DE2437952A1

DE2437952A1 - Schaltkreis zur steuerung einer elektromagnetisch betaetigten einrichtung

Info

Publication number: DE2437952A1
Application number: DE2437952A
Authority: DE
Inventors: Robert James Redding
Original assignee: Navire Cargo Gear International AB
Current assignee: Navire Cargo Gear International AB
Priority date: 1974-07-02
Filing date: 1974-08-07
Publication date: 1975-02-20
Also published as: SE7409474L; NL7410603A; GB1466246A; FR2240553B1; FR2240553A1; US3975666A; JPS5070860A

Description

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NAYIRE CARGO GEAR INTERNATIONAL AB, Göteborg (Schweden)

Schaltkreis zur Steuerung einer elektromagnetisch betätigten Einrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf einen in sich sicheren elektrischen Schaltkreis zur Steuerung des Arbeitens einer elektro-

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magnetisch betätigten Einrichtung, beispielsweise Steuerventilen für. pneumatische oder hydraulische Kreise, welche zum Einsatz an solchen Stellen bestimmt ist, wo Feuer-und/oder Explosionsgefahr.besteht.

Das bevorzugte Verfahren zur Sicherung elektrischer Ausrüstung in einer gefährlichen Atmosphäre ist es, den elektrischen Schaltkreis eigensicher zu gestalten. Dies macht es notwendig, dass das Energieniveau in dem Schaltkreis jederzeit unterhalb eines kritischen Wertes liegt, so dass irgendwelche Funken, die in dem Schaltkreis od. dgl. entstehen könnten,

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keine ausreichende Energie zur Entzündung der Atmosphäre besitzen.

Der, elektrische ,Schaltkreis ,. zur Betätigung eines Solenoid-Yentils unter gefährlichen Bedingungen muss daher mit niedri- -ger elektrischer Energie arbeiten. In der Praxis erweist es sich jedoch als schwierig, ein \Solenoid zu konstruieren, das; auf einem niedrigen Energieniveau arbeitet und trotzdem zufriedenstellend ein Arbeiten eines Pilotventils in einem pneumatischen oder hydraulischen Hochdruck-System bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eigensicheren Schaltkreis zu schaffen, der zuverlässig eine Betätigung eines elektromagnetischen Elementes bzw. einer elektromagnetischen Einrichtung veranlasst.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Schaltkreis der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, der sich auszeichnet durch ein Speicherglied für elektrische Energie, welches von einer Quelle mit einem eigensicheren Energieniveau aufgeladen und anschliessend wenigstens teilweise mittels eines Schaltgliedes über eine Arbeitswicklung der elektromagnetischen Einrichtung entladen wird.

Bei Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung

v. 4. · -4- * π _Λ ■ 4 ■ · ν ■■ * ,./eigensicher hat man einerseits den Vorzug, dass sie in sich, d.h. ist, andererseits wird zuverlässig eine Betätigung der elektromagnetischen Einrichtung erreicht.

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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Torteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele für Schaltungsanordnungen gemäss der Erfindung anhand nder Zeichnung, wobei auf Torzüge des Erfindungsgegenstandes, die sich für den Fachmann aus dem Stand der Technik ergeben, nicht besonders hingewiesen wurde, diese 3*edoch ebenfalls der Erfindung zuzurechnen sind, sowie aus den weiteren Ansprüchen. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 ein Schaltbild eines ersten erfindungsgemässen Schaltkreises mit einer Sieherheitssperre und

Figur 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform einer Schaltungsanordnung gemäss der Erfindung.

Eine Tielzahl von magnetisch arbeitenden Einrichtungen oder Geräten erfordern eine wesentlich höhere Energie bzw. Kraft zur Einleitung der Bewegung des Ankers oder sonstigen beweglichen Teils in Richtung auf eine Schließstellung, als Energie zum Halten des Ankers oder anderen Teils in diese Stellung erforderlich ist. Das Terhältnis von Anzieh- zu Halte-Energie kann beispielsweise 10 : 1 sein. Zum Beispiel kann ein übliches Solenoid-Tentil, welches einen Kraftsehalter betätigt, einen Strom von nicht weniger als 100 mA benötigen, um das'Solenoid nach innen zu ziehen, während ein Strom von 10 oder 20 mA absolut ausreichend sein kann, um das Solenoid zu halten.

