DE3152626C1 - Elektronische Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektronische Schal­ tungsanordnungen zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes, insbesondere eines Schützes oder Relais, wo­ bei das elektromagnetische Bauelement in Reihe mit einem Schalttransistor und einem Meßwiderstand liegt, ein dem Strom durch das Bauelement entsprechendes Stromistwertsi­ gnal am Meßwiderstand abgreifbar und einem Komparator zu­ führbar ist, dem Komparator ein dem Stromsollwert entspre­ chendes Stromsollwertsignal für den Anzugsstrom sowie ein dem reduzierten Stromsollwert entsprechendes Stromsollwert­ signal für den Haltestrom zuleitbar sind und der Schalt­ transistor über den Komparator angesteuert wird, falls das Stromistwertsignal das Stromsollwertsignal unterschreitet. Eine derartige elektronische Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 25 13 043 bekannt.

Elektromagnetische Bauelemente, wie Schaltrelais und Schütze, sind in zahlreichen Ausführungsvarianten allgemein bekannt. Derartige Schaltgeräte bestehen aus einem Joch mit einer oder mehreren Spulen und aus einem Anker, der nach Anlegen einer Steuerspannung an die Spule vom Joch magne­ tisch angezogen wird und hierdurch Schaltkontakte betätigt.

Aus der eingangs erwähnten DE-OS 25 13 043 ist eine Schal­ tung zum Gleichstrombetrieb für Schütze oder Relais be­ kannt, bei der die Speisespannung über einen elektronischen Schalter impulsweise an die Erregerspule gelegt wird. Fre­ quenz und/oder Dauer der Impulse werden durch Vergleich ei­ ner dem Erregerstrom proportionalen Spannung mit einer Re­ ferenzspannung bestimmt. Die Referenzspannung wird nach ei­ ner Ausführungsform durch ein einstellbares Zeitglied für eine Zeit länger als die Dauer der Anzugsphase von dem zum Halten erforderlichen Wert auf oder über den zum Anziehen erforderlichen Wert angehoben. In der Veröffentlichung wird auch schon allgemein darauf hingewiesen, daß der Zeitpunkt der Veränderung der Referenzspannung von der Induktivi­ tätsänderung der Erregerspule beim Schließen des Luftspal­ tes abhängig gemacht werden kann.

Auch aus der DE-OS 24 25 585 ist eine Anordnung zum schnel­ len und verlustarmen Schalten von Induktivitäten bekannt. Dabei ist die zu schaltende Induktivität in Reihe mit einem Schalttransistor und einem Meßwiderstand geschaltet, wobei der Meßwiderstand einen Stromistwert an eine Vergleichs­ stufe abgibt. Die Vergleichsstufe empfängt des weiteren einen Stromsollwert und steuert den Schalttransistor in Ab­ hängigkeit der auftretenden Regelabweichung über eine Trei­ berstufe an. Hier ist nicht vorgesehen, verschieden hohe Stromsollwerte für den Anzugsstrom bzw. den Haltestrom vor­ zugeben.

Aus der DE-OS 26 01 799 ist eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines Elektromagnetsystems bekannt, dem ein elektronisches Schaltelement in Reihe liegt. Es ist ein den Augenblickswert des Betriebszustandes des Elektromagnetsy­ stems erfassender Fühler vorgesehen, dessen Signale das elektronische Schaltelement beeinflussen. Infolge der Be­ einflussung des elektronischen Schaltelementes durch die Signale des Fühlers kann die Erregerleistung des Elektroma­ gnetsystems entsprechend dem Augenblickswert des Betriebs­ zustandes geändert werden. Zur Bestimmung des Augenblicks­ wertes des Schaltzustandes wird die Feldstärke, der Weg, die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder der Strom im Magnetsystem aufgenommen.

Aus der GB-PS 20 25 183 sind ein Verfahren und eine Ein­ richtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Verbrauchers bekannt, insbesondere eines Einspritzventils in Brennkraft­ maschinen. Dabei ist vorgesehen, einem elektromagnetischen Verbraucher zu Beginn eines Betätigungssignales einen hohen und anschließend einen reduzierten Strom zuzuführen. Die Stromzufuhr zum Verbraucher soll dabei nach Erreichen einer bestimmten Stromstärke getaktet und/oder geregelt werden. Der Schaltpunkt der Stromzuführung während des Taktens soll strom- und/oder zeitabhängig sein.

Aus der US-PS 39 09 681 ist eine Ansteuerschaltung für einen Elektromagnet eines Hochgeschwindigkeitsdruckers be­ kannt. Dabei wird der Spulenstrom erfaßt und die Stromver­ sorgung wird bei Erreichen eines vorgebbaren Wertes (Magnetkern geht in die Sättigung) abgeschaltet.

