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Elektronische Schaltung zum schnellen Anzug und
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Abfall elektromagnetischer B«uelemente Die Erfindung betrifft eine
elektronische Schaltung zum schnellen Anzug und Abfall elektromagnetischer Bauelemente,
bei denen das Magnetfeld einer mit Gleichspannung zu erregenden Spule direkt oder
mittelbar über einen Anker auf die Lage mechanischer Bauteile einwirkt und die Spule
über elektronische Schaltglieder mit einer - deutlich über deren Betriebsspannung
liegenden - Versorgungsspnnnung beaufschlagt wird.
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Zum Stande der Technik gehört es, durch kurzzeitige Erhöhung der Betriebsspannung
eine Verkürzung der Stromanstiegszeit
(di/dt) zu erreichen und durch
eine entsprechende Dauer der Spannungserhöhung auch eine entsprechend erhöhte Erregung
eines Magneten zu erzielen. Damit nird auch dessen Drehmoment beziehungsweise dessen
Kraft erhönt beziehungsweise wird damit die Anzugszeit verkürzt. Um eine Zerstörung
der Wicklung durch Überhitzung zu vermeiden, darf die Überregung jedoch nur kurze
Zeit, und zwar im allgemeinen nur solange dauern, wie dies für die Funktion innerhalb
der verkürzten Anzugszeit erforderlich ist. Das heißt, daß nach dem Durchziehen
des Magneten der Strom auf einen für die jeweilige relative Einschaltdauer zulässigen
Wert herabgesetzt werden muß. Dies wird bei bekannten Schaltungen durch einen zur
Spule über eine Diode parallel geschalteten Kondensator in Verbindung mit einem
Vorwiderstand erreicht oder durch einen Vorwiderstand, der nach Durchziehen des
Magneten zugeschaltet wird. Eine weitere Möglichkeit, einen schnellen Anzug derartiger
elektromagnetischer Bauelemente zu erreichen, besteht im Einsatz einer periodischen
Schwingzngspaketsteuerung, bei der eine getriggerte Gleichspannung so auf die Spule
des Elektromagneten einwirkt, daß sich ein schneller Stromanstieg einstellt, dem
sodann eine spannungslose Pause bis zur nächsten Spannungserhöhung folgt. Innerhalb
der Pause läuft der Strom über ein Überbrückungsglied, im allgemeinen eine zur Spule
parallel geschaltete Diode, die ein Abfallen des Magneten verhindert.
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Diese periodische Schwingungspaketsteuerung, die im allgemeinen mit
der Netzfrequenz arbeitet, ist jedoch für eine Schnellschaltung nur bedingt geeignet.
Im ungünstigen Falle kann beim Einschalten einer derartigen Steuerung von vornherein
eine Totzeit von fast 10 ms entstehen.
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Diese bekannten Maßnahmen zum schnellen Ansprechen elektromagnetischer
Bauelemente wirken nicht auf die Abfallzeit dieser Bauelemente ein. Teilweise werden
durch diese Maßnahmen -beispielsweise
bei dem Freilaufkreis über
eine Diode - sogar die Abfallzeiten nocht deutlich verlängert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung anzugeben, bei der sowohl
die Anzug- wie auch die Abfallzeiten elektromagnetischer Bauelemente gegenüber den
herkömmlichen Schaltungen deutlich verkürzt werden können, wobei diese Schaltung
wirtschaftlich und mit üblichen elektrischen/elektronischen Schaltmitteln herstellbar
sein soll. Erreicht wird dies in erfindungsgemäßer Weise dadurch, daß die elektronischen
Schaltglieder beidseits der Spule des elektromagnetischen Bauelementes in den Schaltkreis
eingefügt sind und zumindest eines der Schaltglieder abhängig vom im Schaltkreis
fließenden Strom steuerbar ist, daß dieses steuerbare Schaltglied so ansteuerbar
ist, daß es bei Erreichen eines zulässigen oberen Spulenstromes ab- und vor Unterschreiten
eines zum Halten des Bauelementes in seiner Betriebslage notwendigen unteren Spulenstromes
zuschaltet und der Spule des elektromagnetischen Bauelementes eine in den Schaltpausen
des angesteuerten Schaltgliedes wirksame ttberbrückung parallelgeschaltet ist und
daß die Spule des elektromagnetlschen Bauelementes über gegenüber der Betriebsspannung
sperrende Dioden mit der Stromversorgung verbunden ist.
