DE2556580C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antriebsstromkreis zum Erregen einer Druck-Elektromagnetentwicklung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Antriebsstromkreise werden vor allem aus Kostengründen aus einer nicht stabilisierten Spannungsquelle mit Strom versorgt. Problematisch ist bei einem derartigen, beispielsweise aus der US-PS 30 78 393 bekannten Antriebsstromkreis, daß bei Spannungsschwankungen ein einwandfreier Betrieb des Druck-Elektromagneten nicht gewährleistet ist, und zwar insbesondere bei einem Spannungsabfall, der dazu führen kann, daß eine unzureichende magnetomotorische Kraft erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstromkreis der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch bei nicht stabilisierter Versorgungsspannung einen einwandfreien Betrieb des Druck-Elektromagneten gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Antriebsstromkreises sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der bistabilen Einrichtung wird auch bei Schwankungen der Versorgungsspannung stets ein einwandfreier Betrieb des Druck-Elektromagneten gewährleistet.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 das elektrische Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Antriebsstromkreises und

Fig. 2 in Form eines Diagramms den Verlauf des Stromflusses in der Druck-Elektromagnetwicklung für zwei verschiedene Zuführspannungswerte.

Fig. 1 zeigt eine Wicklung 1 eines Druck-Elektromagneten, die zwischen eine positive, nicht stabilisierte Spannungsquelle +V und eine gemeinsame Bezugsspannung oder Erdung über einen Schalttransistor 2 geschaltet ist, der vorzugsweise stromabwärts von der Wicklung, d. h. auf der Erdungsseite, liegt.

Der Kollektor des Transistors 2 ist an ein Ende der Wicklung 1 angeschlossen. Zwischen dem Emitter des Transistors 2 und der Erdung ist ein Widerstand 3 von relativ niedrigem Wert, beispielsweise 0,5Ω, geschaltet, der als Stromanzeiger arbeitet. Der Emitter des Transistors ist weiterhin über einen Widerstand 4 von relativ hohem Wert, beispielsweise 10 KΩ, an den invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 5 angeschlossen. Dieser invertierende Eingang ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden, der sich aus Widerständen 6, 7 zusammensetzt, die zwischen die Spannungsquelle +V und die Erdung in Reihe geschaltet sind.

Geeignete Werte für die Widerstände 6 und 7 sind z. B. 100 KΩ bzw. 10 KΩ. Auf diese Weise legt der Spannungsteiler an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers eine Spannung an, die gleich ¹/₁₁ der Spannung +V beträgt.

Der Differentialverstärker ist mit einer einseitig gerichteten Rückkoppelungsschleife versehen, die sich aus einem Widerstand 8 und einer mit diesem in Reihe geschalteten Diode 9 zusammensetzt. Der Widerstand 8 weist zweckmäßigerweise einen Wert von 10 KΩ auf.

Die Rückkoppelungsschleife ist dermaßen ausgebildet, daß, wenn die Spannung am Ausgang des Verstärkers niedriger als die an den nicht invertierenden Eingang angelegte ist, die am Ausgang anliegende Spannung unter Vernachlässigung des Ohm'schen Spannungsabfalls an dem Widerstand 8 und des Durchlaßspannungsabfalls in der Diode den Wert der an dem nicht invertierenden Eingang anliegenden Spannung annimmt.

Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers ist weiterhin über eine in Richtung auf diesen Eingang leitende Diode 10 mit einer Eingangsklemme 17 verbunden.

Der Ausgang des Verstärkers 5 ist über einen Widerstand 11 eines Werts von beispielsweise 1 KΩ einerseits über die in Richtung auf den Verstärkerausgang leitende Diode 12 mit mit der Erde und andererseits mit der Basis des Schalttransistors 2 verbunden.

Der Stromkreis wird durch ein Rückstellnetzwerk vervollständigt, das sich aus einem Widerstand 13 und einer Zener-Diode 14 zusammensetzt, die mit dem Widerstand in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand 13 ist einerseits mit der Spannungsquelle +V und andererseits über die in Richtung mit der Erde zu diesem Widerstand leitenden Zener-Diode 14 mit der Erde verbunden. Der Verbindungspunkt 18 des Widerstands 13 mit der Zener-Diode 14 ist mit einem Rückstelleingang 15 sowie mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 5 über eine Diode 16 verbunden, die in Richtung auf den invertierenden Eingang leitet.