In der DE-OS 31 29 610 ist eine Steuerschaltung für Stell­ glieder beschrieben, bei der ein Stromgrenzwertschalter (hysteresebehafteter Komparator) vorgesehen ist, durch den ab einem festlegbaren Grenzwert eine getaktete Steuerspan­ nung dem Stellglied zugeführt wird. Durch die Einstellung des Taktverhältnisses kann der Mittelwert des Stromes durch das Stellglied konstant gehalten werden.

Aus der DE-OS 29 07 200 und der DE-OS 28 28 678 sind Ver­ fahren und Einrichtungen zum Betrieb elektromagnetischer Verbraucher bekannt, insbesondere von Einspritzventilen in Brennkraftmaschinen. Beide Schriften führen aus, in welcher Art und Weise die Spannungsversorgung der Spule geschaltet wird, um von einem hohen Anzugsstrom auf einen abgesenkten Haltestrom umzuschalten, wobei der Haltestrom in einem Be­ reich zwischen einem unteren und einem oberen Wert geregelt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektroni­ sche Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektroma­ gnetischen Bauelementes der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vom Schaltzustand des Bauelementes abhängige Umschaltung des Stromsollwertes vom Wert für den Anzugstrom auf den Wert für den Haltestrom weitgehend unab­ hängig von der dem Bauelement zugeführten Versorgungsspan­ nung erfolgt.

Diese Aufgabe wird gemäß einer ersten Variante erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß der Schalttransistor getaktet mit konstanter Einschaltdauer angesteuert wird, wobei dem Kom­ parator ein die konstante Einschaltdauer des Schalttransi­ stors bewirkende monostabiles Kippglied nachgeschaltet ist, daß ein Subtrahierer zur Bildung eines Wechselanteiles des Stromistwertsignales vorgesehen ist, dem eingangsseitig das Stromistwertsignal und das Stromsollwertsignal anliegen, daß dem Subtrahierer ein Scheitelwertmesser zur Bildung des Scheitelwertsignales des Wechselanteiles des Stromistwert­ signals nachgeschaltet ist und daß dieses Scheitelwertsi­ gnal einem Sollwertgeber zuführbar ist, der ausgangsseitig die verschiedenen Stromsollwertsignale für den Anzugsstrom bzw. den Haltestrom in Abhängigkeit von der Höhe des gebil­ deten Scheitelwertsignales abgibt.

Diese Aufgabe wird gemäß einer zweiten Variante erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß der Schalttransistor getaktet mit variabler Einschaltdauer angesteuert wird, daß eine Zeiter­ fassungseinrichtung zur Ermittlung der jeweiligen Ein­ schaltdauer des Schalttransistors vorgesehen ist, die je­ weils zur Erreichung eines dem Stromsollwert entsprechenden Stromistwertes erforderlich ist, und daß der Zeiterfas­ sungseinrichtung ein Sollwertgeber nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig die verschiedenen Stromsollwertsignale für den Anzugsstrom bzw. den Haltestrom in Abhängigkeit von der Länge der Einschaltdauer des Schalttransistors abgibt.

Bei beiden Varianten erfolgt die Umschaltung des Stromsoll­ wertes vom Wert für den Anzugsstrom auf den Wert für den Haltestrom in Abhängigkeit von der Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes in dem Bauelement. Bei der ersten Variante ist die Einschaltdauer des Schalttransistors pro Takt fest vor­ gegeben und die Stromsollwertumschaltung erfolgt in Abhän­ gigkeit von dem während der Einschaltdauer des Schalttran­ sistors auftretenden Scheitelwert des Wechselanteils des Stromistwertsignales. Bei der zweiten Variante ist der Schalttransistor pro Takt so lange eingeschaltet, bis der Stromistwert gleich ist dem vorgegebenen Stromsollwert und die Sollwertumschaltung erfolgt in Abhängigkeit von der erforderlichen Ein­ schaltdauer des Schalttransistors.

Bei diesen Schaltungsanordnungen ist der Einfluß der Versorgungsspannung auf den Spulenstrom unterdrückt, so daß eine weitgehende Unabhängigkeit von der Versorgungs­ spannung erreicht wird. Im theoretischen Fall gilt als untere Spannungsgrenze für die Versorgungsspannung nur die Minimalspannung der Elektronikversorgung, z. B. ca. 5 V Gleichspannung und als obere Spannungsgrenze die maximale Spannungsbelastbarkeit der elektronischen Bau­ elemente, z. B. ca. 1000 V Gleichspannung. Hierdurch kann die aufgrund der verschiedenen Versorgungsspannungen (Erregerspannungen, Steuerspannungen) hervorgerufene Typenvielfalt bei elektromagnetischen Bauelementen, ins­ besondere Schaltgeräten, drastisch reduziert werden. Für den gesamten Spannungsbereich zwischen 5 V und 1000 V kann beispielsweise das gleiche Schaltgerät eingesetzt wer­ den, wobei stets ein sicheres Anziehen des Ankers ge­ währleistet ist.