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Betrachtet man solch ein Solenoid, welches einen Strom von nicht weniger- als 100 mA "bei 12 Y "benötigt, so ist festzustellen, dass es sich hierbei um das maximale sichere Energieniveau handelt, welches in gefährlicher Atmosphäre, in der Wasserstoff vorhanden sein kann, erlaubt werden kann. Es ist jedoch sehr- schwer-, ein solches Ener-gieniveau von einer in sich sicheren Quelle her zur Verfügung zu stellen, da dieses Niveau keinesfalls bei Vorliegen irgendeines Fehlers oder Überlastbedingungen, die in dem Stromkreis auftreten können, überschritten werden darf. In der Praxis ist die Energiemenge, die sicher von einem üblichen Schaltkreis zur Betätigung des Ventils oder der sonstigen Einrichtung zur Verfugung gestellt werden kann, nicht höher als die Hälfte dieses Viertes; als Folge davon kann ein zuverlässiges Arbeiten der Einrichtung bzw. des Gerätes nicht gewährleistet werden.

Ein Beispiel für einen erfindungsgemässen Schaltkreis zur Verursachung des Arbeitens einer elektromagnetisch betätigten Einrichtung, die eine verhältnismässig hohe Anzugsenergie und eine niedrigere Halteenergie benötigt, ist in Figur- 1 der Zeichnung dargestellt. In der Zeichnung ist eine Sioherheitssperre 1, beispielsweise ein Zenerdioden-Sperrkreis, wie er in der GB-PS 977 913 beschrieben ist, zwischen eine Gleichspannungsquelle und eine Speiseleitung 2 und 3 eingeschaltet, die mit der elektromagnetischen Einrichtung über einen Sohalter 4 verbunden ist. Die Sicherheitssperre 1 umfasst vorzugsweise ein Netz aus Widerständen und Zenerdioden, die so an—

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geordnet sind, dass v.trotz irgendeines Yorkommnisses auf dersicheren Seite der Sperre, d. h. links in Figur 1, gewährleistet ist, dass die an die Leitungen 2 und 3 in einer Gefahrenzone abgegebene Leistung" eigensicher ist, sofern die Lei-, tungen 2 und 3 und irgendein an diese angeschlossener Schaltkreis 5 keine solchen Induktivitäts- und Kapazitätswerte umfasst, die ganz bestimmte, vorgegebene Werte übersteigen.

Der Schaltkreis 5 umfasst einen Kondensator 6 von beispielsweise einigen tausend /UJ¹ Kapazität, der mit seinen Anschlüssen an die Leitungen 2 und 3 über eine Diode 7 und einen Serienwiderstand 8 angeschlossen ist. Ein Reihensehaltkreis mit einer- Zenerdiode 9 und einem Widerstand 10 ist parallel zu dem Kondensator- 6 gelegt, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand 10 und der Zenerdiode 9 mit der Basis eines !Transistors 11 verbunden ist. Eine Arbeits— wicklung 12 einer elektromagnetischen Einrichtung, beispielsweise eines Solenoidventils, ist in Reihe in den Kollektor/ Emitter-Kreis des !Transistors 11 über den Kondensator 6 eingeschaltet. Der gesamte Kreis 5 kann verkapselt sein.

Während des Arbeitens beginnt sich dann, wenn der Schalter 4 geschlossen ist, der Kondensator 6 von der G-leichstromguelle über den Widerstand 8 und die Diode 7 zu. laden. Die Spannung am Kondensator 6 steigt rasch auf die lastfreie Spannung der Energiequelle an. Solange die Zenerspannung der Diode 9 noch

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nicht erreicht ist, ist diese Zener-diode nicht leitend und die Spannung am Widerstand 10 bleibt null. Der Transistor 11 bleibt daher im Sperrzustand, so dass kein Strom über die Wicklung 12 fliesst.

