DE3911431A1 - Integrierbare freilaufschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierbare Freilaufschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Ansteuerung von elektromagnetischen Aktuatoren wie Mag­ netventilen, Relais, Hubmagneten oder Abschlagmagneten wird ein möglichst guter Wirkungsgrad angestrebt. Insbesondere in Anwen­ dungen, in denen der Aktuator sehr häufig betrieben wird, ist ein sehr hoher Wirkungsgrad von Nutzen, da die Wärmeentwicklung innerhalb der Aktuatorspule zumeist auch das Limit für deren Leistungsfähigkeit darstellt.

Ein Aktuator, der sich mechanisch nicht bewegt, gibt keine Energie ab und benötigt sie demzufolge auch theoretisch nicht. Das trotz­ dem Leistung verbraucht wird, liegt an dem unvermeidlichen Spu­ lenwiderstand. Dieser Spulenwiderstand wird vom Betriebsstrom des Aktuators durchflossen und erzeugt eine unerwünschte Verlust­ leistung in Form von Wärmeenergie. Die Konzeption moderner Lei­ stungsaktuatoren zielt daher unter anderem darauf ab, den Spulen­ widerstand möglichst klein zu halten. Als Ansteuerart eignet sich daher das Prinzip der getakteten Stromversorgung, ähnlich einem Schaltregler, in besonderer Weise. Vereinfachend wirkt sich dabei aus, daß die Induktivität der Last unmittelbar als Energiespeicher zu verwenden ist und keine zusätzlichen Speicher­ drosseln erforderlich sind. Eine Regelung des mittleren Stromes ist dabei durch Impulsbreitenmodulation möglich. Während der Takt­ pausen muß die Induktivität möglichst niederohmig überbrückt sein, damit der Strom in der Spule weiterfließen kann. Bei einem Abschal­ ten des Aktuators, beispielsweise durch ein völliges Abschalten der getakteten Stromversorgung, soll aber der durch den Aktuator fließende Strom in vielen Fällen, beispielsweise damit ein Relais oder ein Magnetventil möglichst schnell abfällt, in kürzester Zeit auf Null absinken.

Üblicherweise befindet sich parallel zur Induktivität ein Frei­ laufkreis bestehend aus einer Diode, die abschaltbar ist. So lange der Schalter geschlossen ist, entsteht beim Freilauf nur eine kleine Spannung an der Induktivität des Aktuators und der Strom nimmt nur langsam ab, was für die getaktete Stromversor­ gung günstig ist. Wenn dagegen der Schalter offen ist, ergibt sich eine sehr hohe Spannung, die nur durch parasitäte Elemente, beispielsweise die Wicklungskapazität, begrenzt ist, und eine sehr schnelle Beendigung des Freilaufs. Die auftretende hohe Spannung kann aber Störungen der anderen elektronischen Einrich­ tungen hervorrufen.

Aus Herbert Sax, Verlustarme Ansteuerung von Aktuatoren, Elek­ tronik Nr. 23, Nov. 1987, S. 142 ff, sind zwei Schaltungskonzepte bekannt:

• a) Die Aktuatorinduktivität liegt zwischen zwei Transistoren. Der eine Transistor übernimmt das Takten des Stromes, wobei der andere während der gesamten Einschaltphase leitend ist und die Aktuatorspule an das Betriebspotential schaltet. Am Ende der Stromflußphase sperren beide Transistoren. Der Spu­ lenstrom fließt nun unter Beibehaltung der Richtung über zwei Dioden in die Versorgungsspannungsquelle. Da die Freilauf­ spannung gleich der Versorgungsspannung ist, erfolgt der Ener­ gieabbau sehr rasch.
• b) Die Aktuatorinduktivität liegt einerseits direkt an der Ver­ sorgungsspannung. Ein Transistor schaltet am Ende der Strom­ flußphase die Freilaufdiode ab. Die dadurch frei ausschwingen­ de Spannung an der Induktivität geht über die Versorgungsspan­ nung hinaus und muß, will man die Transistoren nicht gefährden, mit einer zwischen Basis und Kollektor des Schalttransistors liegenden Zenerdiode begrenzt werden.

Die wesentlichen Nachteile des Schaltungskonzepts a) liegen da­ rin, daß in der Ladephase die Sättigungsspannungen der beiden Transistoren sich addieren und die Last beidseitig frei sein muß.

Bei dem Schaltungskonzept b) ist nachteilig, daß die Spannungs­ festigkeit beider Transistoren gleich der Zenerspannung der Zener­ diode sein muß und die Abschaltenergie verheizt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Freilaufschaltung für einen aus einer abschaltbaren, getakteten Stromversorgung ge­ speisten elektromagnetischen Aktuator anzugeben, die weniger Nachteile aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Freilaufschaltung durch die gekennzeichneten Merkmale des Patentanspruches 1 ge­ löst. Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Vorteile der Erfindung sind, daß in der Ladephase nur die Sätti­ gungsspannung eines Transistors wirksam ist, daß die Last mit einer Seite auf Betriebs- bzw. Bezugspotential liegen kann und daß ein Freilauf auch dann möglich ist, wenn die Schaltung von der Versorgungsspannung getrennt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt

Fig. 1 ein grundsätzliches erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Freilaufschaltung und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Freilaufschaltung.

