DE3623908A1 - Steuerschaltung fuer die magnetspule eines elektromagneten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für die Magnetspule eines einen beweglichen Anker umfassenden Elektromagneten.

Bekanntlich ist die auf den Anker eines Elektromagneten wirkende Kraft proportional zum Quadrat des Stromes durch die Magnetspule und umgekehrt proportional zum Quadrat der Länge des Luftspaltes. Im Regelfall hat jedoch der Luftspalt im Ruhezustand, d. h. bei abgefallenem Anker, seine größte Länge. Daher müssen die Magnetspule und der durch diese fließende Strom für die im Einschaltmoment erforderliche Anzugskraft ausgelegt bzw. bemessen werden. Gegenüber diesem Anzugsstrom ist der Haltestrom dementsprechend wesentlich geringer. Es ist daher auch bekannt, den Strom durch die Magnetspule nach dem Anziehen des Ankers auf den Haltewert abzusenken, was beispielsweise durch einen Serienwiderstand und einen Hilfskontakt geschehen kann. Da der zulässige Dauerstrom durch die Magnetspule, aus dem sich in Verbindung mit deren ohm'schem Widerstand die Nennspannung ergibt, durch die thermische Belastbarkeit der Magnetspule begrenzt ist, also kurzzeitig weit überschritten werden kann, erlaubt eine solche Stromabsenkung von dem Anzugswert auf den Haltewert die Verwendung einer Magnetspule, deren Nennspannung bei 100% ED wesentlich unter der (im Anzugsmoment benötigten) Betriebsspannung liegt. Bei gleicher aufgebrachter Anzugskraft baut der Elektromagnet dementsprechend kleiner. Nachteilig ist jedoch, daß die Betriebsspannungsquelle im Haltezustand nach wie vor die gleiche Leistung wie im Anzugsmoment liefern muß, da lediglich die Stelle, an der die Verlustleistung entsteht, aus dem Elektromagneten heraus verlagert ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die dafür sorgt, daß der Betriebsspannungsquelle die Anzugsleistung nur während der Anzugszeit des Ankers des Elektromagneten entnommen wird, daß die Betriebsspannungsquelle anschließend jedoch nur die wesentlich geringere Halteleistung liefern muß.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben. Bei dieser Lösung erhöht die Steuerschaltung die an der Magnetspule während der Anzugszeit anliegende Spannung und dementsprechend den die Magnetspule durchfließenden Strom auf einen gegebenenfalls weit über der Betriebsspannung liegenden Wert. Die Nennspannung der Magnetspule (bei 100% ED) entspricht also der von der Betriebsspannungsquelle gelieferten Spannung.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Steuerschaltung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.

Eine zweite Lösung der gleichen Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruches 5 angegeben. Hierbei senkt die Steuerschaltung nach der Anzugszeit die an der Magnetspule anliegende Spannung und dementsprechend den die Magnetspule durchfließenden Strom auf den Haltewert ab. Die Nennspannung der Magnetspule (bei 100% ED) liegt also unter der von der Betriebsspannungsquelle gelieferten Spannung.

Vorteilhafte Ausführungsformen dieser zweiten Lösung sind in den Ansprüchen 5 bis 10 angegeben.

Beide Lösungen haben nicht nur den auf der Hand liegenden Vorteil, daß der Betriebsspannungsquelle während der im Regelfall erheblich über der Anzugszeit liegenden Haltezeit nur eine verminderte Leistung entnommen wird, sondern daß dann, wenn zahlreiche Elektromagnete an der gleichen Betriebsspannungsquelle betrieben, jedoch nicht gleichzeitig geschaltet werden (z. B. bei Antennenschaltfeldern oder Ablaufsteuerungen), die Betriebsspannungsquelle insgesamt für eine dementsprechend geringere Leistung ausgelegt werden kann.

In der Zeichnung sind Steuerschaltungen der erfindungsgemäßen Art vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels entsprechend der ersten Lösung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerschaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der zweiten Lösung und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der Steuerschaltung nach Fig. 3.

