DE3910810A1 - Schaltungsanordnung fuer ein elektromagnetisches ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur An­ steuerung eines elektromagnetischen Stellgliedes, insbe­ sondere eines elektromagnetischen Ventiles in einer hydrau­ lischen Anlage nach dem Oberbegriff es Anspruches 1.

Elektromagnetische Stellglieder sind so ausgelegt, daß deren Schaltglied bei stromloser Erregerspule in einer ersten Stellung und bei stromdurchflossener Erregerspule in einer zweiten Stellung gehalten ist. Die Auslegung des elektromagnetischen Stellgliedes erfolgt so, daß eine für die Überführung von der ersten in die zweite Schaltstellung erforderliche Schaltkraft zur Verfügung gestellt ist. Zur Aufrechterhaltung der zweiten Schaltstellung bei strom­ durchflossener Spule ist jedoch eine geringere Haltekraft ausreichend. Dies führt dazu, daß zur Aufrechterhaltung der Stellung des Schaltgliedes bei stromdurchflossener Spule ein erheblich größerer Strom fließt und damit eine größere Kraft zur Verfügung gestellt ist, als dies notwendig wäre. Neben einem unnötigen Energieverbrauch führt dies aber auch zu einer erheblichen Erwärmung der Erregerspule bzw. des elektromagnetischen Stellgliedes, weshalb oft entsprechende Kühlanordnungen vorgesehen werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine übermäßige Leistungsaufnahme eines elektromagnetischen Stellgliedes zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Durch das Pulsen der Versorgungsspannung kann die mittlere Leistungsaufnahme des Stellgliedes bis auf die erforderliche Halteleistung re­ duziert werden. Diese Halteleistung liegt deutlich unter­ halb der Anzugsleistung, so daß im geschalteten Zustand eine deutlich geringere Leistungsaufnahme vorliegt. Diese Leistungsreduzierung bedingt eine geringere Erwärmung des Stellgliedes; ferner wird auch das die Versorgungspannung bereitstellende Netzgerät weniger belastet.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Stellglied auch mit Überspannung betrieben werden kann. Bei Vorliegen des Ausgangssignales des Zeitgliedes wird dann ein erheb­ lich beschleunigter Anzug des Stellgliedes erreicht, wo­ durch die Schaltzeit des Stellgliedes deutlich vermindert werden kann. Nach Ablauf des Zeitgliedes, d.h. nach ausge­ führter Schaltbewegung, wird die Versorgungspannung wieder gepulst, wodurch die mittlere Leistungsaufnahme mindestens so weit gesenkt werden kann, daß eine Schädigung der Er­ regerspule durch die Überspannung sicher vermieden ist.

Vorteilhaft ist die Periodendauer der aus Rechteckimpulsen bestehenden Impulsfolge einstellbar. Dies kann dadurch ge­ schehen, das die Impulszeit und/oder die Pausenzeit der Im­ pulsfolge getrennt voneinander eingestellt werden. In einer einfachen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung wird das Zeitglied und das Steuergerät durch Ein­ schalten der Versorgungsspannung gleichzeitig gestartet.

Um eine getrennte Zuführung der Versorgungsspannung zu je­ dem einzelnen Stellglied zu vermeiden, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das Zeitglied und das Steuergerät über einen vorzugsweise elektronischen Schalter an die Versorgungsspannung anzuschalten. Das den Stellgliedern die Leistung zuführende Netz kann dann vorteilhaft durchge­ schleift werden, um dann über Steuerleitungen das eine oder andere Stellglied über eine Eingangsschaltung zu akti­ vieren.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird die Stel­ lung des Schaltgliedes des elektromagnetischen Stellgliedes von einer Uberwachungsschaltung erfaßt. Das Zeitglied wird von der Überwachungsschaltung immer dann aktiviert, wenn der Sensor der Überwachungsschaltung eine zu korrigierende Abweichung der Stellung des Schaltgliedes bei stromdurch­ flossener Spule feststellt. Das Starten des Zeitgliedes hat zur Folge, das der Erregerspule des Schaltgliedes die Ver­ sorgungsspannung wieder permanent zur Verfügung gestellt wird, also die größere Schaltkraft zur Verfügung steht.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei­ teren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen beschriebenes Ausführungs­ beispiel der Erfindung dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Stellgliedes,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 in modifizierter Ausführung,

Fig. 3 eine Darstellung des Signalverlaufes an einzelnen Punkten der Schaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsan­ ordnung besteht im wesentlichen aus drei Hauptkomponenten, nämlich der die Erregerspule 1 eines nicht näher darge­ stellten Stellgliedes ansteuernde Leistungseinheit 2, einem Steuergerät 3 und einem Zeitglied 4. Über die Leistungs­ einheit 2 ist eine an den Eingangsklemmen 6 und 7 angelegte Versorgungsspannung 5 auf die Erregerspule 1 aufschaltbar. Die Erregerspule 1 ist an entsprechende Ausgangsklemmen 8 und 9 der Leistungseinheit 2 angeschlossen.