An den Anschlüssen für die Versorgungsspannung tritt keine induktive Schaltspannung auf. Die Leistungsauf­ nahme im eingeschalteten Zustand des Schaltgerätes im Falle eines gleichstrombetätigten Schaltgerätes mit der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsanordnung wird deutlich reduziert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend an Hand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes, wobei der magnetische Fluß im Bauelement auf einen konstanten Wert geregelt wird, d. h., der Übergang von dem Haltestrom erfolgt fließend,

Fig. 2 und 3 elektronische Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes, wobei zwischen einem erhöh­ ten Anzugsstrom und einem niedrigeren Haltestrom umgeschaltet wird.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer elektro­ nischen Schaltungsanordung zur Ansteuerung eines elek­ tromagnetischen Bauelementes dargestellt. Ein Schalt­ transistor 1 (pnp-Typ) liegt über seinen Emitter an ei­ ner schaltbaren Versorgungsspannung U_v und ist über sei­ nen Kollektor mit einem elektromagnetischen Bauelement 2 (z. B. Spule eines Schaltrelais, Drossel usw.) sowie mit der Kathode einer Freilaufdiode 4 verbunden, deren Anode an Masse liegt. Das elektromagnetische Bauelement 2 weist einen ohmschen Widerstand R₁ und eine Induktivität L auf. Das elektromagnetische Bauelement 2 ist anderer­ seits direkt an einen Meßwiderstand R₂ (Shunt) ange­ schlossen.

Der Stromistwert U(I_ist) wird am gemeinsamen Verbin­ dungspunkt von elektromagnetischem Bauelement 2 und Meß­ widerstand R₂ als Spannungswert abgegriffen und dem er­ sten Eingang eines Komparators 5 zugeleitet. Der zweite Eingang des Komparators 5 wird mit dem Stromsollwert U(I_{soll 2}) beaufschlagt. Der Komparator 5 vergleicht Stromsollwert und Stromistwert und steuert ausgangssei­ tig direkt den Schalttransistor 1 immer dann an, wenn der Stromistwert U(I_ist) den Stromsollwert U(I_{soll 2}) unterschreitet.

Es ist ein Spannungsteiler 10 mit Widerständen R₅, R₆ vorgesehen, der zwischen Versorgungsspannung +U_v und Masse geschaltet ist. Das Widerstandsverhältnis R₅/R₆ entspricht dabei dem Verhältnis R₁/R₂. Am gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R₅, R₆ wird der Span­ nungswert R₂/(R₁+ R₂)·U_v abgegriffen und dem ersten Eingang eines Subtrahierers 14 zugeleitet. Der zweite Eingang des Subtrahierers 14 wird mit dem Stromsollwert U(I_{soll 1}) beaufschlagt. Der Subtrahierer 14 bildet die Differenzspannung U_D = R₂/(R₁+ R₂)·U_v- U(I_{soll 1}) und leitet diesen Wert dem ersten Eingang eines steuer­ baren Addierers 15 zu. Die Differenzspannung U_D ent­ spricht dabei der Spannung U_v abzüglich dem ohmschen Spannungsabfall über den Widerständen R₁, R₂ im Ein­ schaltmoment von Schalter 1. Der Spannungsteiler 10 dient dabei zur Anpassung der Versorgungsspannung U_v an den Wert U(I_{soll 1}).

Der zweite Eingang des steuerbaren Addierers 15 wird mit dem Stromsollwert U(I_{soll 1}) beaufschlagt. Der Steuer­ eingang des Addierers 15 ist mit dem Ausgang des Kompa­ rators 5 verbunden. Der steuerbare Addierer 15 gibt im­ mer dann einen Stromsollwert U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1}) ausgangsseitig ab, wenn der Schalttransistor 1 sperrt, d. h., wenn U(I_ist) größer als U(I_{soll 2}) ist, und gibt immer dann einen Stromsollwert
U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1})+U_D ausgangsseitig ab, wenn der Schalttransistor 1 leitet, d. h. wenn U(I_ist) kleiner als U(I_{soll 2}) ist.

