DE3702680A1 - Verfahren und schaltung zur ansteuerung von elektromagnetischen verbrauchern - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von elektromagnetischen Verbrauchern mit mindestens einer Magnetspule gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Schaltung zur Ausführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10.

Der durch eine Magnetspule fließende Strom kann sich nicht beliebig schnell ändern. Die Änderungsgeschwindigkeit wird durch die Induktivität der Spule begrenzt. Während des Einschaltvorganges steigt der Strom einer e-Funktion folgend und nähert sich asymptotisch einem statischen Endwert. Beim Ausschaltvorgang kann sich der Strom nicht sprungförmig ändern. Wird im Spulenstromkreis ein Schalter geöffnet, entsteht an ihm eine hohe induktive Spannungsspitze, falls Überspannungen nicht durch geeignete Maßnahmen vermieden werden. Eine allgemein bekannte Möglichkeit ist es, parallel zur Magnetspule eine Freilaufdiode zu schalten, die so angeordnet ist, daß der in der Spule fließende Strom nach Abschaltung der Spule beispielsweise in die Stromversorgung zurückfließen kann. Über diesen Strompfad wird die gesamte induktive Energie der Magnetspule abgeführt, so daß ohne besondere Vorkehrungen teils in der Stromquelle, teils in der Freilaufdiode Wärme erzeugt wird. Die Ein- und Ausschaltzeiten des elektromagnetischen Verbrauchers sind groß. Die zum Magnetfeld-Auf- und -Abbau nötige Zeit wird bei dieser Schaltungsanordnung im wesentlichen durch die Induktivität und die Betriebsspannung bestimmt.

Um die Einschaltzeit zu verkürzen, wird bei einem bekannten Verfahren die Betriebsspannung auf höhere Werte transformiert. Diese Technik findet insbesondere bei batteriebetriebenen Schaltungen Verwendung, da hier die Betriebsspannung vorgegeben ist. Nachteil dieses Verfahrens ist der erhöhte Schaltungsaufwand und die zusätzliche Hochladezeit.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltung haben demgegenüber den Vorteil, daß die Energiebilanz verbessert und die Einschaltzeit durch einen schnellen Magnetfeldaufbau verkürzt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die nach Abschaltung eines elektromagnetischen Verbrauchers vorhandene induktive Energie der stromdurchflossenen Magnetspule für den Einschaltvorgang eines elektromagnetischen Verbrauchers verwendet wird. Dadurch wird die Verlustleistung in der Schaltung verringert und damit der Kühlaufwand reduziert. Durch die verminderte thermische Belastung wird überdies die Betriebssicherheit erhöht.

Der Einschaltvorgang wird abgekürzt, indem durch eine Spannungsüberhöhung der Magnetfeldaufbau beschleunigt wird, wobei wenig zusätzliche elektronische Bauteile erforderlich sind.

Mit diesen Eigenschaften eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die dazugehörige Schaltung besonders für schnelle elektromagnetische Stellwerke, wie sie insbesondere in Ein- oder Mehrspulen-Magnetventilen Verwendung finden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die induktive Energie in einem Kondensator als kapazitive Energie zwischengespeichert. Die freie Kapazitätswahl ermöglicht es, ein Optimum zwischen minimaler Verlustleistung und Spannungsüberhöhung zur Beschleunigung des Magnetfeldaufbaus zu wählen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein ansteuerbarer Schalter in Verbindung mit dem Kondensator verwendet. Es ist dann möglich, den Einschaltzeitpunkt derjenigen Magnetspule frei zu wählen, deren Magnetfeldaufbau mit der kapazitiven Energie unterstützt werden soll. Ferner ist man dann frei in der Auswhal der einzuschaltenden Spule, insbesondere kann es dieselbe Spule sein, deren induktive Energie kurz zuvor in dem Kondensator eingespeichert wurde.

Eine weitere Energieeinsparung und eine zusätzliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit des elektromagnetischen Verbrauchers bzw. des elektromagnetischen Stellwerks ergibt sich bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens durch den Schaltbetrieb, bei dem durch getaktetes Ein- und Ausschalten der steuerbaren Schalter verschiedene Stromniveaus des durch die Magnetspule fließenden Stroms einstellbar sind. Der Mittelwert des Stroms kann im Schaltbetrieb den Betriebszuständen des elektromagnetischen Verbrauchers angepaßt werden. Auch bei diesem Schaltbetrieb weist die Verwendung des Kondensators Vorteile auf, indem nach jedem Schaltvorgang ein Teil der induktiven Energie als kapazitive Energie gespeichert wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Schaltung kann auf den Kondensator und den mit ihm verbundenen steuerbaren Schalter verzichtet werden. Die Spannungsüberhöhung tritt bei dieser Schaltung an einem parallel zur Magnetspule des elektromagnetischen Verbrauchers angeordneten Widerstand auf.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zugehörigen Schaltung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen gekennzeichneten Maßnahmen.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltung,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm der Schaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele der Schaltung,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Schaltung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung,

Fig. 7 und 8 Schaltdiagramme der Schaltung nach Fig. 6 und

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Magnetspule 10 mit einem ersten und zweiten Magnetspulenanschluß 11 und 12. Der zweite Magnetspulenanschluß 12 ist mittels eines ersten steuerbaren Schalters 13 mit einem ersten Stromversorgungsanschluß 14 verbindbar. Mit einem zweiten Stromversorgungsanschluß 15 ist der erste Magnetspulenanschluß 11 über eine erste Diode 16 verbunden. Eine zweite Diode 18 liegt an einem ersten Anschluß 19 eines ersten Kondensators 17, dessen zweiter Anschluß 20 am ersten Stromversorgungsanschluß 14 liegt. Der erste Anschluß 19 des ersten Kondensators 17 ist über einen zweiten steuerbaren Schalter 21 mit dem ersten Magnetspulenanschluß 11 verbindbar.