Die negative Eingangsklemme 7 steht unmittelbar mit der negativen Ausgangsklemme 8 in Verbindung, während die positive Eingangsklemme 6 über ein Leistungsschaltglied 10 mit der Ausgangsklemme 9 verbunden ist. Das Leistungs­ schaltglied 10 ist vorzugsweise ein elektronischer Schalter wie ein Transistor. Vorteilhaft ist ein PMOS-Leistungs­ transistor als Schalter vorgesehen.

Das Leistungsschaltglied 10 wird vom Ausgangssignal eines Steuergerätes 3 angesteuert, dessen Ausgang im Punkt C mit dem Steuergitter des PMOS-Transistors 10 verbunden ist. Der Punkt C ist ferner über einen Widerstand R 8 an die positive Eingangsklemme 6 gelegt. Parallel zum Widerstand R 8 ist eine Zenerdiode D 4 geschaltet.

Das Steuergerät besteht im wesentlichen aus zwei Transis­ toren T 2 und T 3, die mit Kondensatoren C 3 und C 4 wie mit Dioden D 1 und D 2 einen bistabilen Multivibrator bilden. Der Kollektorzweig des Transistors T 3 liegt über einem Wider­ stand R 7 am Punkt C, während der Kollektor T 2 über den Widerstand R 4 an der positiven Versorgungsspannung liegt. Die Basen der Transistoren T 2 und T 3 sind über in Fluß­ richtung geschaltete Dioden D 1 und D 2 und Widerstände R 5 und R 6 ebenfalls an die positive Versorgungsspannung ge­ legt. Die Kondensatoren C 3 und C 4 bilden einen Brückenzweig zwischen den Widerständen R 4 und R 6 bzw. R 5 und R 7.

Liegt eine Versorgungsspannung an, schwingt der als bi­ stabiler Multivibrator ausgebildete Oszillator und gibt an seinem Ausgang eine Impulsfolge U (C) ab, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Periodendauer T dieser Impulsfolge U (C) ist einstellbar. Hierzu werden die Widerstände R 5 und R 6 ausgetauscht, wobei die Größe des Widerstandes R 6 die Pausenzeit TP und die Größe des Widerstandes R 5 die Impuls­ zeit TI bestimmt. Die Bezeichnungen Impulszeit TI und Pausenzeit TP beziehen sich auf das durch die Impulsfolge U (C) gepulste Ausgangssignal U (E) über den Klemmen 8 und 9. Es ist genau invertiert zur Impulsfolge U (C). Ist nämlich im Punkt C die Spannung zu Null, der Transistor T 3 also durchgeschaltet, schaltet der PMOS-Transistor 10 durch, so daß an den Ausgangsklemmen 8, 9 die volle Spannung anliegt (vgl. Darstellung U (E) in Fig. 3).

Es kann vorteilhaft sein, die Wiederstände R 5 und R 6 als veränderbare Widerstände vorzusehen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfaßt ferner das Zeitglied 4, welches im wesentlichen aus einem an der Ver­ sorgungsspannung liegenden Spannungsteiler R 1 und R 2 be­ steht, mit dem die Basis eines Transitors T 1 beschaltet ist. Parallel zum Widerstand R 2 ist ein zwischen Basis und negativer Versorgungsspannung geschalteter Kondensator C 3, vorzugsweise Elektrolytkondensator vorgesehen, dessen Kapazität zusammen mit den Widerständen des Spannungs­ teilers R 1 und R 2 die Zeitkonstante des Zeitgliedes 4 be­ stimmt. Der Kollektor des Transistors T 1 ist über einen Schutzwiderstand R 3 an die positive Eingangskemme 6 gelegt, während der Ermitter an der negativen Versorgungsklemme 7 liegt. Ferner ist der Kollektor über eine Diode D 3 auf einen Punkt B zwischen der Basis des Transistors T 3 und dessen Diode D 2 des Multivibrators geschaltet.