Sobald die Zenerspannung der Zenerdiode 9 erreicht ist und die Diode leitend wird, tritt eine Spannung am Widerstand 10 auf, die auf den Strom durch die Diode 9 zurückzuführen ist. Dadurch wird die Basis des Transistors 11 positiv gegenüber dem Emitter vorgespannt. Der Transistor 11 leitet daher und es fliesst ein hoher Stromimpuls von dem Kondensator 6 in die Wicklung 12. Dieser Strom ist ausreichend, um das Solenoid anzuziehen. Anschliessend bleibt der Strom durch die -Wicklung auf einem stetigen, niedrigeren Niveau bis der Schalter 4 geöffnet wird. Dieses niedrigere Niveau ist ausreichend, um das. Solenoid zu halten. Der Haltestrom kann der Wicklung 12 kontinuierlich in ■■' , eigensicherer V/eise zugeführt werden.

Es kann festgestellt werden, dass.der der Wicklung 12 durch diesen Stromkreis zugeführte Strom wesentlich höher ist als er es sein würde, wenn der Kondensator 6 nicht vorhanden wäre. Der Stromkreis, der bei Fehlen des Kondensators 6 vielleicht nur Ströme in der G-rössenordnung von zehntel mA zur Speisung der Wicklung 12 erzeugen würde, kann infolge der Einschaltung des Kondensators 6 einen Stromimpuls in der G-rössenordnung von 1 A zur Betätigung des Solenoids abgeben. Vielter hin ist der

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verfügbare Strom nicht von'der Länge der Leitungen bestimmt, die den Schaltkreis mit der- Energiequelle verbinden, da der Kondensator 6, der in nur sehr geringer Entfernung von der Wicklung 12 angeordnet ist, als Stromquelle für den Anzug-Strom wirkt. ·

Die Verkapselung des Schaltkreises 5 gewährleistet eine, in sich liegende Sicherheit des Schaltkreises. Der Widerstand 8 und die Diode 7 geben die Gewähr, dass keine Ladung aus dem Kondensator 6 entlang der Leitungen 2 und 5 zurückgelangt, > wo ein gefährlicher Funke erzeugt werden könnte.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird zwar- ein Kondensator 6 als Speicherelement verwendet; es wäre jedoch auch denk« bar, hierfür andere Einrichtungen, beispielsweise Elektrolyt- · zellen oder sogar Sekundärζeilen des Niokel-Kadmium-Syps einzusetzen. In gleicher Weise könnten auch andere Typen von . Halbleiterschaltem, ja manchmal jsogar mechanische.Relais anstelle des T_ransistors 11 verwendet werden« Außerdem sei erwähnt, dass zwar in dem vorstehenden Beispiel davon die Rede ist, dass die Wicklung 12 zum Solenoid eines hydraulischen ITentils gehört. Es können aber auch andere Arten von mechanisch betätigten Einrichtungen in der, gleichen Weise gespeist werden. In ähnlicher Weise wäre es auch möglich, dass das Speicherelement seine Ladung auf die Wicklung 12 nach Empfang eines Signals von einer anderen Quelle abgibt, obwohl in dem vorerläuterten Beispiel die automatische Arbeitsweise des Schaltkreises bei einem bestimmten, durch die Zener-diode 9 vorgegebenen Span- ·

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nungsniveau beschrieben wurde. Die Zenerdiode könnte auch durch irgendein anderes, spannungsabhängiges Element, beispielsweise einen Thermistor, ersetzt werden.

3Die in Figur 2 gezeigte Schaltungsanordnung ist zur Verwendung mit einem bekannten Verriegelungs- bzw. Sperr-Solenoidventil oder einer anderen Type einer- magnetischen Verriegelungs- bzw. Sperreinrichtung der Art geeignet, welche mittels eines elektrischen Impulses eingeschaltet und durch einen anderen Impuls ausgeschaltet wird, wobei keine Energie von einer elektrischen Quelle erforderlich ist, um die Einrichtung in der jeweiligen Betriebsstellung zu halten.

Wie Figur 2 zeigt, hat die Sperreinrichtung zwei Wicklungen 13 und 14, die in Reihe mit einem Kondensator 15 und einem Thyristor 16 an Gleicbstrom-Speiseleitungen 17 und 18 angeschlossen sind, welche ihrerseits ausgehend von den Leitungen 2 und 3 über ein Widerstandselement 8 und eine Diode entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 gespeist werden.

Ein Kondensator 19 ist zwischen die leitungen 17 und 18 eingeschaltet« Ein Reihen-Schaltglied aus Widerstand und Diode verbindet die leitung 18 mit dem Verbindungspunkt zwischen Widerstand 8 und Diode 7. Dieses Schaltglied umfasst eine Diode 20, eine Zenerdiode 21 und einen Widerstand 22. Parallel zu

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diesem Schaltglied ist ein Kondensator 23 geschaltet.