Der erste und zweite Stromversorgungsanschluß 14 und 15 sind mit einem zweiten Kondensator 22 überbrückt. Es ist eine Ansteuerschaltung 25 vorgesehen, die über zwei Ansteuerleitungen 23, 24 die beiden steuerbaren Schalter 13, 21 betätigt.

Fig. 2 zeigt Schaltstellungen S₁ und S₂ des ersten und zweiten steuerbaren Schalters 13, 21, den durch die Magnetspule 10 fließenden Strom i sowie die am ersten Kondensator 17 liegende Spannung u als Funktionen der Zeit t.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung, bei welchem zwei Magnetspulen 10, 10 a im Gegentakt angesteuert werden. Die Schaltung setzt sich aus zwei Baugruppen zusammen, die entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 aufgebaut sind. Ein Unterschied besteht darin, daß der Anschluß 19 des ersten Kondensators 17 über den zweiten steuerbaren Schalter 21 mit dem ersten Magnetspulenanschluß 11 a der Magnetspule 10 a bzw. der erste Anschluß 19 a des ersten Kondensators 17 a über einen zweiten steuerbaren Schalter 21 a mit dem ersten Anschluß 11 der Magnetspule 10 verbunden ist. Es ist eine Ansteuerschaltung 40 vorgesehen, welche über vier Steuerleitungen 41 bis 44 die Steuerung der beiden ersten steuerbaren Schalter 13 und 13 a sowie der beiden zweiten steuerbaren Schalter 21 und 21 a vornimmt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeipiel der Schaltung, die aus der in Fig. 3 dargestellten Schaltung entwickelt wurde. Auf die Ausführungen zu Fig. 3 wird daher verwiesen. Eine Ansteuerungsschaltung 50 steuert über Ansteuerungsleitungen 51, 52, 53, 54 die steuerbaren Schalter 13, 13 a, 21 und 21 a.

Im Unterschied zur Schaltung gemäß Fig. 3 wurden die jeder Magnetspule 10 bzw. 10 a getrennt zugeordneten Kondensatoren 17 und 17 a durch einen Kondensator 17′ ersetzt, dessen erster Anschluß 19′ über eine Diode 60 mit dem zweiten Stromversorgungsanschluß 15 und dessen zweiter Anschluß 20′ mit dem ersten Stromversorgungsanschluß 14 verbunden ist.

Fig. 5 zeigt ein Zeitdiagramm der Schaltung gemäß Fig. 4, aus dem der zeitliche Verlauf der durch die Magnetspulen 10 und 10 a fließenden Ströme i₁ und i₂ sowie die am Kondensator 17′ abfallende Spannung u _C ersichtlich sind.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die sich von der Schaltung gemäß Fig. 3 lediglich dadurch unterscheidet, daß die steuerbaren Schalter 21, 21 a entfallen bzw. durch Draht überbrückt wurden. Eine zweite Diode 18 verbindet den zweiten Magnetspulenanschluß 12 der Magnetspule 10 unmittelbar mit dem ersten Magnetspulenanschluß 11 a der Magnetspule 10 a. Entsprechend verbindet die zweite Diode 18 a den zweiten Magnetspulenanschluß 12 a der Magnetspule 10 a unmittelbar mit dem ersten Magnetspulenanschluß 11 der Magnetspule 10. Eine Ansteuerschaltung 55 steuert über ihre beiden Steuerleitungen 56, 57 die beiden steuerbaren Schalter 13 und 13 a.

In den Fig. 7 und 8 ist der Verlauf der durch die Magnetspulen 10, 10 a fließenden Ströme i₁ und i₂ bei verschiedenen Ansteuerungsarten dargestellt.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung. Diese unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten dadurch, daß die beiden ersten Kondensatoren 17 und 17 a sowie die beiden zweiten steuerbaren Schalter 21 und 21 a entfallen. Die zweite Diode 18 verbindet den zweiten Magnetspulenanschluß 12 der Magnetspule 10 unmittelbar mit dem ersten Magnetspulenanschluß 11 a der Magnetspule 10 a; die zweite Diode 18 a verbindet den zweiten Magnetspulenanschluß 12 a der Magnetspule 10 a unmittelbar mit dem ersten Magnetspulenanschluß 11 der Magnetspule 10. Parallel zu den beiden Magnetspulen 10 und 10 a liegt jeweils eine Reihenschaltung, die aus einem Widerstand 62, 62 a und einer dritten Diode 64, 64 a besteht. Eine Ansteuerschaltung 70 steuert über ihre beiden Steuerleitungen 72 und 74 die beiden steuerbaren Schalter 13 und 13 a.

Die Schaltung gemäß Fig. 1 wird anhand der Diagramme in Fig. 2 erklärt. Die Magnetspule 10 mit ihrem ersten und zweiten Magnetspulenanschluß 11 und 12 ist Teil eines elektromagnetischen Verbrauchers, z. B. eines elektromagnetischen Stellwerks, welches vorzugsweise zwei stabile Schaltzustände kennt. Eine Anwendung, bei der ein schnelles Schalten erforderlich ist, ist beispielsweise bei Kraftstoff-Einspritzventilen gegeben, über die die Kraftstoffmessung bei Verbrennungsmotoren erfolgt.