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Die Erfindung macht sich auch die zur Verkürzung der Anzugszeit bekannte
Versorgung der Spule der elektromagnetischen Bauelemente mit einer Erhöhung der
Erregungsspannung zunutze, wobei jedoch nach Anzug des Magneten die Spannung nicht
durch einen Vorwiderstand herabgesetzt oder lediglich getriggert wird, sondern wobei
diese erhöhte Spannung so geschaltet wird, daß der für die Erwärmung der Spule und
damit für deren Belastung maßgebende Strom innerhalb einer bestimmten zulässigen
Grenze verbleibt. Damit ist es, da die elektronischen
Schaltglieder
sehr schnell ab- und zuschalten können, möglich, eine verhältnismaßig hohe Versorgungsspannung
für die Spule des elektromagnetischen Bauelementes einzusetzen, die durchaus in
der Größenordnung des 10- bis 15-fachen der normalen Spannung liegen kann. Damit
ergeben sich selbstverständlich extrem niedrige Anzugs zeiten, da sich das Magnetfeld
der Spule sehr schnell aufbauen und damit ebenso schnell den Anker des Magneten
betätigen kann. Trotzdem ist dafür gesorgt, daß eine Überlastung der Spule ausgeschlossen
ist, da der für diese Überlastung maßgebende Spulenstrom auf einen oberen ert begrenzt
ist. Darüberhinaus kann, um das durch die konstruktiven Gegebenheiten des Magneten
maximal mögliche Magnetfeld auszunutzen, beim Einschalten des Systems ein mehrfaches
(zum Beispiel zweifach oder dreiuc) des Nennstromes als Stromsollwert vorgeschrieben
werden. Die Zeitdauer dieser Stromüberhöhung kann dabei dem i;ianetsystem durch
ein RO-Glied angepaßt werden (zum Beispiel 3 ms lang). Thermisch ergeben sich durch
diese einmalige Stromüberhöhung beim Einschalten keine Probleme, da nach dem Einschalten
der Mittelwert des Stromes deutlich unter dem Nennstrom liegen kann.
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Nach Erreichen dieses oberen Stromwertes schaltet zumindest eines
der elektronischen Schaltglieder ab, so daß der Strom nunmehr nach einer e-Funktion
über die Überbrückung abklingt.
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Nach Erreichen eines unteren Schwellenwertes wird die Versorgungsspannung
wieder zugeschaltet, so daß das Spiel von neuem beginnen kann. Die Überbrückung
kann über einen Schalttransistor, der überlappend im Gegentakt zu dem ansteuerbaren
Schaltglied liegt, geschaltet werden. Zweckmäßigerweise jedoch wird in di e die
Überbrückungsechleife eine gegenüber der Versorgungsspannung sperrende Diode gelegt,
die mit dem zweiten nicht angesteuerten Schaltglied verbunden ist. Da in diesem
Schaltkreis, vor dem nicht angesteuerten Schaltglied die
Strommessung
stattfindet, kann auch gleich der untere Schwellenwert des Stromes festgestellt
und zum Zuschalten des angesteuerten Schaltgliedes verwendet werden. Da dieses Schaltglied
erst bei der endgültigen Abschaltung wieder abschalten muß, kann hierfür zweckmäßigerweise
ein Thyristor eingesetzt werden, wobei dann der Spule des elektromagnetischen Bauelementes
eine aus einem elektronischen Schalter und einem Kondensator bestehende Löschschaltung
parallel zu schalten ist.
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Ist durch diese erfindungsgemäße Maßnahme schon eine äußerst kurze
Anzugszeit des elektromagnetischen Bauelementes erreicht, wobei trotzdem dafür gesorgt
ist, daß eine Überlastung der Spule dieses Bauelementes nicht erfolgen kann, so
ergibt sich auch durch die weitere Ausbildung des Schaltkreises eine sehr kurze
Abfallzeit. Bei der endgültigen Abschaltung des angesteuerten Schaltgliedes wird
gleichzeitig der elektronische Schalter der Löschschaltung, der ebenfall zweckmäßigerweise
aus einem Thyristor besteht, zugeschaltet, so daß nunmehr, da zu dieser Löschschaltung
die höchste Potentialdifferenz durch den aufgeladenen Kondensator besteht, der Freilaufstrom
über diese Löschschaltung läuft. Hierdurch wird der Kondensator umgeladen, wonach
der Freilaufetrom nun seinen Weg über die beiden, die Betriebsspannung sperrenden
Dioden zu den Polen der Stromversorgung findet, also gegen die Betriebsspannung
aufläuft. Hierbei kann ein zwischen die Pole der Stromversorgung eingefügter Kondensator
aufgeladen werden, wodurch dieser restliche Strom und damit auch das Magnetfeld
der Spule sehr schnell abklingt. Damit wird die maximal mögliche Spannungsbeanspruchung
ausschließlich von der praktisch konstanten Spannung des Stromversorgungs-Kondensators
bestimmt. Damit aber wiederum ist auch Gewähr dafür gegeben, daß die gegenüber Spannung
empfindlichen elektronischen Bauglieder nicht überbeansprucht werden, beziehungsweise
daß keine Spannungsreserve
bei diesen elektronischen Bauelementen
vorgesehen werden muß.
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Dies ist ein bedeutender wirtschaftlicher Faktor, da derartige, spannungsmäßig
hoch beanspruchbare, Bauelemente äußerst teuer sind.