Das Gate des Thyristors 16 ist an den Terbindungspunkt zwischen. Widerstand 22 und Diode 21 angeschlossen.

Ein transistor- 24 ist über einen Kollektorwiderstand 25 parallel zu der Wicklung 13 und dem Kondensator 15 geschaltet, wobei der Emitter- .des Transistors 24 an die leitung 17 angeschlossen ist. Die Basis des Transistors 24 ist über einen Widerstand 26 an · den Verbindungspunkt zwischen der Diode 7 und dem Widerstandsglied 8 angeschlossen. Zwischen die Basis und den Emitter des Tr-ansistors 24 ist ein Kondensator 27 eingeschaltet.

Der- Kollektor des Transistors 24 ist_ an das Gate eines Thyristors 28 angeschlossen, der parallel zu der Wicklung 13 und dem Kondensator 15 liegt. Parallel zu dem Transistor ist ein Kondensator 19 geschaltet. Ein weiterer Kondensator 30 liegt parallel zum Thyristor 16.

Beim Arbeiten des oben erläuterten Schaltkreises wird durch Anlegen einer 24 Y Speisespannung an die leitungen 2 und 3 der Kondensator 19 über den Widerstand 8 und die Diode 7 aufgeladen. Wenn die Spannung am Kondensator 19 etwa 22,5 V erreicht, wird die Zenerdiode 21 leitend, wodurch Strom zu dem Gate des Thyristors 16 gelangt. Der Thyristor 16 wird ausgelöst und der Kondensator. 19 entlädt sich über den Kondensator 15 und die Wicklungen 13 und 14. Der Stromimpuls in diesen

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Wicklungen "betätigt das Yentil.

Um eine Zweidraht-Betätigung unter Verwendung üblicher Dreidraht-yerbindungen für die Wicklungen 13 und 14 zu erhalten, wird an dem Kondensator 15 eine Spannung in folgender Weise erhalten. Die anfängliche Entladung des Kondensators 19 lädt den Kondensator 15 auf etwa 10 Y auf; der Thyristor 16 schaltet ab, da kein Strom mehr durch die Zener-diode 21 fliesst. Hierauf lädt sich der Kondensator 19 erneut auf etwa 22,5 V auf, der Thyristor 16 wird erneut ausgelöst, der Kondensator 15 wird auf eine höhere Spannung aufgeladen, der Thyristor 16 schaltet wiederum ab und dieser Zyklus wird mehrmals wiederholt, bis die Kondensatoren 15 und 19 beide angenähert auf 22,5 Y geladen sind. Diese genannte. Spannung wird durch den Strom begrenzt, der durch die Sicherungssperre (wie in Figur 1) den Widerstand bzw. das Widerstandsglied 8, die Diode 7, die Zenerdiode 21 und das Gate des Thyristors 16 fliesst.

Wenn die Spannungsversorgung abgeschaltet und die leitungen 2 und 3 kurzgeschlossen werden, fliesst kein Strom mehr durch das Gate des Thyristors 16, der infolgedessen abschaltet. Es wird dann Strom durch den Widerstand 26 und die Basis des Transistors 24 von dem Kondensator 9 geführt, der noch geladen ist. Der sich hieraus ergebende Kollektorstrom des Transistors 24 schaltet den Thyristor 28 ein, der den Kondensator

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über die Wicklung 13 entlädt. Der- Stromimpuls durch diese

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Wicklung stellt das Tentil in die Ausgangsposition zurück.

Wenn der Kurzschluss über die Leitungen 2 und 3 aufrecht^· erbalten wird, wird sieb der Kondensator 19 langsam durch den Widerstand 26 entladen, wobei dieser Strom hinsichtlich seiner Grössenordnung dem Xeckstrom im Kondensator selbst ähnlich ist. Der Kondensator 19 behält den meisten Teil seiner ladung über mehrere Minuten, wodurch es ermöglicht wird, dass die nächste Betätigung rascher erfolgt .als die ursprüngliche. .

Die Kondensatoren 23, 27, 29 und 30 sind Kondensatoren kleinen Wertes, die dazu beitragen, eine ungewollte Auslösung der Thyristoren zu verhindern,.