Als Ausgangszustand sei angenommen, daß der erste steuerbare Schalter 13 offen ist und in der Magnetspule 10 kein Strom i₁ fließt. Zu einem Zeitpunkt t₁ erhält der erste steuerbare Schalter 13 ein von der Ansteuerschaltung 25 erzeugtes Schließsignal über die Steuerleitung 23. Der Schalter 13 ist ein ein- und ausschaltbares Halbleiter-Bauelement, beispielsweise ein Transistor. Bei offenem steuerbaren zweiten Schalter 21 beginnt ein Strom i₁ in der Magnetspule 10 über die erste Diode 16 und den geschlossenen Transistor 13 zu fließen. Die Durchlaßrichtung der ersten Diode 16 ist so festgelegt, daß durch sie Strom fließt, wenn das Potential am zweiten Stromversorgungsanschluß 15, also an der Anode der Diode 16, höher ist als am ersten Magnetspulenanschluß 11, also an der Kathode der Diode 16. Die Anstiegszeit ist vom ohmschen Widerstand dieses Kreises, von dem Innenwiderstand der zwischen dem ersten und zweiten Stromversorgungsanschluß 14 und 15 liegenden Stromquelle, von der Induktivität L₁ und dem Widerstand R₁ der Magnetspule 10 sowie der Betriebsspannung U _b abhängig. Der Endwert des Stroms ist gegeben durch den ohmschen Widerstand der Reihenschaltung, bestehend aus der ersten Diode 16, der Magnetspule 10 und dem geschlossenen Transistor 13. Zu dem Zeitpunkt t₂ erhält der Transistor 13 über die Steuerleitung 23 ein von der Ansteuerschaltung 25 abgegebenes Öffnungssignal. Der Strom i₁ in der Magnetspule 10 kann sich nicht sprungförmig ändern. Er fließt deshalb über die zweite Diode 18 in den ersten Kondensator 17 weiter. Die Durchlaßrichtung der zweiten Diode 18 ist so festgelegt, daß durch sie Strom fließen kann, wenn das Potential am zweiten Magnetspulenanschluß 12, also an der Anode der Diode 18, höher ist als am ersten Anschluß 19 des ersten Kondensators 17, also der Kathode der Diode 18. Der Kondensator 17 sammelt die Ladung, und es entsteht eine Spannung u, deren Höhe durch die Kapazität des ersten Kondensators 17 und die eingebrachte Ladungsmenge gegeben ist. Der Wert, von dem aus die Spannung u am Kondensator 17 nach dem Zeitpunkt t₂ ansteigt, liegt geringfügig unterhalb der Betriebsspannung U _b . Wenn der Strom i₁ durch die Magnetspule 10 auf Null abgesunken ist, hat die Spannung u am ersten Kondensator 17 ihren maximalen Wert erreicht.

Zum Zeitpunkt t₃ wird der Transistor 13 und gleichzeitig der zweite steuerbare Schalter 21 über die Steuerleitungen 23 und 24 geschlossen. Bei diesem Einschaltvorgang ist, im Gegensatz zu dem Einschaltvorgang zum Zeitpunkt t₁, am ersten Magnetspulenanschluß 11 eine höhere Spannung verfügbar, die gleich der Spannung u am ersten Kondensator ist. Die höhere Spannung an der Magnetspule 11 ergibt einen schnellen Stromanstieg, der so lange anhält, bis die Ladung von dem ersten Kondensator 17 über den geschlossenen zweiten steuerbaren Schalter 21 abgeflossen ist, d. h. bis u etwa den Wert von U _b angenommen hat. Während dieses Vorgangs ist der erste Magnetspulenanschluß 11 von dem zweiten Stromversorgungsanschluß 15 durch die in Sperrichtung beaufschlagte erste Diode 16 getrennt. Nach der Kondensatorentladung ändert sich der Strom in der Magnetspule 10, ausgehend von dem momentanen Wert entsprechend der zum Zeitpunkt t₁ vorhandenen Zeitkonstante. Hat der Spulenstrom während der Kondensatorentladung noch nicht einen stationären Endwert erreicht, steigt er nach der Entladung des Kondensators 17 mit der langsameren, auf U _b beruhenden Zeitkonstanten wieder an. Tritt, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Überschwingen des Stromwerts während der Kondensatorentladung ein, sinkt der Strom nach der Entladung auf einen stationären Wert. Für ein schnelles Schaltverhalten ist der Überschwingfall anzustreben. Der erste Kondensator 17 entlädt sich bis auf einen Spannungswert, der gegeben ist durch die Betriebsspannung U _b abzüglich der Schleusenspannung der ersten Diode 16.

Wird für den zweiten steuerbaren Schalter 21 ein Thyristor vorgesehen, dann öffnet der Schalter 21 ohne ein weiteres Steuersignal im Stromnulldurchgang. Ist als zweiter steuerbarer Schalter 21 ein Transistor vorgesehen, dann wird diesem über die Steuerleitung 24 von der Ansteuerschaltung 25 ein Öffnungssignal zugeleitet. Der zweite Kondensator 22 parallel zur Stromversorgung zwischen dem ersten und zweiten Stromversorgungsanschluß 14 und 15 hat die Aufgabe, den Innenwiderstand der Stromquelle im Einschaltaugenblick t₁ bzw. t₃ gering zu halten.

Eine Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen Schaltungen mit Freilaufdioden ergibt sich hier durch eine Zwischenspeicherung der unmittelbar nach Abschaltung der Magnetspule 10 vorhandenen induktiven Energie in dem ersten Kondensator 17. Diese Energie wird für den nächsten Einschaltvorgang bzw. zum Wiederaufbau des Magnetfeldes während des Einschaltvorganges wieder verwendet. Der Transistor 13 wird während des Einschaltvorganges geringer belastet, da auf Grund des schnelleren Stromanstiegs in der Magnetspule 10 auch sein Einschaltvorgang beschleunigt wird.