Das Ausgangssignal des Komparators 5 wird dem Eingang einer Zeiterfassungseinrichtung 16 zugeleitet. Die Zeit­ erfassungseinrichtung 16 ermittelt die variable Ein­ schaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 und führt die­ sen Wert einem Sollwertgeber 17 zu. Der Sollwertgeber 17 gibt ausgangsseitig den Stromsollwert U(I_{soll 1}) in Ab­ hängigkeit der Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 ab. Dieser Stromsollwert U(I_{soll 1}) wird, wie bereits erwähnt, dem Subtrahierer 14 und dem steuerbaren Addie­ rer 15 zugeleitet.

Zwischen Zeiterfassungseinrichtung 16 und Sollwertgeber 17 kann gegebenenfalls ein Glättungsglied (z. B. PT₁- Glied) zur Mittelwertbildung geschaltet werden.

Zwischen dem magnetischen Fluß Φ im elektromagnetischen Bauelement 2 und dessen Induktivität L besteht folgende Beziehung: Φ = L·I/n.
Hierbei ist mit n die Windungsanzahl im elektromagneti­ schen Bauelement 2 (Spule, Drossel) bezeichnet, die ei­ nen konstanten Faktor darstellt. Mit Hilfe der elek­ tronischen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 wird durch meßtechnische Erfassung der Induktivität L der Strom I₁ + I₄ durch das Bauelement 2 so geregelt, daß unab­ hängig von der Versorgungsspannung U_v der magnetische Fluß Φ konstant bleibt. Die Induktivität L ändert sich, je nachdem ob der Anker des als Schaltgerät ausgeführten Bauelementes 2 angezogen ist oder nicht. Die Induktivi­ tät ändert sich ferner bei Sättigung des Magnetwerkstof­ fes von Joch und Anker des Bauelementes 2. Für den den Summenstrom I₁ + I₄ nachbildenden Stromistwert U(I_ist) gilt zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransi­ stors 1:
U(I_ist) = U(I_{soll 2}) + U_D/R_ges(1-e^{-t/ τ )}, d. h. der Wechselstromanteil U(i) = U_D/R_ges(1-e^{-t/ τ )} für den Einschaltvorgang, wobei mit R_ges = R₁ + R₂ der gesamte Widerstand des Stromkreises und mit τ die Zeitkonstante τ = L/R_ges bezeichnet sind.

Für den Stromanstieg zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransistors 1 ist die Differenzspannung U_D von Bedeutung, die der Spannung U_v abzüglich dem ohmschen Spannungsabfall über den Widerständen R₁, R₂ zum Ein­ schaltmoment des Schalters 1 entspricht. Der Einfluß der Differenzspannung U_D läßt sich in großem Maße eliminie­ ren, indem der Scheitelwert U() des Wechselstromanteils U(i) auf eine Größe ausgeregelt wird, die proportional zur Differenzspannung U_D ist.

Bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 verändert sich die Zeitkonstante τ in Abhängigkeit von L und die Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 wird nachgeführt.

Der Sollwertgeber 17 gibt dabei einen hohen Stromsoll­ wert U(I_{soll 1}) ab, wenn die Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 klein ist und er gibt einen kleinen Stromsollwert U(I_{soll 1}) ab, wenn die Einschaltdauer t_ein groß ist, d. h. der Sollwertgeber 17 verändert kon­ tinuierlich oder in einzelnen Stufen den Stromsollwert U(I_{soll 1}) in Abhängigkeit von der über die Zeiterfas­ sungseinrichtung 16 ermittelten Einschaltdauer t_ein.

Der Stromsollwert U(I_{soll 1}) wird dem Komparator 5 über den steuerbaren Addierer 15 während der Sperrzeiten des Schalttransistors 1 direkt vorgegeben, d. h. während der Sperrzeiten des Transistors 1 gilt
U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1}).

Der Transistor 1 wird über den Komparator 5 durchge­ steuert, wenn
U(I_ist) (I_{soll 1}).

Nach dem Einschalten des Transistors 1 wird der dem Kom­ parator 5 zugeführte Stromsollwert U(I_{soll 2}) mittels des steuerbaren Addierers 15 erhöht und es gilt
U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1}) + U_D.

Erreicht der Stromistwert U(I_ist) den erhöhten Strom­ sollwert U(I_{soll 1}) + U_D, so wird der Transistor 1 ge­ sperrt und gleichzeitig wird der Stromsollwert U(I_{soll 2}) wieder auf den geringeren Wert U(I_{soll 1}) um­ geschaltet. Auf diese Weise ergibt sich eine Regel­ charakteristik mit Hysterese.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer elektro­ nischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elek­ tromagnetischen Bauelementes dargestellt. Der Schalt­ transistor 1 wird wiederum über seinen Emitter mit der Versorgungsspannung +U_v beaufschlagt und ist über seinen Kollektor mit dem elektromagnetischen Bauelement 2 sowie mit der Freilaufdiode 4 verbunden. Das elektromagneti­ sche Bauelement 2 ist über den Meßwiderstand R₂ wiederum direkt an Masse angeschlossen.