Gemäß Fig. 1 der Zeichnung umfaßt das gezeigte Ausführungsbei­ spiel einen Aktuator L der einerseits auf Bezugspotential M liegt, und andererseits über einen ersten Schalter S 1 mit einer getak­ teten Stromversorgung TV beaufschlagt ist. An den Aktuator L ist eine Reihenschaltung aus einer Diode D in Sperrichtung und einer Zenerdiode ZD in Durchlaßrichtung angeschlossen. Der Zenerdiode ist ein Schalter S 2 parallel geschaltet. Während der Betriebs­ phase sind beide Schalter S 1 und S 2 geschlossen. Das bedeutet, daß während des getakteten Betriebes des Aktuators L lediglich die Diode D wirksam und der Aktuator L niederohmig überbrückt ist. Beim Abschalten werden beide Schalter S 1 und S 2 geöffnet d. h. im Freilaufkreis liegt jetzt zusätzlich die Zenerdiode ZD, die eine höhere Spannung an dem Aktuator L zuläßt und damit schnelleres Abklingen des Stromes durch den Aktuator L bewirkt. Wird insbesondere die Erfindung ausgestaltend der Schalter S 2 durch einen gesteuerten Schalter, bevorzugt einen Transistor, gebildet, so ergibt sich der Vorteil, daß bei Ausfall der Be­ triebsspannung ein kontrolliertes Freilaufen des Aktuators L ge­ währleistet wird im Gegensatz zu bekannten Schaltungen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 zeigt dazu eine vorteilhafte Ausführungsform. Zur Speisung des Aktuators L, der Freilauf­ schaltung und der getakteten Stromversorgung ist ein Versorgungs­ potential U vorgesehen, das über einen Hauptschalter S auf die Anordnung aufschaltbar ist. Darüber hinaus ist das Versorgungs­ potential U über die Emitter-Kollektorstrecke eines pnp-Tran­ sistors T 1 auf den Aktuator L geführt, dessen anderer Anschluß an dem Bezugspotential M liegt. Die Basis des Transistors T 1 ist mit dem Ausgang eines Rechteckgenerators RG verbunden, der selbst aus dem Versorgungspotential U gespeist wird. Der Freilaufkreis des Aktuators L ist die Erfindung ausgestattend gegenüber Fig. 1 dahingehend abgeändert, daß die Zenerdiode ZD nicht direkt mit dem Aktuator L verbunden ist, sondern über die Basis-Emitter- Strecke eine pnp-Transistors T 2, die Zenerdiode ZD liegt also zwischen Basis und Kollektor und Transistor T 2. Darüber hinaus ist die Basis des Transistors T 2 über einen Widerstand R mit dem Versorgungspotential U beaufschlagt. So lange das Versorgungspo­ tential U vorhanden ist, also bei geschlossenem Schalter S, lei­ tet der Transistor T 2 beim Freilauf, weil er über den Widerstand R angesteuert wird. Wenn dagegen das Versorgungspotential U abge­ trennt wird, wird das Takten mittels des Transistors T 1 beendet und der Transistor T 2 wirkt durch die Basis-Kollektor-Klemmung über die leistungsarme Zenerdiode ZD als leistungsstarke Zener­ diode. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist damit ein Freilaufen auch dann möglich, wenn keine Betriebsspannung mehr vorhanden ist, da zum Zuschalten der Zenerdiode bzw. der Zenerdiode ZD und des Transistors T 2 keine Logik, die ein Versäumungspotential U benötigt, erforderlich ist.

Abschließend sei bemerkt, daß auch Ausführungsformen mit Tran­ sistoren der entgegengesetzten Leitfähigkeit sowie mit MOS-Tran­ sistoren realisierbar sind.

Claims (3)

1. Integrierbare Freilaufschaltung für einen aus einer abschalt­ baren, getakteten Stromversorgung (TV) gespeisten elektromagne­ tischen Aktuator (L), gekennzeichnet durch eine an den Aktuator (L) angeschlossene Reihenschaltung aus einer Diode (D) in Sperr­ richtung und einer Zenerdiode (ZD) in Durchlaßrichtung und durch einen bei abgeschalteter Stromversorgung (TV) geöffneten, der Zenerdiode (ZD) parallelgeschalteten Schalter (S 2).

2. Freilaufschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter (S 2) ein Transistor (T 2) vorgesehen ist.

3. Freilaufschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener­ diode (ZD) über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors (T 2) mit dem Aktuator (L) verbunden ist.