Die Schaltung für ein Einspulen-Stellwerk nach Fig. 1 läßt sich gemäß Fig. 3 für ein Zwei- oder Mehrspulen-Stellwerk erweitern. Auch bei dieser Schaltung wird die im eingeschalteten Zustand der Magnetspule 10 vorhandene induktive Energie nach Beginn des Abschaltvorganges der Magnetspule 10 im ersten Kondensator 17 gespeichert. Diese Energie wird zum raschen Aufbau des Magnetfeldes in der anderen Magnetspule 10 a verwendet. Der erste Anschluß 19 des ersten Kondensators 17 wird dazu über den ersten steuerbaren Schalter 21 während des Einschaltvorganges der anderen Magnetspule 10 a mit deren ersten Spulenanschluß 11 a verbunden. Analog wird nach Beginn des Abschaltvorganges der anderen Magnetspule 10 a die magnetische Energie in den anderen ersten Kondensator 17 a eingespeichert. Sie wird anschließend zum raschen Magnetfeldaufbau in der Magnetspule 10 verwendet. Dazu wird der erste Anschluß 19 a des anderen ersten Kondensators 17 a über den anderen zweiten steuerbaren Schalter 21 a mit dem ersten Spulenanschluß 11 der Magnetspule 10 während ihres Einschaltvorgangs verbunden. Die Magnetspulen 10 und 10 a werden abwechselnd, beispielsweise im Gegentakt, ein- bzw. ausgeschaltet. Wird auf eine größtmögliche Energieeinsparung verzichtet, kann diese Schaltung auch im "überlappenden" Betrieb eingesetzt werden, d. h., während kurzer Zeitabschnitte fließt in beiden Magnetspulen 10 und 10 a ein Strom. Die Ansteuerschaltung 40 weist hier vier Steuerleitungen 41 bis 44 auf, die der Ansteuerung der vier steuerbaren Schalter 13, 13 a, 21 und 21 a dienen. Die beiden zweiten steuerbaren Schalter 21 und 21 a können Thyristoren sein, welche nur einen Einschaltimpuls benötigen und ohne einen Ausschaltimpuls beim nächsten Stromnulldurchgang ausschalten. Hier können auch ein- bzw. ausschaltbare Halbleiter-Bauelemente, wie beispielsweise Transistoren oder ein- und ausschaltbare Thyristoren, verwendet werden, mit denen sich im überlappenden Betrieb eine definierte Trennung der beiden Magnetspulen- Stromkreise ergibt.

Die Schaltung gemäß Fig. 4 wird anhand des in Fig. 5 dargestellten Zeitdiagramms erläutert. Ziel der Schaltung ist es, zum Zeitpunkt t₁ in Fig. 5 den durch die Magnetspule 10 a fließenden Strom i₂ möglichst schnell auf i₂=0 zu senken und den Strom i₁ durch die Magnetspule 10 auf i₁=i _max zu erhöhen. Es wird hier davon ausgegangen, daß der Kondensator 17′ durch einen oder mehrere vorangegangene Schaltvorgänge zur Zeit t t₁, wie sie in Fig. 2 für t t₃ dargestellt sind, auf eine Spannung von U _{C soll} <U _b aufgeladen ist.

Zur Zeit t₁t t₃ sind die steuerbaren Schalter 13 und 21 a geschlossen. Der Kondensator 17′ wird also über die Magnetspule 10 entladen. Der Anstieg von i₁ ist besonders bei U _C »U _b sehr schnell. Es gilt unter Vernachlässigung des Spannungsabfalls an den steuerbaren Schaltern für den Stromanstieg folgende Gleichung:

wobei mit R₁ der Widerstand und L₁ die Induktivität der Magnetspule 10 und mit u _C die im Kondensator 17′ gespeicherte Spannung bezeichnet werden. Der Strom i₁ nähert sich asymptotisch dem Wert u _C /R.

Zur Zeit t₁t t₂ sind die Dioden 16 a und 18 a leitend. Über sie wird der Kondensator 17′ mit dem Strom i₂ aufgeladen, solange i₂<i₁ ist. Die Spannung u _C am Kondensator 17′ steigt daher für kurze Zeit auf Werte u _C <U _{C soll} . Bei Vernachlässigung der an den Dioden 16 a und 18 a abfallenden Spannungen ergibt sich eine Abnahmegeschwindigkeit für i₂ von

wobei mit R₂ der Widerstand und mit L₂ die Induktivität der Magnetspule 10 a bezeichnet werden.

Der Wert i₂=0 wird schnell zur Zeit t=t₂ erreicht und dann beibehalten, weil dann die Dioden 16 a und 18 a sperren. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß i₁ und i₂ ihre Sollwerte sehr rasch erreichen. Daher sollte auch im Zeitbereich t₁t t₂ der Anker des elektromagnetischen Verbrauchers abfliegen.

Zum Zeitpunkt t=t₃ hat i₁ den unteren Sollwert von i _max erreicht; die Spannung u _C des Kondensators 17′ ist deutlich reduziert. Auch die Summe der Energien ist auf Grund der in den Bauteilen auftretenden Verluste zur Zeit t₃ reduziert gegenüber dem Zeitpunkt t₁, wobei für die Energie folgende Gleichung gilt:

W = ½ (Cu _C + L₁i₁) .

Um den nächsten Umschaltvorgang mit derselben Geschwindigkeit ausführen zu können, muß daher u _C wieder erhöht werden. Deshalb wird für den Zeitraum t₃t t₄ der steuerbare Schalter 21 a gesperrt und über die Diode 16 ein Strom durch die Magnetspule 10 geleitet. Die Anstiegsgeschwindigkeit di₁/dt des Stromes i₁ ist gegenüber t₁ reduziert; die Asymptote ist jetzt U _b /R. Die geringere Anstiegsgeschwindigkeit ist in Fig. 5 erkennbar. Es wird in diesem Zeitraum der Spannungsquelle Energie entzogen und in die Magnetspule als induktive Energie eingegeben.