Die Arbeitsweise des Stromkreises ist wie folgt:

Durch den Anschluß an die Spannungsquelle +V liegt an dem nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 5 eine positive Spannung an, die von dem Verhältnis zwischen den Widerständen 6 und 7 abhängt. Gleichzeitig wird eine positive Spannung, die der der Zener- Diode 14 entspricht und zweckmäßigerweise größer als erstere ist, an den invertierenden Eingang über die Diode 16 angelegt. Dadurch liegt am Ausgang des Verstärkers 5 eine negative Spannung an, und die Spannung am nicht invertierenden Eingang wird über die Diode 9 und den Widerstand 8 auf einem negativen Wert gehalten, so daß der Verstärker 5 in einem stabilen Zustand gehalten wird, wobei an seinem Ausgang ein niedriges Spannungsniveau herrscht.

An der Basis des Transistors 2 liegt deshalb eine leicht negative Spannung (die gleich dem Spannungsabfall an der Diode 12 ist), so daß der Transistor 2 nicht leitet.

Nach einem Zeitintervall, das ausreichend lang bemessen ist, um die Versorgungsspannung zu erzeugen, wird eine Nullspannung an den Rückstelleingang angelegt, der zu Beginn ungeerdet oder an die +V-Quelle angeschlossen war. Dies kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, daß man die Rückstellklemme erdet.

Die an dem Verbindungspunkt 18 anliegende Spannung sinkt daraufhin bis auf Null ab, wo­ durch die Diode 16 ihren Sperrzustand einnimmt und sich am invertierenden Eingang eine Spannung aufbaut, die über den Widerstand 4, d. h. unter den vorstehend beschriebenen Umständen, auf Erdniveau auferlegt wird, weil der Widerstand 3 keinem Stromfluß unterworfen ist. Dessenungeachtet bleibt der Zustand des Verstärkers 5 stabil, wobei die Spanunung an dessen Ausgang negativ ist.

Unter diesen Bedingungen kann der Stromkreis seine Arbeit aufnehmen.

Die Aktivierung des Stromkreises wird durch einen positiven Impuls geeigneter Dauer (beispielsweise 100 µsec) ausgelöst, der an die Eingangsklemme 17 angelegt wird.

Durch einen derartigen Impuls wird die Spannung an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 5 auf einen positiven Wert angehoben, so daß der Verstärker ausgelöst wird und sein Ausgang ebenfalls einen positiven Wert annimmt.

Dadurch wird einerseits der Transistor 2 in einen leitenden Zustand geschaltet, und andererseits wird die Diode 9 in umgekehrter Richtung vorgespannt und sperrt dadurch die Rückkoppelungsschaltung.

Zu diesem Zeitpunkt wird, selbst wenn der Steuerimpuls auf Null abfällt, der nicht invertierende Eingang immer noch durch die positive Spannung gespeist, die durch den aus den beiden Widerständen 6 und 7 zusammengesetzten Spannungsteiler bestimmt ist, so daß der Verstärker 5 weiterhin eine positive Ausgangsspannung erzeugt.

Jedoch wird durch den in der Wicklung 1 gemäß des Exponentialgesetzes erzeugten Strom ein Spannungsabfall am Widerstand 3 bewirkt, so daß die an den invertierenden Eingang des Verstärkers angelegte Spannung exponentiell ansteigt. Sobald diese Spannung gleich der am nicht invertierenden Eingang herrschenden Spannung ist, kommutiert der als bistabiles Element arbeitende Verstärker 5 und erzeugt eine negative Ausgangsspannung. Dieser Zustand des Verstärkers wird durch diese Spannung über den Rückkoppelungsweg (Diode 9, Widerstand 8) aufrechterhalten. Folglich wird der Transistor 2 abgeschaltet und die Wicklung 1 entregt.

Von diesem Zeitpunkt an kann ein neuer Auslöseimpuls mit einer Verzögerung, die von der für den Elektromagneten 1 annehmbaren Erregungszfrequenz abhängt, an den Eingang 17 angelegt und der Elektromagnet von neuem erregt werden.

Nachfolgend wird beschrieben, wie mittels eines derartigen Stromkreises das in der Wicklung erzeugte Stromniveau und die Anlegungsdauer des Erregungsimpulses als Funktion der Schwankungen in der Versorgungsspannung modifiziert werden.

Die an den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 5 angelegte Bezugsspannung ist V _r = α · KV, wobei α das Verhältnis zwischen dem Wert der beiden Widerstände 6 und 7 ist. Wenn sich also die nicht stabilisierte Spannung V ändert, ändert sich auch die Bezugsspannung V _r.

Andererseits wird der Spannungsabfall über dem Widerstand 3 durch das Produkt i · r bestimmt, wobei i (unter Nichtberücksichtigung des Basisstroms des Transistors 2, des am Verstärkereingang aufgenommenen Stroms und des Umkehrstroms der Diode 16, die alle um einige Größenordnungen niedriger sind) der in der Wicklung fließende Strom ist.