In Fig. 1 liegt zwischen dem positiven Anschluß +U _b der Betriebsspannungsquelle und dem Bezugspotential eine Serienschaltung bestehend aus einer als Drosselspule ausgebildeten Induktivität L, einer in Flußrichtung gepolten Diode D, der Magnetspule M und einem im Schaltbetrieb arbeitenden Transistor T. Parallel zu der Magnetspule M und dem Schalttransistor T liegt ein Ladekondensator C. Weiterhin ist der Verbindungspunkt zwischen der Induktivität L und der Diode D über einen steuerbaren Halbleiterschalter S mit dem Bezugspotential verbunden. Der Halbleiterschalter S erhält sein Steuersignal vom Ausgang einer Regelschaltung RS, die als Spannungsregler arbeitet und hierzu den Ist-Wert der an der Magnetspule anliegenden Spannung u _M (über den Transistor T fällt im Durchlaßzustand lediglich die vernachlässigbare und praktisch konstante Sättigungsspannung ab) mit einem intern erzeugten Sollwert Ref vergleicht. Das Ausgangssignal der Regelschaltung RS, also das Steuersignal für den Halbleiter S, ist ein getaktetes oder periodisches Signal, dessen Tastverhältnis in der Weise von dem Vergleichsergebnis abhängt, daß bei unter dem Soll- Wert liegendem Ist-Wert der Spannung u _M über der Magnetspule M die Impulsbreite und damit die Schließdauer des Halbleiterschalters S zunimmt, wodurch auch der Strom i _L durch die Induktivität und damit die in dieser gespeicherte Energie ansteigt, die sich bei jedem Öffnen des Halbleiterschalters S über die Diode D in den Ladekondensator C entlädt und damit die Spannung u _M über der Magnetspule M erhöht. Die Regelschaltung RS arbeitet allerdings nur solange, wie an ihrem Aktivierungseingang ein entsprechendes Signal anliegt. Dieser Aktivierungseingang ist mit einem Zeitglied R ₁ C ₁ derart beschaltet, daß das entsprechende Signal nur während einer Zeit, die gleich oder wenig größer ist als die Anzugszeit des Ankers des Elektromagneten, zu dem die Magnetspule M gehört, zur Verfügung steht. Der Kondensator C ₁ des Zeitgliedes ist außerdem über den Widerstand R ₂ mit der Basis des Schalttransistors T verbunden. An den gemeinsamen Verbindungspunkt wird zum Einschalten des Elektromagneten über einen Kontakt K die Betriebsspannung gelegt. C ₁ lädt sich dann über R ₁ entsprechend der Zeitkonstante R ₁ C ₁ auf, gleichzeitig wird der Schalttransistor T durchlässig geschaltet.

Damit ergibt sich die in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellte Arbeitsweise der Steuerschaltung.

Die erste Zeile zeigt die mittels des Kontaktes K erzeugte Schaltspannung.
Die zweite Zeile zeigt die Spannung am Aktivierungseingang der Regelschaltung RS.
Die dritte Zeile zeigt die Spannung u _a über dem Ladekondensator C, wobei +U _b das Bezugspotential ist.
Die vierte Zeile zeigt die Spannung u _M über der Magnetspule M.
Die fünfte Zeile zeigt den Strom i _L durch die Induktivität L.

Man erkennt die während des Arbeitens der Regelschaltung RS erzeugte Überhöhung der an der Magnetspule M anliegenden Spannung u _M , die zunächst auf etwa den dreifachen Wert der Betriebsspannung +U _b ansteigt und nach Erreichen des Soll-Wertes für die Dauer des Arbeitens der Regelschaltung RS konstant bleibt, um nach Unterschreitung der Aktivierungsspannung und daher geöffnetem Halbleiterschalter S auf die Betriebsspannung +U _b abzusinken, bis der Kontakt K wieder geöffnet wird.

Die Schaltfrequenz des Halbleiterschalters S, also die Taktfrequenz des von der Regelschaltung RS gelieferten Steuersignals u _s , sollte möglichst hoch gewählt werden, wobei jedoch die mit zunehmender Frequenz wachsenden Schaltverluste des Halbleiterschalters S zu berücksichtigen sind. Die Kapazität des Ladekondensators C richtet sich nach der maximal zulässigen Brummspannung an der Magnetspule M, darf aber nicht so groß werden, daß die Induktivität L während des Arbeitens der Regelschaltung RS in die Sättigung gelangt. Die Induktivität L wird zweckmäßig so ausgelegt, daß der Wechselanteil etwa ¹/₁₀ bis ¹/₃ des Ausgangsstromes beträgt. Da die Spannung über der Induktivität L bei durchlässigem Halbleiterschalter S gleich der Betriebsspannung ist, gilt:

Durch passende Wahl der Taktfrequenz und Begrenzung des Taktverhältnisses wird erreicht, daß die Induktivität L nicht in die Sättigung gerät.