Der Stromistwert U(I_ist) wird am gemeinsamen Verbin­ dungspunkt von elektromagnetischem Bauelement 2 und Meß­ widerstand R₂ als Spannungswert abgegriffen und dem er­ sten Eingang eines Komparators 18 zugeführt. Der zweite Eingang des Komparators 18 wird mit dem Stromsollwert U(I_soll) beaufschlagt. Der Komparator 18 vergleicht die Werte U(I_ist) und U(I_soll) und steuert ausgangsseitig das monostabile Kippglied 6 immer dann an, wenn
U(I_ist) U(I_soll).

Das monostabile Kippglied 6 steuert nach Triggerung durch den Komparator 18 ausgangsseitig den Schalttran­ sistor 1 mit einer konstanten Einschaltdauer t_ein an.

Es ist wiederum ein zwischen +U_v und Masse geschalteter Spannungsteiler 10 mit den Widerständen R₅, R₆ vorgese­ hen. Am gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R₅, R₆ wird die Spannung R₂/(R₁ + R₂) U_v abgegriffen und dem ersten Eingang eines Subtrahierers 19 zugeleitet.

Der zweite Eingang des Subtrahierers 19 wird mit dem Stromsollwert U(I_soll) beaufschlagt. Der Subtrahierer 19 bildet die Differenzspannung
U_D = R₂/(R₁+ R₂)·U_v-U(I_soll)
und leitet diesen Wert an den ersten Eingang eines Soll­ wertgebers 20.

Der zweite Eingang des Sollwertgebers 20 wird mit dem Scheitelwert U() des Wechselstromanteiles des Stromist­ wertes beaufschlagt. Der Sollwertgeber 20 vergleicht die beiden Eingangssignale und gibt immer dann einen Strom­ sollwert U(I_soll) = U(I_{soll 1}) ausgangsseitig ab, wenn U() < U_D, sowie immer dann einen Stromsollwert U(I_soll) = U(I_{soll 2}) ausgangsseitig ab, wenn U() < U_D. Der Stromsollwert U(I_soll) wird dem Kompara­ tor 18, dem Subtrahierer 19 sowie dem ersten Eingang eines Subtrahierers 21 zugeführt.

Der zweite Eingang des Subtrahierers 21 wird mit dem Stromistwert U(I_ist) beaufschlagt. Der Subtrahierer 21 bildet die Differenz U(i) = U(I_ist)-U(I_soll) und führt diesen Wechselstromanteil U(i) des Stromistwertes dem Scheitelwertmesser 13 zu.

Bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 wird der magnetische Fluß Φ im elektromagnetischen Bau­ element 2 nicht mehr auf einen konstanten Wert ausgere­ gelt, sondern es wird der augenblickliche Zustand des elektromagnetischen Bauelementes 2 (Schaltzustand des Schaltrelais) erfaßt und der Stromsollwert U(I_soll) wird entsprechend dem Zustand des Bauelementes 2 zwischen zwei verschieden hohen Werten umgeschaltet. Dabei wird die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes im elektromagne­ tischen Bauelement 2 ausgewertet, die ein Maß für die Induktivität L des Bauelementes 2 ist und damit eine Aussage über den augenblicklichen Zustand des elektroma­ gnetischen Bauelementes 2 erlaubt. Die Einflüsse einer sich ändernden Versorgungsspannung U_v und eines sich ändernden ohmschen Spannungsabfalles über R₁ und R₂ in­ folge eines sich ändernden Stromsollwertes oder einer Widerstandsänderung aufgrund einer Temperaturänderung werden vorteilhaft ausgeschaltet. Der Einfluß einer Wi­ derstandsänderung von R₁ aufgrund einer Temperaturän­ derung wird bei der Festlegung des Referenzwertes für den Sollwertgeber 20 berücksichtigt.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ist die Ein­ schaltdauer t_ein des über den Komparator 18 getriggerten monostabilen Kippgliedes 6 konstant. Die Bewertung des Zustandes (Schaltzustandes) des elektromagnetischen Bau­ elementes (Schaltrelais) 2 erfolgt über den Scheitelwert U() des Wechselstromanteiles U(i) des erfaßten Strom­ istwertes U(I_ist). Dabei wird davon ausgegangen, daß bei konstanter Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 der Scheitelwert U() des Wechselstromanteils U(i) ab­ hängig von der Induktivität L des Bauelementes 2 und der Differenzspannung U_D ist. Die Differenzspannung U_D, die wiederum der Spannung U_v abzüglich der Spannungsabfälle über R₁, R₂ entspricht, geht dabei proportional in die Höhe des Scheitelwertes U() ein.