Bekanntlich ist der in einem normalen und anfänglich entladenen Induktor fließende Strom durch die Formel:

gegeben, wobei V die anliegende Spannung (Versorgungsspannung), R der Stromkreiswiderstand, T die Zeitkonstante des Stromkreises, d. h. das Verhältnis zwischen dem induktiven Widerstand (Induktanz) L und dem Widerstand R, und t die Zeitvariable ist, die ausgehend vom anfänglichen Erregungsmoment gemessen wird.

Vorausgesetzt, daß die Bezugsspannung V _r an den Spannungsabfall i · r angeglichen wurde, läßt sich unmittelbar daraus schließen, daß die Zeit t₁, bei der die Gleichheit festgestellt wird, und somit die Dauer des Erregungsintervalls nicht von der Versorgungsspannung abhängt.

Genau das Gegenteil ist der Fall; der im Stromkreis erzeugte Strom i und somit das Magnetisierungsniveau sowie die in dem magnetischen Stromkreis gespeicherte Energie hängen proportional von einer solchen Spannung ab.

Der Elektromagnet 1 ist jedoch kein normaler Induktor (d. h. ein Induktor mit linearer Eigenschaft), sondern er unterliegt sowohl einer Sättigung als auch einem Induktanzwechsel aufgrund der Änderung in der Dicke des Luftspaltes, die die Ankerbewegung mit sich bringt, so daß das Verhalten des Stroms leicht verschieden ist.

Fig. 2 zeigt in Form eines Diagramms den sich in der Wicklung aufbauenden Strom, und weil Stromwerte berücksichtigt werden, die recht weit entfernt vom ständigen Zustandsniveau sind, ist die exponentiell aufsteigende Kurve durch Segmente geeigneter Steigung dargestellt.

Bis der Strom geringer als ein Sättigungswert I _sat ist, steigt er mit einer Steigung, die durch

bestimmt wird, wobei L von relativ hohem Wert ist.

Wenn der Stromwert den Sättigungswert übersteigt, wird die Induktanz beträchtlich reduziert; deshalb steigt die Steigung recht steil zu Beginn an und nimmt dann jedoch durch das Exponentialgesetz ab.

Die Kurven A und B zeigen das Verhalten des Stroms als Funktion von zwei verschiedenen Werten V _A und V _B der Versorgungsspannung mit V _B < V _A.

Bei höherer Zuführspannung wird das Sättigungsstromniveau in kürzeren Erregungsintervallen erreicht.

Daraus folgt, daß das von dem Augenblick, indem der Strom i in den beiden Fällen einen Wert erreicht derart, daß i · r = α V _A bzw. i · r =α V _B ist, bestimmte Erregungsintervall mit Anwachsen der Spannung V abnimmt, mindestens bis der Sättigungszustand erreicht ist, wobei dieses Intervall in Fig. 2 durch Punkte C bzw. D bestimmt ist.

Es kann analytisch nachgewiesen werden, daß durch Annähern des Stromverhaltens an gerade Segmente, wie gezeigt, die geometrische Ortsverbindung der Punkte C und D, die durch die gestrichelte Linie E dargestellt ist, eine Hyperbel ist.

Mit anderen Worten: Der dem Elektromagneten auferlegte Magnetisierungsendzustand variiert entgegengesetzt zur Erregungszeit.

Es wurde festgestellt, daß diese Art der Korrektur der Erregungszeiten und der Magnetisierungsniveaus als Funktion der Änderungen in der Versorgungsspannung auf das Verhalten des Elektromagneten mehrere günstige Auswirkungen hat:

Vom qualitativen Standpunkt aus gesehen, ist zu berücksichtigen, daß das dem Anker auferlegte Bewegungsmoment m · V (das die Druckenergie bestimmt) durch Integration der wohlbekannten Formel f = m · a erhalten wird, wobei f die Kraft, m die Masse und a die Beschleunigung ist, also

Jetzt hängt die in jedem Augenblick auf den Anker ausgeübte Anziehungskraft f von dem Flußwert ϕ, d. h. vom augenblicklichen Magnetisierungszustand, ab, der in jedem Augenblick in dem magnetischen Stromkreis induziert wird.

In grober Vereinfachung sei zum besseren Verständnis angenommen, daß die Induktanz des Stromkreises konstant bleibt. Dementsprechend kann angenommen werden, daß die augenblickliche Kraft f proportional zum Quadrat des augenblicklichen Wertes des Erregungsstroms ist. Wenn daher die Verhaltensweise A und B des Stroms unter zwei verschiedenen Versorgungsspannungsbedingungen berücksichtigt wird, ist, wenn die Erregung des Elektromagneten bei gleichem Stromniveau abgeschaltet werden sollte, das Bewegungsmoment des Ankers im Fall B geringer, als im Fall A sein würde.