Diese Energie wird anschließend als kapazitive Energie im Kondensator 17′ gespeichert, wobei im folgenden zwei Fälle unterschieden werden:

In Fall 1 erreicht i₁ zum Zeitpunkt t₄ den oberen Wert von i _max , so daß die maximale Energie erreicht wird. Dieser Fall ist auch in Fig. 5 dargestellt.

In Fall 2 erreicht i₁ den oberen Wert von i _max nicht. Beispielsweise, weil die im Kondensator 17′ gespeicherte Energie von vorhergehenden Schaltvorgängen zur ausreichenden Stromerhöhung in der Magnetspule 10 nicht ausgereicht hat.

Die Spannung im Kondensator 17′ wird nun dadurch erhöht, daß für t₄t t₅ der steuerbare Schalter 13 abgeschaltet wird. In diesem Fall sind die Dioden 16 und 18 in leitendem Zustand, so daß der Kondensator 17′ mit i₁ geladen wird,wobei i₁ im Fall 1 von i _max und im Fall 2 von einem darunterliegenden Wert ausgeht und auf einen Haltestrom i _H abfällt. Der Haltestrom i _H ist dabei so gewählt, daß der elektromagnetische Verbraucher trotz der Reduktion des durch die Magnetspule 10 fließenden Stromes i₁ in dem aktivierten Zustand bleibt. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß für i _H ein maximaler Grenzwert i _{H max} und ein minimaler Grenzwert i _{H min} vorgegeben sind.

Im Fall 1 wird der für die Kondensatorspannung vorgegebene Wert U _{C soll} erreicht, bevor i₁ auf i _{H min} gesunken ist. Im Zeitintervall t₅t t₆ wird daher der steuerbare Schalter 21 a eingeschaltet, so daß die induktive Energie praktisch ohne äußere Spannung über den Widerstand R₁ der Magnetspule 10, über den Schalter 21 a und die Diode 18 weiter abgebaut und nicht weiter in den Kondensator 17′ eingespeichert wird. Die Spannung u _C bleibt deshalb während dieses Zeitraums unverändert auf U _{C soll} . Wenn der Strom i₁ den Wert i _{H min} erreicht, wird der steuerbare Schalter 21 a aus- und der Schalter 13 eingeschaltet, so daß i₁ wieder zunimmt. Zum Zeitpunkt t₇ erreicht i₂ wieder den Wert i _{H max} , so daß durch Einschalten des Schalters 21 a und Ausschalten des Schalters 13 der Strom i₁ wieder reduziert wird. Auf diese Weise wird i₁ immer auf einem vorbestimmten Wert i _{H min} i₁i _{H max} gehalten.

Im Fall 2, in dem i₁ den Wert i _max zur Zeit t₄ nicht erreicht hat, wird im Zeitbereich t₅t t₆ der Schalter 13 statt des Schalters 21 a eingeschaltet, so daß der Spannungsquelle neue Energie entnommen wird, die dann in den Kondensator 17′ eingespeist werden kann, bis schließlich die erforderliche Gesamtenergie erreicht ist.

Der steuerbare Schalter 13 wird auch im Fall 1 eingeschaltet, wenn der Strom i₁ auf i _{H min} sinkt, bevor u _C den Wert U _{C soll} erreicht hat. Dadurch steigt i₁ wieder an. In einem nächsten Zyklus wird dann i₁ wieder gesenkt und die induktive Energie dem Kondensator 17′ eingespeist.

Im Fall 2 werden zum Zeitpunkt t₆ beide steuerbaren Schalter 13 und 21 a geöffnet, damit u _C über die Dioden 16 und 18 erhöht wird.

Es ist ersichtlich, daß i₁ und u _C durch geeignete Steuerung der Schalter 13 und 21 a auf jeden gewünschten Wert von u _C bzw. Mittelwert für i₁ einstellbar sind.

Zur Zeit t₈ wird beispielsweise durch ein außerhalb der Ansteuerschaltung erzeugtes Signal die Magnetspule 10 abgeschaltet und die Magnetspule 10 a eingeschaltet, d. h., der Strom i₁ soll möglichst schnell auf i₁=0 gesenkt und der Strom i₂ möglichst schnell auf den Wert i₂=i _max erhöht werden. Dazu werden die steuerbaren Schalter 13 und 21 a geöffnet und die Schalter 13 a und 21 geschlossen, damit die Ladung des Kondensators 17′ für einen schnellen Anstieg von i₂ zur Verfügung steht.

Die mit der Stromversorgung und mit dem Kondensator 17′ verbundene Diode 60 ist so angeordnet, daß sofort nach Einschalten der Stromversorgung der Kondensator 17′ auf U _b aufgeladen wird, damit die als steuerbare Schalter 13 und 13 a verwendeten Transistoren nicht mit einer zu hohen inversen Spannung beaufschlagt werden. Dazu ist die Anode der Diode 60 mit dem zweiten Stromversorgungsabschluß 15 und die Kathode der Diode 60 mit dem ersten Anschluß 19′ des Kondensators 17′ verbunden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltung ist in Fig. 6 gezeigt. Es wird anhand der Fig. 7 und 8 näher erläutert.