Es kann festgestellt werden, dass das Tentil im augenblicklichen Zustand bleibt., falls die Energieversorgung ausfällt. Es wäre jedoch denkbar, das Ventil mit einer Einrichtung zur manuellen oder automatischen Entriegelung zu. .versehen, da ausreichend Energie im Kondensator 15 gespeichert ist»

Der in Figur 2 gezeigte Schaltkreis zur- gepulsten magnetischen Auslösung kann auch für ein Tentil verwendet werden, welches eine magnetische Halteeinrichtung, beispielsweise· in Form eines Permanentmagneten, hat» Dieses Tentil benötigt dann

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eine magnetische "Verstärkung" oder "Gegenwirkung", um "ein" und "aus" geschaltet zu werden. Dies wird erzeugt, wenn die einzige Wicklung in der Position 13 vorgesehen ist, wobei in diesem Pail sich in der Position 14 keine Wicklung befindet.

In der- vorstehenden Beschreibung werden der Kondensator 6 in Figur 1 und die Kondensatoren 19 und 15 in Figur 2 auf eine Spannung aufgeladen, die der in sich sicheren Spannungsquelle angenähert ist. Es ist jedoch kein G-rund ersichtlich, weshalb die sichere Energieversorgung nicht schrittweise auf eine hohe Spannung gebracht werden sollte mittels einer- Einheit, die innerhalb der Yerkapselung zwischen der Diode 7 und den Kondensatoren angeordnet werden müsste.

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Claims

2437352 Patentansprüche

1. ' Eigensieherer elektrischer Schaltkreis zur Steuerung des Arbeitens- einer elektromagnetisch betätigten Einrichtung, gekennzeichnet durch ein Speicherglied (6, 19) für elektrische Energie, welches Von einer Quelle (2,3) mit einem eigensicheren Energieniveau aufgeladen und anschliessend wenigstens teilweise mittels eines Schaltgliedes (11,16) über eine Arbeitswicklung (12, 13, 14) der elektromagnetischen Einrichtung entladen wird.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherglied einen Kondensator (6, 19) umfasst, welcher mittels einer eigensicheren G-leichstromguelle (2, 3) aufgeladen wird.

3. Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch-gekennzeichnet, dass der Kondensator (β, 19) über eine Diode (7) aufgeladen wird, welche seine Entladung in die Gleichstromquelle (2, 3) verhindert.

4. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (11, 16) das Speicherglied (6, 19) mit der Arbeitswicklung (12, 13, H) verbindet, wenn die in dem Speicherglied gespeicherte

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elektrische Energie einen bestimmten Wert erreicht.

5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Wert mittels eines spannungsempfindlichen Elementes (9, 21) bestimmt ist, das auf die Spannung am Speicherglied (6, 19) anspricht.

6. Schaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dasa das spannungsempfindliche Glied eine Zener-diode ist (9, 21).

7. Schaltkreis nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied ein Halbleiterelement (11, 16) umfasst, welches sich im Sperrzustand befindet, bis der vorbestimmte Wert der gespeicherten Energie erreicht ist.

8. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement ein Transistor (11) ist.

9. Schaltkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement ein Thyristor (16) ist.

10. Schaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Ansteuerung einer elektromagnetisch betätigten Einrichtung mit zwei in Reihe geschalteten Arbeitswicklungen,

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dadurch gekennzeichnet, dass die Entladung des Speicher— gliedes durch beide Arbeitswicklungen (13, 14) die Einrichtung einstellt, dass Mittel zur Ladung eines zweiten Speichergliedes (15), welches in Reihe zu - den Arbeitswicklungen liegt, Torgesehen sind, und dass Mittel (23) zur Entladung des zweiten Speichergliedes über eine der Arbeitswiclclungen vorhanden sind, um so die Einrichtung zurückzustellen. ■

11. Schaltkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Speicherglied (15) vom ersten Speicherglied (19) aus in aufeinanderfolgenden Schritten aufgeladen wird, wobei das erste Speicher-glied jeweils zwischen den Schritten wieder aufgeladen wird.

12. Schaltkreis nach Anspruch 10 oder 11, d_adurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Entladung des zweiten Speichergliedes einen Thyristor (28) umfassen.

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