Für die Auswertung des Zustandes des Bauelementes 2 gibt die Differenzspannung U_D die Referenz für den Scheitel­ wert U() vor. Der Sollwertgeber 20 vergleicht die bei­ den Größen U_D und U(). Ist das elektromagnetische Bau­ element (Schaltrelais) 2 nicht angezogen, so ist die Induktivität L gering, d. h. der Scheitelwert U() groß und überschreitet die Differenzspannung U_D. Deshalb wird ein hoher Stromsollwert U(I_{soll 1}) als Anzugsstrom vom Sollwertgeber 20 vorgegeben. Ist das elektromagnetische Bauelement (Schaltrelais) 2 angezogen, so ist die Induk­ tivität L groß, d. h. der Scheitelwert U() gering. Der Referenzwert U_D wird vom Scheitelwert U() nicht mehr erreicht und der Sollwertgeber 20 gibt einen reduzierten Stromsollwert U(I_{soll 2}) als Haltestrom vor.

In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform einer elektro­ nischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elek­ tromagnetischen Bauelementes dargestellt. Diese Ausfüh­ rungsform ist im wesentlichen gleichartig aufgebaut wie die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, nur ist bei der Anordnung gemäß Fig. 3 der Sollwertgeber 17 ersetzt durch einen Sollwertgeber 22.

Der erste Eingang des Sollwertgebers 22 wird mit der von der Zeiterfassungseinrichtung 16 ermittelten Einschalt­ dauer t_ein des Schalttransistors 1 beaufschlagt. Der zweite Eingang des Sollwertgebers 22 wird mit einer Re­ ferenzzeit t_ref beaufschlagt. Der Sollwertgeber 22 ver­ gleicht die Werte von t_ref und t_ein und gibt immer dann einen Stromsollwert U(I_{soll 1}) = U(I_{soll 1′′}) ausgangs­ seitig ab, wenn t_ein < t_ref. Der Sollwertgeber 22 gibt immer dann einen Stromsollwert U(I_{soll 1}) = U(I_{soll 1′}) ab, wenn t_ein < t_ref.

Bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 wird ebenfalls der magnetische Fluß Φ im elektromagne­ tischen Bauelement 2 nicht auf einen konstanten Wert ausgeregelt, sondern es wird der augenblickliche Zustand des elektromagnetischen Bauelements 2 erfaßt und der Stromsollwert wird entsprechend dem Zustand des Bauele­ ments 2 zwischen zwei verschieden hohen Werten umge­ schaltet. Dabei wird der Scheitelwert U() des Wechsel­ stromanteils U(i) fest vorgegeben und die Bewertung des Zustandes des elektromagnetischen Bauelementes 2 erfolgt über die Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1.

Die Differenzspannung U_D zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransistors 1 gibt die Referenz für den Schei­ telwert U() des Wechselstromanteiles vor. Da der Schei­ telwert U() bei konstantem Gesamtwiderstand R₁ + R₂, konstanter Induktivität L und konstanter Einschaltdauer t_ein proportional zur Differenzspannung U_D ist, sind damit die Einflüsse einer sich verändernden Versorgungs­ spannung U_v und eines sich verändernden Spannungsabfalls über R₁, R₂ durch Veränderung des Stromsollwertes ausge­ schaltet. Bei einer derartigen Änderung von U_v und I_soll ändert sich ebenfalls die Differenzspannung U_D und damit proportional hierzu der Scheitelwert U(). Der Einfluß einer Widerstandsänderung von R₁ aufgrund einer Tempe­ raturerhöhung wird bei der Festlegung des Referenzwertes für den Sollwertgeber 22 berücksichtigt.

Bei noch nicht angezogenem elektromagnetischen Bauele­ ment (Schaltrelais) 2 ist die Induktivität L klein. Da­ mit steigt der Strom im Bauelement 2 stark an und die Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 ist gering. Die Einschaltdauer t_ein erreicht die vorgegebene Refe­ renzzeit t_ref nicht und der Sollwertgeber 22 gibt folg­ lich einen erhöhten Stromsollwert U(I_{soll 1}) als Anzugs­ strom ab. Bei angezogenem elektromagnetischen Bauelement (Schaltrelais) 2 steigt der Strom im Bauelement 2 wegen der großen Induktivität L nur schwach an und die Ein­ schaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 ist groß. Die Einschaltdauer t_ein überschreitet die vorgegebene Refe­ renzzeit t_ref und der Sollwertgeber 22 gibt folglich einen reduzierten Stromsollwert U(I_{soll 1}) als Halte­ strom ab. Die Einschaltdauer t_ein des Schalttransistors 1 wird also jeweils über die Zeiterfassungseinrichtung 16 ermittelt und der Sollwertgeber 22 gibt je nach mo­ mentan vorliegender Einschaltdauer t_ein einen dem Schaltzustand des elektromagnetischen Bauelements 2 an­ gepaßten Stromsollwert vor.