Die Ansteuerung der Schaltung soll in diesem Fall so erfolgen, daß die durch die Magnetspulen 10 und 10 a fließenden Ströme einen oberen Haltestrom i _HO bzw. einen unteren Haltestrom i _HU einnehmen. Die Halteströme sind so gewählt, daß die Anker der Magnetspulen 10 und 10 a bei einer Senkung des Stroms von i=i _max auf i=i _HO nicht zurückfallen bzw. bei einer Erhöhung des Stroms von i=Null oder einem Wert i<i _HU auf i=i _HU nicht anziehen. In Fig. 7 ist für i _HO ein Wert von i _HO <i _max , und in Fig. 8 ist für i _HO der Wert i _HO =i _max gewählt worden. Die Senkung des Wertes von i _HO gemäß Fig. 7 führt zu einer Energieeinsparung.

Zur Zeit t₁ soll in den Fig. 7 und 8 die Magnetspule 10 erregt werden. Dazu werden der steuerbare Schalter 13 geschlossen und der Schalter 13 a geöffnet. Für die Zeit t<t₁ flossen in den Magnetspulen 10, 10 a die Ströme i₁ und i₂. Nach der Ansteuerung der Schalter fließt für t<t₁ der Strom i₁ über den steuerbaren Schalter 13 und i₂ über die Dioden 16 a und 18 a. Solange i₂<i₁ ist, wird der Kondensator 17 aufgeladen auf einen Wert u _C <U _b , da die Diode 16 sperrt. Wird für den Kondensator 17 eine kleine Kapazität gewählt, wird u _C besonders groß.

Wie schon anhand von Fig. 5 erläutert, fällt i₂ sehr rasch, während i₁ schnell steigt. Durch die schnelle Stromänderung und die daraus resultierende Kraftänderung im Zeitintervall t₁t t₂ hebt der Anker vom Anschlag ab. Während der Bewegung erhöhen sich die Kräfte ohne weitere Stromerhöhung.

Zum Zeitpunkt t₃ ist in den Fig. 7 und 8 für i₁ der sinnvolle maximale Strom i _max erreicht. Der steuerbare Schalter 13 wird geöffnet, der Schalter 13 a bleibt offen. Dadurch sinkt i₁, während i₂ durch die Energieumladung wieder steigt. Schließlich erreichen die Ströme die gewünschten Haltewerte i _HO bzw. i _HU , wobei in Fig. 7 i _HO <i _max und in Fig. 8 i _HO = i _max ist. Aufgrund der Hysterese findet ein "Überschwingen" statt. Im Zeitpunkt t=t₄ wird der Schalter 13 geschlossen, damit i₁ wieder steigt, während i₂ sinkt. Durch Öffnen des Schalters 13 für t=t₅ sinkt i₁ wieder, während i₂ steigt. Durch die getaktete Ansteuerung können die Halteströme auf jeden gewünschten Wert 0i i _max eingestellt werden.

Unter der Voraussetzung, daß die Taktung bei ideal durchgeschalteten Dioden und Transistoren als steuerbare Schalter keine Verluste erzeugt, gilt folgende Gleichung für den unteren mittleren Haltestrom:

wobei t₁₃ _ein die Zeit bezeichnet, die der Schalter 13 im eingeschalteten Zustand, und t _ges für den gesamten getakteten Zeitraum steht.

Für den oberen mittleren Haltestrom i _HO gilt folgende Gleichung:

i _HO = i _HU / (1-T₁) .

Die Schaltung ist nur wirksam, wenn i _HO /i _HU <0 ist. Ein praktikabler Wert ist i _HO /i _HU =4. Daraus berechnet sich T₁ zu T₁=0,75.

Während bei der Ansteuerung gemäß Fig. 8 ein Umschaltvorgang zur Zeit t₆ unmittelbar eingeleitet werden kann, muß bei der Ansteuerung gemäß Fig. 7 vor Umschaltung zur Zeit t₇ der Strom i₁ im Zeitraum t₆t t₇ auf i _max erhöht werden, damit zur Umschaltung genügend Energie zur Verfügung steht.

Dieser Zeitraum t₆t t₇ in Fig. 7 muß allerdings vor jeder Umschaltung gegeben sein. Ein Vorteil dieser Ansteuerung ist jedoch, daß Einflüsse der Taktung zur Zeit t₇ abgeklungen sind und die Umschaltung der Magnetspulen 10 und 10 a nicht beeinträchtigen können.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung ist in Fig. 9 gezeigt. Diese Schaltung ist besonders für ein Zweispulen-Stellwerk geeignet. Gegenüber der Schaltung gemäß Fig. 3 sind die beiden ersten Kondensatoren 17, 17 a und die beiden zweiten steuerbaren Schalter 21, 21 a entfallen. Der Einschaltzeitpunkt der einen Spule nach Abschaltung der anderen Spule kann daher nicht mehr frei gewählt werden. Dafür wird die Schaltung gemäß Fig. 3 um Reihenschaltungen, bestehend aus einem Widerstand 62, 62 a und einer dritten Diode 64, 64 a, ergänzt, die parallel zu den beiden Magnetspulen 10, 10 a liegen. Eine Vereinfachung ergibt sich bezüglich der Ansteuerschaltung 70, die lediglich zwei Steuerleitungen 72, 74 aufzuweisen braucht, über die die beiden steuerbaren Schalter 13, 13 a betätigt werden. Bedingt durch den Wegfall der beiden ersten Kondensatoren 17, 17 a kann die induktive Energie nicht mehr zwischengespeichert werden, sondern wird unmittelbar zum Magnetfeldaufbau in der jeweils anderen Magnetspule eingesetzt.

