedoch nach Abklingen beider Spannungsimpulse wieder gesperrt wird.