Dieser vom Sollwertgeber 22 vorgegebene Stromsollwert U(I_{soll 1}) wird jeweils dem Subtrahierer 14 und dem steuerbaren Addierer 15 zugeleitet. Der Subtrahierer 14 subtrahiert den Stromsollwert U(I_{soll 1}) von der bewer­ teten Versorgungsspannung R₂/(R₁ + R₂)·U_v und bildet auf diese Weise die Differenzspannung U_D im Einschalt­ augenblick des Schalttransistors 1. Bei durchgeschalte­ tem Schalttransistor 1 wird dem Komparator 5 ein erhöh­ ter Stromsollwert U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1}) + U_D zugelei­ tet. Dieser erhöhte Stromsollwert von U(I_{soll 2}) be­ stimmt den Scheitelwert U() des Wechselstromanteiles, d. h. der Scheitelwert U() ist proportional der Diffe­ renzspannung U_D.

Erreicht der Strom U(I_ist) den Wert
U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1}) + U_D,
so sperrt der Komparator 5 den Schalttransistor 1 und der steuerbare Addierer 15 gibt dem Komparator 5 gleich­ zeitig den reduzierten Stromsollwert
U(I_{soll 2}) = U(I_{soll 1}) für den folgenden Einschaltau­ genblick des Schalttransistors 1 vor.

Zusammenfassend ist zu den elektronischen Schaltungs­ anordnungen gemäß Fig. 2 und 3 festzustellen, daß bei diesen Anordnungen der zum sicheren Anziehen eines Schaltrelais notwendige hohe Anzugsstrom nach Anzug des Relais auf einen niedrigeren Haltestrom abgesenkt wird. Dies ermöglicht das Betreiben eines Wechselstrom-Schalt­ relais an Gleichstrom, sowie einen verlustleistungsarmen Betrieb des Schaltrelais. Für eine sichere Betriebsweise erfolgt die Absenkung von Anzugsstrom auf den Haltestrom nur dann, wenn das Schaltrelais sicher angezogen hat. Die Erfassung des Schaltzustandes des Relais erfolgt in beiden Fällen (Fig. 2, 3) durch Auswertung der unter­ schiedlichen magnetischen Induktion der Relaisspule (= elektromagnetisches Bauelement 2) im angezogenen und im nichtangezogenen Zustand durch meßtechnische Erfas­ sung der Zeitkonstanten der Relaisspule.

Durch Vorschalten einer Graetz-Brückenschaltung können alle beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnungen auch mit einer Wechselspannung als Versorgungsspannung U_v betrieben werden, wodurch sich der Nachteil der An­ schlußpolarität aufhebt und sich weitere Vorteile erge­ ben. Der magnetische Kreis weist keine Kurzschlußringe mehr auf, wodurch sich das Bauvolumen verkleinert. Der Anker weist auch bei Steuerspannungsnulldurchgang (Ver­ sorgungsspannung) eine konstante Anzugskraft auf, so daß der übliche Brummton verschwindet. Schließlich wird die durch die Unterscheidung gleichstrombetätigte Schaltge­ räte - wechselstrombetätigte Schaltgeräte nötige Typen­ vielfalt um die Hälfte reduziert.

Mit den erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsan­ ordnungen ist es weiterhin in einfacher Weise möglich, gewünschte Zeitfunktionen, wie z. B. Einschaltverzöge­ rungen oder Ausschaltverzögerungen zu realisieren.

Die Erfindung wird verwendet zur Ansteuerung von Schalt­ relais und Drosseln und zur Überwachung des Schaltzu­ standes von Schaltrelais, ferner zur meßtechnischen Er­ mittlung der augenblicklichen Induktivität von elek­ tromagnetischen Bauelementen bei Gleichstrombelastung, wie z. B. Sättigung von Drosseln.