Wenn im umgekehrten Fall die Erregung im Fall B bei Erreichen eines höheren Stromniveaus unterbrochen werden würde, so würde das erteilte Bewegungsmoment ebenfalls höher sein und entspräche ungefähr dem Bewegungsmoment, das unter den durch A dargestellten Versorgungsspannungsbedingungen erteilt wird.

Die quantitative Auswertung der erteilten Korrektur überschreitet den Rahmen der vorliegenden Beschreibung. Es genügt hier zu erwähnen, daß für praktische Zwecke eine derartige Korrektur den Erfordernissen entspricht, wie sie in den Fällen von mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Druck-Elektromagneten und für Spannungsänderungen im Bereich von ±20% bestehen.

Von einem anderen Standpunkt aus gesehen, kann auch beobachtet werden, daß, wenn das Integral des Quadrats des Erregungsstromes bei jedem Zyklus unabhängig von Spannungsänderungen praktisch konstant ist, die Widerstandsverluste ebenfalls bei jedem Druckzyklus konstant sind.

Dadurch ist eine optimale Dimensionierung der Wicklung möglich, die so ausgebildet sein muß, daß sie bei jedem Zyklus einen solchen Wärmeenergiewert ausstreut und nicht das Maximum eines Werts, der sich wie beim Stand der Technik als Funktion der Spannungsänderungen ändern würde.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß die Bezugsspannung (und somit der maximale Stromwert, bei dem der Transistor 2 abgeschaltet wird) gemäß einem streng proportionalen Gesetz mit den Änderungen in der Spannungszufuhr geändert wird. Es ist jedoch abhängig vom speziellen Anwendungsfall möglich, dieses Gesetz zu ändern und es besonderen Erfordernissen anzupassen, beispielsweise durch Verwenden nicht linearer elektrischer Netzwerke und Dioden, die mit dem Spannungsteiler oder dem Widerstand 3 in Reihe geschaltet sind, um feste Spannungsaufsätze einzubringen, die die Eigenschaften der eingebrachten Korrektur verringern bzw. verstärken können.

Außerdem kann der beschriebene Stromkreis durch elektrische Hilfsstromkreise vervollständigt werden, um mögliche elektrische Fehlerquellen zu ermitteln und zu identifizieren.

Claims (4)

1. Antriebsstromkreis zum Erregen einer Druck-Elektromagnetwicklung mit Stromimpulsen, die in Amplitude und Dauer gesteuert und aus einer nicht stabilisierten Spannungsquelle erhalten werden, mit:

• - einem mit der Wicklung in Reihe geschalteten, steuerbaren Schalter,
• - einem Stromdetektor zum Ermitteln des in der Wicklung fließenden Stroms und zum Liefern eines auf den Strom bezogenen Spannungssignals und
• - einem Stromkreis zum Erzeugen einer Bezugsspannung, die sich in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung ändert,
• - einer bistabilen Einrichtung zur Ansteuerung des Schalters,

dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Einrichtung durch einen Eingangsimpuls ausgelöst wird, um einen ersten von zwei elektrischen stabilen Zuständen anzunehmen, wobei die bistabile Einrichtung den ersten Zustand ungeachtet der Beendigung des Eingangsimpulses beibehält und ein dem ersten Zustand entsprechendes Ausgangssignal liefert, das den Schalter einschaltet und ihn über die gesamte Dauer, während der die bistabile Einrichtung sich in dem ersten Zustand befindet, eingeschaltet hält, wobei die bistabile Einrichtung in einen zweiten Zustand des den Schalter ausschaltenden Ausgangssignals zurückgestellt wird, wenn das Spannungssignal die Bezugsspannung übersteigt, und in diesem zweiten Zustand ungeachtet des Spannungssignals gehalten wird, wodurch die Amplitude und Dauer der Stromimpulse sich in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung verändern.

2. Antriebsstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Bezugsspannung erzeugende Stromkreis ein Spannungsteiler (6, 7) ist, der zwischen die nicht stabilisierte Spannungsquelle und Masse geschaltet ist.

3. Antriebsstromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabile Einrichtung ein Differenzverstärker (5) mit nicht invertierendem und invertierendem Eingang ist, dessen Ausgang über eine einseitig gerichtete Rückkopplungsschleife (8, 9) mit dem nicht invertierenden Eingang verbunden ist, die den zweiten Schaltungszustand des Ausgangssignals aufrechterhält, wobei der nicht invertierende Eingang den Eingangsimpuls und die Bezugsspannung empfängt, wobei der invertierende Eingang das auf den Strom bezogene Spannungssignal empfängt.