Bei der Steuerschaltung nach Fig. 3 liegen zwischen dem positiven Anschluß +U _b der Betriebsspannung und dem Bezugspotential ein gesteuerter Halbleiterschalter S, die Magnetspule M und ein Serienwiderstand R _S hintereinander. Der Verbindungspunkt zwischen dem Halbleiterschalter S und der Magnetspule M ist über eine Freilaufdiode D mit dem Bezugspotential verbunden. Der Halbleiterschalter S wird von einer Regelschaltung RS gleichen Aufbaus und gleicher Arbeitsweise wie die Regelschaltung RS in Fig. 1 gesteuert. Die Regelschaltung RS erhält jedoch eine dem Ist-Wert des Stromes i _M durch die Magnetspule M proportionale Spannung u _ist von einem Strom/Spannungs-Wandler, der hier aus den Widerständen R ₃, R ₄ parallel zu dem Widerstand R _S besteht, jedoch beispielsweise auch aus einer Hallsonde mit nachgeschaltetem Verstärker bestehen könnte, vor allem wenn i _M sehr hohe Werte annimmt. Der Halbleiterschalter S wird mittels der Steuerspannung u _S entsprechend dem Ergebnis des Vergleiches von u _ist mit dem intern erzeugten Referenzwert Ref gesteuert. Mittels eines Zeitgliedes R ₁ C ₁ und eines Transistors Tr wird jedoch die Spannung u _ist während einer Zeit, die gleich oder wenig größer wie die Anzugszeit des Ankers des Elektromagneten ist, auf einem unter dem Referenzwert liegenden Wert gehalten, unabhängig von dem die Magnetspule M durchfließenden Magnetisierungsstrom i _M . Hierzu erhalten der Kondensator C ₁ und der Aktivierungseingang der Regelschaltung RS beide das Schaltsignal von dem Kontakt K. Die Regelschaltung RS erzeugt daraufhin ein Steuersignal u _S , das den Halbleiterschalter S dauernd geschlossen hält, bis die durch das Zeitglied R ₁ C ₁ erzeugte Verzögerungszeit abgelaufen, also der Kondensator C ₁ sich über den Widerstand R ₁ soweit aufgeladen hat, daß der Transistor Tr sperrt.

Die Regelschaltung RS erhält dann die dem Ist-Wert des Stromes i _M durch die Magnetspule M proportionale Spannung u _ist , die in diesem Moment über dem Sollwert Ref liegt, weshalb die Regelschaltung RS den Halbleiterschalter S öffnet. Die in der Magnetspule M gespeicherte magnetische Energie entlädt sich über den Widerstand R _S und die Freilaufdiode D. Sobald der Entladestrom und damit die Spannung u _ist auf einen etwa dem Haltestrom entsprechenden Wert gefallen ist, der den Soll-Wert darstellt und auf den die Bezugsspannung Ref eingestellt ist, erzeugt die Regelschaltung RS das getaktete Ausgangssignal u _S , das den Halbleiterschalter mit einem Tastverhältnis öffnet und schließt, das den Strom i _M durch die Magnetspule M auf einem mittleren Wert nahe dem Haltestrom hält. Da der Wirkwiderstand der Magnetspule M klein gegenüber ihrer Induktivität ist, gilt

der Wechselanteil des Stromes i _M ist also linear abhängig von der Einschaltdauer des Halbleiterschalters S. Die Schaltfrequenz wird zweckmäßig so gewählt, daß der Wechselanteil etwa ¹/₁₀ bis ¹/₃ des Haltegleichstroms beträgt. Um die Schaltverluste des Halbleiterschalters S und die Magnetisierungsverluste in der Magnetspule M klein zu halten, sollte die Taktfrequenz der Steuerspannung u _S nicht höher als nötig gewählt werden. Im Gegensatz zu der Steuerschaltung nach Fig. 1 treten bei der Schaltung nach Fig. 3 keine Sättigungserscheinungen auf.

Statt mittels des Zeitgliedes R ₁ C ₁ die Spannung u _ist während der Anzugszeit auf Null zu halten, könnte das Zeitglied auch dem Aktivierungseingang der Regelschaltung RS vorgeschaltet oder deren Steuerausgang nachgeschaltet werden, wenn dafür gesorgt wird, daß der Halbleiterschalter S mit dem Schließen des Kontaktes K ebenfalls schließt.

Das Diagramm der Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 3.

Zeile 1 zeigt das Schaltsignal.
Zeile 2 zeigt den Strom i _M durch die Magnetspule M, der zunächst auf den Anzugswert steigt und dann periodisch um einen knapp über dem Haltwert liegenden Wert schwankt. Die Spule und damit deren Nennspannung braucht also nur für diesen Wert ausgelegt zu sein, der erheblich unter der Betriebsspannung +U _b liegen kann.
Zeile 3 zeigt die Spannung u _M über der Magnetspule M.
Zeile 4 zeigt die Spannung u _ist am Eingang der Regelschaltung RS.