Claims (6)

1. Elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes (2), insbesondere eines Schützes oder Relais, wobei das elektromagnetische Bauelement (2) in Reihe mit einem Schalttransistor (1) und einem Meßwiderstand (R2) liegt, ein dem Strom durch das Bauelement entsprechendes Stromistwertsignal (U(I_ist)) am Meßwiderstand (R2) abgreifbar und einem Komparator (18) zu­ führbar ist, dem Komparator (18) ein dem Stromsollwert ent­ sprechendes Stromsollwertsignal (U(I_soll)) für den Anzugs­ strom sowie ein dem reduzierten Stromsollwert entsprechen­ des Stromsollwertsignal (U(I_soll)) für den Haltestrom zu­ leitbar sind und der Schalttransistor (1) über den Kompara­ tor (18) angesteuert wird, falls das Stromistwertsignal (U(I_ist)) das Stromsollwertsignal (U(I_soll)) unterschrei­ tet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (1) getaktet mit konstanter Einschaltdauer angesteuert wird, wobei dem Komparator (18) ein die konstante Einschaltdauer des Schalttransistors (1) bewirkendes monostabiles Kippglied (6) nachgeschaltet ist, daß ein Subtrahierer (21) zur Bildung eines Wechselanteiles (U(i)) des Stromist­ wertsignales (U(I_ist)) vorgesehen ist, dem eingangsseitig das Stromistwertsignal (U(I_ist)) und das Stromsollwertsi­ gnal (U(I_soll)) anliegen, daß dem Subtrahierer (21) ein Scheitelwertmesser (13) zur Bildung des Scheitelwertsigna­ les (U()) des Wechselanteiles (U(i)) des Stromistwertsi­ gnals (U(I_ist)) nachgeschaltet ist und daß dieses Scheitel­ wertsignal (U()) einem Sollwertgeber (20) zuführbar ist, der ausgangsseitig die verschiedenen Stromsollwertsignale (U(I_soll)) für den Anzugsstrom bzw. den Haltestrom in Ab­ hängigkeit von der Höhe des gebildeten Scheitelwertsignales (U()) abgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sollwertgeber (20) das Scheitelwert­ signal (U()) mit einem Differenzsignal (U_D) vergleicht, wobei zur Bildung dieses Differenzsignales (U_D) ein Sub­ trahierer (19) vorgesehen ist, dem eingangsseitig das Stromsollwertsignal (U(I_soll)) und ein Referenzsignal zuführbar ist.

3. Elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes (2), insbesondere eines Schützes oder Relais, wobei das elektromagnetische Bauelement (2) in Reihe mit einem Schalttransistor (1) und einem Meßwiderstand (R2) liegt, ein dem Strom durch das Bauelement entsprechendes Stromistwertsignal (U(I_ist)) am Meßwiderstand (R2) abgreifbar und einem Komparator (5) zu­ führbar ist, dem Komparator (5) ein dem Stromsollwert ent­ sprechendes Stromsollwertsignal (U(I_{soll 2})) für den Anzugs­ strom sowie ein dem reduzierten Stromsollwert entsprechen­ des Stromsollwertsignal (U(I_{soll 2})) für den Haltestrom zu­ leitbar sind und der Schalttransistor (1) über den Kompa­ rator (5) angesteuert wird, falls das Stromistwertsignal (U(I_ist)) das Stromsollwertsignal (U(I_{soll 2})) unterschrei­ tet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (1) getaktet mit variabler Einschaltdauer angesteuert wird, daß eine Zeiterfassungseinrichtung (16) zur Ermittlung der jeweiligen Einschaltdauer (t_ein) des Schalttransistors (1) vorgesehen ist, die jeweils zur Erreichung eines dem Strom­ sollwert entsprechenden Stromistwertes erforderlich ist, und daß der Zeiterfassungseinrichtung (16) ein Sollwertge­ ber (17, 22) nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig die ver­ schiedenen Stromsollwertsignale (U(I_{soll 1})) für den Anzugs­ strom bzw. den Haltestrom in Abhängigkeit von der Länge der Einschaltdauer (t_ein) des Schalttransistors (1) abgibt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Sollwertgeber (22) eine Referenzzeit (t_ref) vorgegeben ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schalttransistors (1) steuerbarer Addierer (15) zur Strom­ sollwertsignalbildung (U(I_{soll 2})) vorgesehen ist, dem ein­ gangsseitig das Stromsollwertsignal (U(I_{soll 1})) des Soll­ wertgebers (17, 22) sowie ein zwischen letztem Stromsoll­ wertsignal (U(I_{soll 1})) und einem Referenzsignal auftreten­ des Differenzsignal (U_D) anliegen.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Refe­ renzsignales ein Spannungsteiler vorgesehen ist, dessen Teilerverhältnis (R5/R6) proportional zum Verhältnis zwi­ schen den ohmschen Widerständen des elektromagnetischen Bauelementes (R1) und des Meßwiderstandes (R2) ist und der mit der auch dem Schalttransistor (1) zugeführten Versor­ gungsspannung (U_v) beaufschlagt wird.