DE3623908C2

DE3623908C2 -

Info

Publication number: DE3623908C2
Application number: DE19863623908
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Ing. Stiglmayr (Fh), 8208 Kolbermoor, De
Original assignee: Spinner GmbH
Current assignee: Spinner GmbH
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1986-07-15
Publication date: 1990-07-12
Also published as: FR2601811B1; FR2601811A1; DE3623908A1

Description

Die Erfindung betrifft Steuerschaltungen 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 ohmschem 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% Einschaltdauer (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.

Aus der US-PS 44 54 558 ist eine Steuerschaltung für die Magnetspulen eines Matrixdruckers bekannt, die ein Schaltnetzteil und eine Treiberschaltung umfaßt. In dem Schaltnetzteil liegt ein steuerbarer Schalter in Serie zu einer Speicherinduktivität, über die ein Speicherkondensator der Treiberschaltung aufgeladen wird. Dieser bildet zusammen mit der Induktivität der Magnetspule und der betreffenden Matrixnadel einen Schwingkreis. Zur Erzielung einer hohen Druckgeschwindigkeit sind zwischen den Speicherkondensator und die Magnetspule eine Rückschlag- und eine Freilaufdiode geschaltet, so daß die Ladung des Speicherkondensators auf die Magnetspule nur während des ersten Viertels der Periodendauer der Resonanzfrequenz des Schwingkreises übertragen wird, sobald der den Schwingkreis bildende Stromkreis über einen weiteren, steuerbaren Schalter geschlossen wird, der über den Druckbefehl betätigt wird, welch letzterer andererseits das Schaltnetzteil abschaltet. Während es also bei der vorbekannten Steuerschaltung in erster Linie um die Erzielung einer kurzen Anzugszeit konstanter Dauer geht, ein Haltezustand jedoch nicht angestrebt wird, bezieht sich die Erfindung auf eine Steuerschaltung, bei der die Anzugszeit des Ankers betragsmäßig keine Rolle spielt, sich an die Anzugszeit jedoch eine grundsätzlich beliebig lange Haltezeit anschließt und hierbei mit einem verhältnismäßig kleinen Magnetantrieb eine große mechanische Kraft aufgebracht werden soll, ohne daß eine thermische Überlastung der Magnetspule während der nachfolgenden Haltezeit zu befürchten ist.

Aus der DE-OS 28 28 678 ist eine Steuerschaltung für die Magnetspule, z. B. des Einspritzventils einer Brennkraftmaschine, bekannt. Diese Steuerschaltung weist die in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 4 angegebenen Merkmale auf. Mit der bekannten Steuerschaltung wird eine Optimierung des Zeitverhaltens der Magnetspule bzw. deren beweglichen Ankers angestrebt. Hierzu wird nicht nur der Strom, sondern bereits der Stromanstieg durch die Magnetspule begrenzt, sobald der Anker genügend Bewegungsenergie hat, beispielsweise sich zu bewegen beginnt, jedenfalls aber bevor der Anker seine Endlage erreicht hat. Der Fall einer beliebig langen Haltezeit und daher die Gefahr einer thermischen Überlastung der Magnetspule liegt hingegen nicht vor.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, Steuerschaltungen der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die es ermöglichen, mit einem verhältnismäßig kleinen Magnetantrieb eine große mechanische Kraft auf zubringen, ohne daß während einer nachfolgenden, beliebig langen Haltedauer eine thermische Überlastung der Magnetspule zu befürchten ist. Der Betriebsspannungsquelle soll daher die Anzugsleistung nur während der Anzugszeit des Ankers des Elektromagneten entnommen werden, anschließend jedoch nur die wesentlich geringere Halteleistung.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe ist bei der Steuerschaltung des Patentanspruches 1 im Kennzeichen 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 bei der Steuerschaltung des Anspruches 4 im Kennzeichen 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.

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

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 steuerbarer 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 weiteren steuerbaren Schalter (S) mit dem Bezugspotential verbindbar ist, und daß eine Regelschaltung (RS) den steuerbaren Schalter (S) während eines in der Größenordnung der Anzugszeit des Ankers liegenden Zeitintervalls derart periodisch öffnet und schließt, daß die mittlere an der Magnetspule (M) während dieses Zeitintervalls anliegende Spannung (u _M) höher als die Betriebsspannung ist, und daß der Steuereingang des weiteren steuerbaren Schalters (S) mit dem Ausgang der Regelschaltung (RS) verbunden ist, die beim Durchschalten des ersten Schalters (T) zu arbeiten beginnt und nur während des Zeitintervalls 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.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (RS) einen Aktivierungseingang hat, der mit einem Zeitglied (R₁C₁) zur Erzeugung des Zeitintervalls geschaltet ist und das Zeitglied die Regelschaltung (RS) nach Ablauf dieses Zeitintervalls abschaltet.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Stromkreis der Magnetspule (M) schließende Schalter (T) ein Halbleiterschalter ist, dessen Steuereingang über das Zeitglied (R₁C₁) mit dem Aktivierungseingang der Regelschaltung (RS) verbunden ist.

4. Steuerschaltung für die Magnetspule eines einen beweglichen Anker umfassenden Elektromagneten, bestehend aus einer durch ein Triggersignal aktivierbaren Regelschaltung mit einem Aktivierungseingang und einem Ausgang, der mit einem mit dem Steuereingang eines in Reihe mit der Magnetspule liegenden, steuerbaren Schalters verbunden ist und diesen für die Dauer des Triggersignals zunächst schließt und nach einer in der Größenordnung der Anzugszeit des Ankers liegenden Verzögerungszeit öffnet und periodisch schließt usw. in Abhängigkeit von dem Ergebnis eines Vergleiches zwischen einem Sollwert und einer an einem weiteren Eingang der Regelschaltung anliegenden Spannung, die ein den Strom durch die Magnetspule messender Strom/Spannungs-Wandler liefert, dadurch gekennzeichnet, daß an dem weiteren Eingang der Regelschaltung (RS) ein über das Triggersignal aktivierbares Zeitglied (C₁, R₁, Tr) liegt, das die Spannung an diesem Eingang für die Dauer der Verzögerungszeit mit Hilfe eines steuerbaren Schalters (Tr) unter dem Sollwert hält, daß der Sollwert (Ref) derart eingestellt ist, daß die mittlere, an der Magnetspule (M) anliegende Spannung (u _M) etwa gleich deren Nennspannung ist und daß die Regelschaltung (RS) an ihrem Ausgang ein Signal (u _S) liefert, dessen Pulsbreite abhängig von und insbesondere proportional zu dem Wert des Vergleichsergebnisses ist.