Mit dem Einschalten der Versorgungsspannung 5 liegt über die Diode D 3 eine Spannung U (A) an der Basis des Transis­ tors T 3 an, wodurch das Ausgangssignal U (C) des Multi­ vibrators vom Ausgangssignal U (A) des Zeitgliedes 4 überlagert wird. Bei Anliegen des Signales U (A) ist der Transistor durchgeschaltet, die Spannung im Punkt C also Null. Erst nach Ablauf der Zeitkonstanten t 0 gibt der Multivibrator wieder das Signal U (C) ab, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

Da das Ausgangssignal U (A) des Zeitgliedes 4 das Ausgangs­ signal U (C) des Multivibrators des Steuergerätes 3 über­ lagert, ergibt sich an den Ausgangsklemmen 8, 9 ein ent­ sprechendes Signal U (E), wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Bis zum Zeitpunkt t 0 wird der PMOS-Transistor 10 voll durchgeschaltet, so daß die volle Versorgungsspannung 5 über den Ausgangsklemmen 8, 9 und somit an der Erregerspule 1 des Stellgliedes (nicht dargestellt) anliegt. Die Zeit t 0 ist so gewählt, das die erforderliche Stellbewegung mit Sicherheit ausgeführt ist. Da während dieser Zeit die volle Versorgungsspannung 5 an der Erregerspule 1 anliegt, wird auch die zur Verstellung notwendige Stellkraft zur Ver­ fügung gestellt.

Nach Ablauf der Zeit t 0 wird das Ausgangssignal U (A) des Zeitgliedes 4 zu Null, so daß dann im Punkt C das als Im­ pulsfolge vorliegende Steuersignal des Multivibrators des Steuergerätes 3 zu einem entsprechenden Ein- und Ausschal­ ten des PMOS-Transistors 10 führt, wodurch die Versorgungs­ spannung entsprechend gepulst auf die Erregerspule 1 aufge­ schaltet ist. Diese impulsförmige Aufschaltung der Versor­ gungsspannung 5 auf die Erregerspule 1 hat einen geringeren Strom I zur Folge, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Bis zum Zeitpunkt t 0, bis zu dem die volle Versorgungsspannung anliegt, fließt ein mittlerer Strom I 1 durch die Erreger­ spule 1. Ab dem Zeitpunkt t 0 fließt nur noch ein mittlerer Strom I 2 durch die Erregerspule 1, wodurch eine deutliche Verringerung der Leistungsaufnahme erzielt ist. Der mittlere Strom I 2 ist so bemessen, daß das Stellglied sicher in der geschalteten Stellung gehalten ist.

Ist das Stellglied Erschütterungen usw. ausgesetzt, so daß eine Verlagerung des Stellgliedes gegen die wirkende Halte­ kraft befürchtet werden muß, ist in Weiterbildung der Er­ findung vorgeschlagen, ein Stellungssensor 11 am Stellglied anzuordnen. Verlagert sich das Stellglied aus seiner vorge­ gebenen Stellung, wird dies vom Sensor 11 erfaßt und einer Überwachungsschaltung 12 mitgeteilt, die bei Überschreiten vorbestimmter Grenzwerte ein Ausgangssignal auf die Basis des Transistors T 1 gibt. Hierdurch gibt das Zeitglied 4 ein entsprechendes Ausgangssignal ab, das über die Diode D 3 im Punkt B auf die Basis des Transistors T 3 aufgegeben ist, wodurch das Ausgangssignal des Multivibrators überlagert wird. Es liegt dann ein permanentes Signal im Punkt C an, weshalb der PMOS-Transistor 10 voll durchschaltet und die Erregerspule 1 wieder an die volle Versorgungsspannung 5 anlegt. Das Stellglied fährt unter Einwirkung der größeren Kraft in seine vorgegebene Stellung zurück, was der Sensor 11 erfaßt und der Überwachungsschaltung 12 meldet. Diese stellt den ordnungsgemäßen Lagezustand des Stellgliedes fest und löscht das Signal auf seiner Ausgangsleitung 13. Damit wird das Ausgangssignal des Zeitgliedes 4 zu Null und im Punkt C liegt wiederum die Impulsfolge U (C) gemäß Fig. 3 an.