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Die Erfindung soll anhand des beigefügten Schaltschemas erläutert
werden. Ein elektromagnetisches Bauelement S1 mit einer bestimmten Dauer-Spulenspannung
wird über ein Stromversorgungsgerät 5 mit einer deutlich über dieser Spulenspannung
liegenden Gleichspannung Uv gespeist. Der Schaltkreis wird dabei gebildet durch
eine Sckmelzsicherng ei, einen Shunt f1, einen Thyristor n1, das ele tromagr.etische
Bauelement S1 und einen Schalttransistor n3. Zwischen die Anschlußklemmen des Stromversorgungsgerätes
5 ist ein Kondensator K1 eingefügt.
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Zum Einschalten des elektroL0:netischen Bauelementes S1 wird sowohl
der Schalttransistor n3, wie auch der Thyristor n1 angesteuert, so daß beide Scliaitglieder
leitend werden. Hierdurch erhält die Spule des B uelementes S1 die Gleichspannung
Uv, wodurch das elektromagnetische Bauelement sehr schnell anzieht. Hat der über
den Shunt f1 gemessene Strom eine bestimmte zulässige obere Schivelle erreicht,
wird der Schalttransistor n3 abgeschaltet, wodurch nunmehr die Induktivität der
Spule des elektromagnetischen Bauelementes S1 den Strom durch einen Freilaufkreis
treibt, der aus einer Diode n5, der Schmelzsicherung e1, dem Shunt f1 und dem Thyristor
n1 besteht. Vor Unterschreiten eines zum Halten des Bauelementes in seiner Betriebslage
notwendigen unteren Spulenstromes, der ebenfalls durch den Shunt fl gemessen wird,
wird der Schalttransistor n3 wieder geschaltet, so daß der Strom wieder sehr schnell
seinen höchstzulässigen Wert erreicht. Danach schaltet der Schalttransistor n3 wieder
ab und das Spiel beginnt von neuem. Hervorzuheben ist, daß der Strom während des
Betriebes des elektromagnetischen Bauelementes durch den Freilaufkreis
nur
sehr langsam abklingt, so daß sich damit, in Verbindung mit der hohen Versorgungsspannung,
ein sehr günstiges Ein-/Ausschaltverhältnis des Schalttransistors n3 ergibt.
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Bei der endgültigen Ausschaltung des elektromagnetischen Bauelementes
S1 wurde der Freilauf über S1 - n5 - el - f1 - n1 -S1 eine sehr erhebliche Abfallverzögerung
erbringen. Dieser Freilaufkreis muß daher bei einem endgültigen Abschalten des elektromagnetischen
Bauelementes unterdrückt werden, was dadurch geschieht, daß gleichzeitig mit dem
Ausschaltbefehl für den Schalttransistor n3 die Einschaltung eines Lösch-Thyristors
n2 erfolgt. Da in die Löschschaltung ein Kondensator K2 eingefügt ist, und dieser
Kondensator durch Widerstände rl und r2 mit der der Versorgungsspannung entsprechenden
Polarität aufgeladen wurde, geht nunmehr der FreilauEst:-om den Weg der höchsten
Potentialdifferenz, also über den Lösch-Thyristor n? zu diesem Kondensator K2. Da
die vorherige Freilaufschleife S1 - n5 - e1 - f1 - nl - S1 nun stromlos ist, erlischt
auch der Thyristor nl. Nach Umladung des Kondensators K2 läuft nun der Freilaufstrom
über die Diode n5 und eine weitere Diode n4 af die Klemmen der Versorgungsspannung
beziehungsweise des dort befindlichen Kondensators auf, die in der Induktivität
der Spule des elektromagnetischen Bauelementes 51 gespeicherte Energie wird also
in die Stromversorgung zurückgegeben. Damit wird jedoch auch ein sehr schneller
Abbau dieses Stromes und damit auch ein entsprechend schnelles Abschalten des elektromagnetischn
Baelementes erreicht.
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Festzuhalten ist, daß diese Schaltung auch sehr betriebssicher ist,
da bei Störungen in der Ansteuerung oder bei leitend defektem Schalttransistor n3
der Strom sehr schnell ansteigt und im Millisekundenbereich (ca. 10 ms) die vorgeschaltete
Sicherung el abschmilzt. Es können damit aufwendige Überwachungseinrichtungen
entfallen.
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Die gezeigte Schaltung zeigt lediglich ein elektromagnetisches Bauelement
mit den zugehörigen Schaltgliedern. Selbstverständlich können mehrere derartige
Bauelemente mit ihren Schaltgliedern einer einzigen Stromversorgung parallel zugeschaltet
werden.
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Insgesamt ergibt sich durch die Schaltung nach der Erfindung eine
Möglichkeit, elektromagnetische Bauelemente sehr schnell zu betätigen, bei sowohl
sehr schnellem Anzug als auch sehr schnellem Abfall. Weiter ist festzuhalten, daß
bei dieser Schaltung keine unkontrollierbaren Überspannungen entstehen und daß damit
auch der Einsatz kommerzieller, preiswerter Schaltelemente möglich ist, beziehungsweise
daß keine Sonder-Schaltelemente zur Darstellung der Schaltung benötigt werden.
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Die Schaltung ist damit insgesamt auch sehr wirtschaftlich realisierbar.
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