Die Schaltung gemäß Fig. 9 arbeitet folgendermaßen: Zunächst wird der erste steuerbare Schalter 13, vorzugsweise ein Transistor, geschlossen. In der Magnetspule 10 fließt dann ein Strom i₁. Nachdem der Transistor 13 von der Ansteuerschaltung 70 über die Steuerleitung 72 ein Öffnungssignal erhalten hat, fließt der Strom i₁ in der Magnetspule 10 nicht mehr über den Transistor 13 zum ersten Stromversorgungsanschluß 14, sondern nun über die zweite Diode 18 unmittelbar zum ersten Magnetspulenanschluß 11 a der Magnetspule 10 a, die zu diesem Zeitpunkt noch stromlos ist, obwohl der zweite steuerbare Schalter 13 a, ebenfalls vorzugsweise ein Transistor, über die Steuerleitung 74 gleichzeitig mit dem Öffnungssignal für den Schalter 13 ein Schließsignal von der Ansteuerschaltung 70 erhalten hat. Der von der Magnetspule 10 stammende Strom i₁ kann in dem Einschaltaugenblick des Transistors 13 a nur über den aus dem Widerstand 62 a und der dritten Diode 64 a bestehenden Strompfad fließen. Die Durchlaßrichtung der dritten Diode 62, 62 a ist so festgelegt, daß durch sie Strom fließt, wenn das Potential am ersten Magnetspulenanschluß 11, 11 a, also an der Anode der Diode 62, 62 a, höher ist als am zweiten Magnetspulenanschluß 12 bzw. an der Kathode der Diode 62, 62 a. Eine Spannungsüberhöhung ergibt sich hier gemäß dem ohmschen Gesetz als Produkt vom Widerstandwert des Widerstandes 64 a und des durch den Widerstand 64 a fließenden Stroms i₁. Diese Spannungsüberhöhung führt zu einem beschleunigten Stromaufbau in der Magnetspule 10 a. Im stationären, eingeschalteten Zustand der Magnetspule 10 a fließt über den Widerstand 62 a und die dritte Diode 64 a kein Strom mehr, da im allgemeinen der Spannungsabfall an der Magnetspule 10 a unter der Schleusenspannung der dritten Diode 64 a liegt und diese somit sperrt. Der Strom i₂ durch die Magnetspule 10 a fließt dann über die erste Diode 16 a, die während der Spannungsüberhöhung am Widerstand 62 a gesperrt hatte.

Erhält jetzt der Transistor 13 a ein Öffnungssignal und gleichzeitig der Transistor 13 ein Schließsignal, erfolgt der Magnetfeldaufbau in der Magnetspule 10 wiederum in der beschriebenen Weise, wobei die induktive Energie der Magnetspule 10 a für den Einschaltvorgang der Magnetspule 10 ausgenützt wird.

Der Widerstandswert der beiden Widerstände 62, 62 a ist so bemessen, daß die Spannungsüberhöhung keine zu hohen Werte annehmen kann. In einem Ausführungsbeispiel lag er bei 100 Ω, womit sich bei einem Spulenstrom im stationären Zustand von 2 A eine Spannungsüberhöhung von etwa 200 V einstellte.

Eine weitere Verbesserung des Schaltverhaltens, d. h., eine weitere Energieeinsparung und Zeitverkürzung, wird im getakteten Betrieb erhalten. Es eignen sich dafür besonders die Ausführungsbeispiele der Schaltungen 1, 3, 4 und 6. Wie oben schon erwähnt, heißt getakteter Betrieb, daß der erste steuerbare Schalter 13 oder die beiden ersten steuerbaren Schalter 13 und 13 a auch in den stationären Betriebszuständen des elektromagnetischen Verbrauchers ein- bzw. ausgeschaltet werden. Ist die Taktfrequenz ausreichend hoch, stellt sich in Abhängigkeit des Verhältnisses von Einschalt- zu Ausschaltzeitdauer ein bestimmter Mittelwert des Stroms durch die Magnetspule 10, 10 a ein. Der Kondensator 17, 17′ bzw. die beiden Kondensatoren 17 und 17 a werden nach Beginn eines jeden Ausschaltvorgangs etwas aufgeladen. Dieser Schaltbetrieb ermöglicht es, bei elektromagnetischen Stellwerten unterschiedliche Strom- und damit Kraftniveaus der Elektromagneten den unterschiedlichen Betriebszuständen, nämlich Hub in eine Position, Haltezustand in dieser Position, Rückhub in die andere Position und Haltezustand in der anderen Position, zuzuordnen. Während der Hub- und Rückhubphase wird der Strom, wie bereits beschrieben, in der Magnetspule 10 bzw. in den Magnetspulen 10, 10 a vollständig ein- bzw. ausgeschaltet. Im stationären Betriebszustand wird dann in derjenigen Schaltposition, die dem stromlosen Zustand entspricht, ein mittlerer Strom i _HU so eingestellt, daß die Schaltfunktion noch gewährleistet ist. Ein Umschalten in die andere Position, die dem Stromflußfall entspricht, ist dann durch die Überwindung einer minimalen Kraft in kurzer Zeit möglich. Ist diese Position dann erreicht, wird der mittlere Strom von i _max auf den Wert i=i _HO , also so weit reduziert, daß die Schaltfunktion in dieser Position ebenfalls gerade noch gewährleistet ist. Eine Rückkehr in die vorherige Position ist dann ebenfalls durch Überwindung einer geringen Kraft rasch möglich. Es handelt sich bei diesem Beispiel um ein System, bei dem der Strom vier unterschiedliche Niveaus aufweist: Null, Haltestrom i _HU für die eine Position, Maximalwert i _max und Haltestrom i _HO für die andere Position.