Die Regelschaltung RS kann sowohl im Fall der Fig. 1 als auch im Fall der Fig. 3 aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. Vorteilhafter ist es jedoch, einen Pulsbreitenmodulator in Form eines handelsüblichen IC zu verwenden.

Claims (10)

1. Steuerschaltung für die Magnetspule eines einen beweglichen Anker umfassenden Elektromagneten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem einen Anschluß (+U _b ) der etwa der Nennspannung der Magnetspule (M) entsprechenden Betriebsspannung und dem Bezugspotential eine Induktivität (L), eine in Flußrichtung gepolte Diode (D), die Magnetspule (M) und ein den Stromkreis schließender Schalter (T) in Serie geschaltet sind, daß parallel zu der Magnetspule (M) und dem Schalter (T) ein Ladekondensator (C) liegt, daß der Verbindungspunkt der Induktivität (L) mit der Diode (D) über einen steuerbaren Schalter (S) mit dem Bezugspotential verbindbar ist, und daß eine Regelschaltung (RS) den steuerbaren Schalter (S) während einer in der Größenordnung der Anzugszeit des Ankers liegenden Verzögerungszeit derart periodisch öffnet und schließt, daß die mittlere an der Magnetspule (M) während dieser Zeit anliegende Spannung (u _M ) höher als die Betriebsspannung ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereingang des steuerbaren Schalters (S) mit dem Ausgang der Regelschaltung (RS) verbunden ist, die beim Durchschalten des den Stromkreis schließenden Schalters (T) zu arbeiten beginnt und nur während der Verzögerungszeit arbeitet und daß die Regelschaltung einen mit dem Verbindungspunkt zwischen der Diode (D) und der Magnetspule (M) verbundenen Eingang hat, die Spannung an diesem Eingang mit einem Sollwert vergleicht und an ihrem Ausgang ein getaktetes Signal liefert, dessen Pulsbreite abhängig von und insbesondere proportional zu dem Wert des Vergleichsergebnisses ist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (RS) einen Aktivierungseingang hat, der mit einem Zeitglied (R ₁ C ₁) zur Erzeugung der Verzögerungszeit geschaltet ist und das Zeitglied die Regelschaltung (RS) nach Ablauf dieser Verzögerungszeit abschaltet.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Stromkreis schließende Schalter (T) ein Halbleiterschalter ist, dessen Steuereingang über das Zeitglied (R ₁ C ₁) mit dem Aktivierungseingang der Regelschaltung (RS) verbunden ist.

5. Steuerschaltung für die Magnetspule eines einen beweglichen Anker umfassenden Elektromagneten, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (M) über einen steuerbaren Schalter (S) mit den einen Anschluß einer über der Nennspannung der Magnetspule liegenden Betriebsspannung (+U _b ) verbunden ist, und daß eine Regelschaltung (RS) den Schalter (S) nach dem erstmaligen Schließen nach einer in der Größenordnung der Anzugszeit des Ankers liegenden Verzögerungszeit derart periodisch öffnet und schließt, daß die mittlere an der Magnetspule (M) anliegende Spannung (u _M ) etwa gleich deren Nennspannung ist.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des steuerbaren Schalters (S) und der Magnetspule (M) über eine Freilaufdiode (D) mit dem Bezugspotential verbunden ist, daß der Steuereingang des steuerbaren Schalters (S) mit dem Ausgang der Regelschaltung (RS) verbunden ist, die nach der Verzögerungszeit zu arbeiten beginnt und die einen mit dem Ausgang eines den Strom durch die Magnetspule (M) messenden Strom/Spannungs-Wandlers verbundenen Eingang hat, die Spannung an diesem Eingang mit einem Sollwert vergleicht und an ihrem Ausgang ein getaktetes Signal liefert, dessen Pulsbreite abhängig von und insbesondere proportional zu dem Wert des Vergleichsergebnisses ist.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (RS) einen Aktivierungseingang hat und den steuerbaren Schalter (S) durchschaltet, solange an dem Aktivierungseingang ein Triggersignal anliegt und die Spannung unter dem Sollwert liegt, und daß an dem mit dem Strom/Spannungs-Wandler verbundenen Eingang ein Zeitglied (C ₁ R ₁, Tr) liegt, das die Spannung an diesem Eingang für die Dauer der Verzögerungszeit unter dem Sollwert hält.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (C ₁ R ₁, Tr) über das Triggersignal aktivierbar ist.

9. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom/Spannungs-Wandler ein in Serie zu der Magnetspule (M) liegender Widerstand (R _S ) ist.

10. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom/Spannungs-Wandler ein in dem Magnetkreis der Magnetspule (M) liegender Hallsensor ist.