In Weiterbildung der Erfindung gem. Fig. 2 ist das Steuer­ gerät 3 und das Zeitglied 4 über einen Schalttransistor T 4 an die positive Eingangsklemme 6 gelegt, während der PMOS- Transistor 10 permanent an der Eingangsklemme 6 liegt. Diese Schaltung hat den Vorteil, daß nunmehr an den Ein­ gangsklemmen 6 und 7 permanent die Versorgungsspannung anliegen kann, ohne daß das Zeitglied 4 oder das Steuer­ gerät 3 startet und den PMOS-Transistor 10 im Sinne eines Durchschaltens der Versorgungsspannung auf die Erregerspule 1 betätigt. Der Schalttransistor T 4 wird entsprechend einem Steuersignal auf der Eingangsklemme 15 betätigt. Die Ein­ gangsklemme 15 steht über eine Inverterstufe aus einem Transistor T 5 und entsprechenden Widerständen 16 bis 20 mit der Basis des Transistors T 4 in Verbindung. Liegt ein Steuersignal auf der Eingangsklemme 15 an, wird der Tran­ sistor T 4 durchgesteuert, wodurch nunmehr die positive Versorgungsspannung sowohl am Zeitglied 4, wie am Steuer­ gerät 3 anliegt. Das Zeitglied 4 und das Steuergerät 3 starten und nehmen ihren Betrieb auf, wobei im Punkt C - wie schon beschrieben - bis zum Ablauf der Zeit t 0 ein Permanent-Signal anliegt, dem die Impulsfolge des Steuergerätes 3 folgt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 hat den Vorteil, daß eine Vielzahl von Stellgliedern permanent an eine Versor­ gungsspannung angelegt werden können. Das Einschalten der Stellglieder erfolgt über ein Signal auf der Eingangsklemme 15, das im Bereich von m Ampere liegt. Die erfindungsgemäße Eingangsschaltung 21 ermöglicht daher ein Durchschleifen der Versorgungsspannung, wodurch der Leitungsaufwand des Leistungsnetzes verringert werden kann.

Zur Glättung der Versorgungsspannung kann es vorteilhaft sein, über die Eingangsklemmen 6 und 7 einen Glättungskon­ densator 22 zu legen, der vorzugweise ein Elektrolytkonden­ sator ist.

Zur Vermeidung von Spannungsspitzen ist ferner die Erreger­ spule 1 über eine Freilaufdiode D 5 abgesichert, die zwischen den Klemmen 8 und 9 liegt.

Zur Zustandsanzeige der Schaltstellungen des Stellgliedes ist ferner eine Leuchtdiode D 6 angeordnet, die über einem Widerstand zwischen den Ausgangsklemmen 8 und 9 liegt. Die Leuchtdiode ist dann stromdurchflossen, wenn an der Erre­ gerspule die volle Versorgungsspannung 5 anliegt. Parallel zur Leuchtdiose D 6 ist eine Schutzdiode D 7 angeordnet.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektro­ magnetischen Stellgliedes, insbesondere eines elektro­ magnetischen Ventiles in einer hydraulischen Anlage, mit einem Leistungsschaltglied (10) zum Aufschalten einer Versorgungsspannung (5) auf eine Erregerspule (1) des Stellgliedes, dadurch gekennzeichnet, daß das Schalt­ glied (10) ein elektronischer Schalter ist, der einer­ seits vom Ausgangssignal (U (A)) eines Zeitgliedes (4) und andererseits vom Steuersignal (U (C)) eines Steuer­ gerätes angesteuert ist, wobei das als Impulsfolge vor­ liegende Steuersignal (U (C)) von dem Ausgangssignal (U (A)) des Zeitgliedes (4) überlagert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer (T) der Impulsfolge (U (C)) einstellbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszeit (TI) und die Pausenzeit (TP) der Impulsfolge (U (C)) getrennt von­ einander einstellbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (4) und das Steuergerät (3) durch Einschalten der Versorgungsspan­ nung (5) zu starten sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (4) und das Steuergerät (3) über einen vorzugsweise elektronischen Schalter (T 4) an die Versorgungsspannung (5) schaltbar sind.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (T 4) in Abhänigkeit eines Eingangssignales von einer Eingangsschaltung (21) angesteuert ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (4) von einer die Stellung des Stellgliedes erfassenden Überwachungs­ schaltung (12) zu starten ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsschaltglied (10) ein PMOS-Leistungstransistor ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät 3 ein Oszillator, vorzugsweise ein bistabiler Multivibrator ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das parallel zur Erregerspule (1) ein deren Betriebszustand anzeigende Leuchtdiode (D 6) angeordnet ist.