Durch die getaktete Ansteuerung der steuerbaren Schalter 13, 13 a ist es überdies möglich, die vorbestimmten Haltestromwerte bzw. den Wert von i _max auch bei im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeugs auftretenden Änderungen der Spannungsversorgung durch eine geeignete Änderung des Taktverhältnisses auszugleichen. Beispielsweise wird das Taktverhältnis im Bereich von 0,75t₁1 variiert.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, die induktive Energie einer eingeschalteten, stromdurchflossenen Magnetspule nach Beginn ihres Abschaltvorgangs zum Stromaufbau in einer Magnetspule zu verwenden, ergab sich bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 eine Reduktion der Schaltzeit eines Doppelmagnet-Ventils von 0,31 ms auf 0,24 ms im getakteten Betrieb. Die Magnetspulen 10, 10 a hatten einen Nennstrom von jeweils 20 A und wiesen eine Induktivität von 300 µH auf. Die Kapazität der beiden ersten Kondensatoren 17 und 17 a war jeweils 20 µF.

Claims (22)

1. Verfahren zur Ansteuerung von elektromagnetischen Verbrauchern mit mindestens einer Magnetspule, insbesondere von magnetisch betätigbaren Einspritzventilen, über mindestens einen steuerbaren Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Abschaltung eines elektromagnetischen Verbrauchers vorhandene induktive Energie der stromdurchflossenen Magnetspule (10, 10 a) des elektromagnetischen Verbrauchers für den Einschaltvorgang eines elektromagnetischen Verbrauchers verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Abschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers vorhandene induktive Energie der stromdurchflossenen Magnetspule (10, 10 a) zur Erzeugung kapazitiver Energie in mindestens einem Kondensator (17, 17 a, 17′) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Kondensator (17, 17 a, 17′) gespeicherte Energie für den Einschaltvorgang des unmittelbar zuvor abgeschalteten elektromagnetischen Verbrauchers verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Abschaltung eines elektromagnetischen Verbrauchers in dem Kondensator (17, 17 a, 17′) gespeicherte kapazitive Energie für den Einschaltvorgang mindestens eines anderen elektromagnetischen Verbrauchers verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kondensator (17, 17 a, 17′) gespeicherte Energie über mindestens einen mit dem Kondensator verbundenen steuerbaren Schalter (21, 21 a) für einen späteren Einschaltvorgang gezielt abgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kondensator (17, 17 a, 17′) gespeicherte Energie auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wird.

7. Verfahren anch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach Abschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers vorhandene induktive Energie der stromdurchflossenen Magnetspule (10, 10 a) des Verbrauchers unmittelbar nach Beginn der Abschaltung für den Einschaltvorgang mindestens eines anderen elektromagnetischen Verbrauchers verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere, durch die Magnetspule (10, 10 a) des elektromagnetischen Verbrauchers fließende Strom durch periodische Ansteuerung des Verbrauchers auf mindestens einem Wert, vorzugsweise auf vier verschiedenen vorbestimmten Werten, gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Magnetspule (10, 10 a) des abzuschaltenden elektromagnetischen Verbrauchers vor dessen Abschaltung fließende Strom auf einen für einen folgenden Einschaltvorgang optimalen Wert eingestellt wird.

10. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 oder 9, gekennzeichnet durch mindestens einen mit mindestens einem elektromagnetischen Verbraucher verbundenen Kondensator (17, 17 a, 17′) zur Zwischenspeicherung der bei Abschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers in dessen Magnetspule (10, 10 a) vorhandenen induktiven Energie.

11. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem elektromagnetischen Verbraucher ein Kondensator (17, 17 a) zugeordnet ist.

12. Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehreren elektromagnetischen Verbrauchern ein Kondensator (17′) zugeordnet ist.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch mindestens einen Schalter (21, 21 a), über den die im Kondensator (17, 17 a, 17′) gespeicherte Energie mindestens einem elektromagnetischen Verbraucher für dessen Einschaltung zuführbar ist.

14. Schaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (21, 21 a) ein Transistor ist.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine zwischen dem elektromagnetischen Verbraucher und dem Kondensator (17, 17 a, 17′) angeordnete Diode (18, 18 a) über die die bei Abschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers vorhandene induktive Energie in den Kondensator (17, 17 a, 17′) eingespeist wird und die einen entgegensetzt zur induktiven Energie fließenden Strom unterbindet.

16. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 7, gekennzeichnet durch eine Verbindung eines elektromagnetischen Verbrauchers mit mindestens einem weiteren elektromagnetischen Verbraucher, über die die bei der Abschaltung des einen elektromagnetischen Verbrauchers vorhandene induktive Energie unmittelbar dem anderen elektromagnetischen Verbraucher für dessen Einschaltung zugeleitet wird.

17. Schaltung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine parallel zum elektromagnetischen Verbraucher geschaltete Serienschaltung aus einem Widerstand (62, 62 a) und einer Diode (64, 64 a), über die die induktive Energie des einen abgeschalteten Verbrauchers zur Erzeugung einer dem Einschaltvorgang des anderen elektromagnetischen Verbrauchers dienenden Spannung abgeleitet wird, wobei die Diode (62, 62 a) einen in entgegengesetzte Richtung fließenden Strom unterbindet.

18. Schaltung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine in der Verbindung angeordnete Diode (18, 18 a), die einen entgegengesetzt zur induktiven Energie fließenden Strom unterbindet.

19. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, gekennzeichnet durch mindestens eine zwischen dem elektromagnetischen Verbraucher und einer mit diesem verbundenen Spannungsquelle angeordnete Diode (16, 16 a), die eine Ableitung der induktiven Energie in die Spannungsquelle verhindert.

20. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ansteuerung des elektromagnetischen Verbrauchers dienende steuerbare Schalter (13, 13 a) ein Transistor ist.

21. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ansteuerung des elektromagnetischen Verbrauchers dienende steuerbare Schalter (13, 13 a) ein ein- und ausschaltbarer Thyristor ist.

22. Schaltung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, gekennzeichnet durch mindestens eine Diode (60), über die der Kondensator (17, 17 a, 17′) mit der Spannungsquelle verbindbar und aufladbar ist.