DE4003179C2 - - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zum Betreiben eines elektromagneti­ schen Schaltgerätes in einem weiten Betriebsspannungs­ bereich, wobei das mit Wechselstrom betriebene Schaltgerät, aus einer mit Gleich­ strom erregten Spule und einem Magnetsystem besteht, das auf einen Kontaktapparat einwirkt, der zum Schließen und Unterbrechen von elektrischen Stromkreisen dient. Elektromagnetische Schaltgeräte der im Oberbegriff des Patentanspruchs erwähnten Art sind in der Steuerungs- und Antriebstechnik der Elektroindustrie zu finden. Diese, in der Regel als Schütz bezeichneten Geräte dienen im Verbund und in der Verknüpfung miteinander zur Lösung komplizier­ ter industrieller kontaktbehafteter Steuerungsaufgaben und zur Ansteuerung elektrischer Verbraucher. Die Bandbreite der Betriebsspannungen für diese Geräte ist sehr groß. Jeder Schütztyp bzw. seine Erregerspule weist eine be­ stimmte Nennspannung in einem bestimmten Spannungsbereich auf. Das bedeutet, daß jede dieser mit unterschiedlichen Spannungen anzusteuernden Erregerspulen entsprechend un­ terschiedliche Wickeldaten, bzw. Bauarten aufweist. Ent­ sprechend groß ist daher die Lagerhaltung und Unübersicht­ lichkeit der Schaltgeräte.

Eine Vorschaltelektronik für ein gleichspannungsgeregeltes Gerät beschreibt die DE 37 01 985 A1. Ein Magnettyp bzw. eine Wicklung mit einer Nennspannung von beispielsweise 24 Volt soll mit einer Spannungsquelle betreibbar sein, die eine Nennspannung von zwischen 30 Volt und beispielsweise 160 Volt aufweist.

Die DE 31 12 414 C2 beschreibt eine Relaisschaltung, die mit einem gutem Wirkungsgrad in einem weiten Betriebsspannungs­ bereich arbeitet und ohne Transformator für die Erzeugung der internen Versorgungsspannung auskommt. Diese Schaltung arbeitet mit Schaltreglern, die eine sehr hohe Taktfrequenz aufweisen und von daher gegen externe Störeinflüsse sehr empfindlich sind.

Beide vorgenannten Lösungsvorschläge benötigen einen erheb­ lichen Schaltungsaufwand. Die erforderlichen passiven und aktiven Bauelemente lassen in vielen Fällen eine wirt­ schaftliche Problemlösung nicht zu.

In der DE-AS 12 70 152 wird eine Einrichtung zur Verkürzung der Einschaltzeit eines induktiven Verbrauchers vorgeschla­ gen. Die Schaltung soll auf einfache Art und Weise den Zündwinkel eines Thyristors von einem Maximum bis zu einem Nennwert verändern. In der Zündeinrichtung des Thyristors befindet sich hierfür ein Kaltleiter. Diese Schaltung eignet sich zur Erreichung einer hohen Einschaltenergie und zur Energievernichtung im Haltezustand eines Magnetantriebes. Um den Erregerstrom über einen weiten Betriebsspannungs­ bereich konstant zu halten, eignet sich eine Thyristor­ schaltung nicht. Nachteilig dabei ist, daß sie die durch die Induktivität erzeugte Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung unterstützt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Schaltungsanord­ nung für ein elektromagnetisches Schaltgerät zu schaffen mittels der die Ansteuerung des Schaltgerätes innerhalb eines weiten Spannungsbereichs erzielt wird, die den Ener­ giebedarf der Erregerspule im gesamten Spannungsbereich gleichbleibend hält und die gegenüber dem Stand der Technik wirtschaftlich und einfach ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung ein Spannungsteiler mit Widerständen, ein erstes logisches Schaltelement und ein zweites logisches Schaltelement aufweist mittels denen die Schaltfolge des elektronischen Schalters derart gesteuert wird, daß aus der Spannungsfläche jeder Halbwelle der pulsierenden Gleichspan­ nung, die höher als die Nennbetriebsspannung der Erreger­ spule ist, ein zeitlicher Teilbereich eliminiert wird, indem die unterschiedliche Amplitudenform der pulsierenden Gleich­ spannung im gesamten Ansteuerbereich der Betriebsspannung den zeitlichen Schaltpunkt des ersten logischen Schaltele­ mentes bestimmt, wobei der Ausgang des ersten logischen Schaltelementes mit einem HIGH-Signal auf einen ersten Ein­ gang des zweiten logischen Schaltelementes und auf einen Konstantzeitkreis wirkt und daß der Ausgang des zweiten logischen Schaltelementes bei Erreichen eines Schwellwertes des Konstantzeitkreises mit einem LOW-Signal über den Verstärker den elektronischen Schalter sperrt und daß mit dem Abschaltpunkt auf den Eingang des ersten logischen Schaltelementes an dessen Ausgang ein LOW-Signal erzeugt wird, das auf den ersten Eingang des zweiten logischen Schaltelementes wirkt und an dessen Ausgang ein HIGH-Signal erzeugt, das über den Verstärker den elektronischen Schalter durchschaltet.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung derart, daß der Energiebedarf der Erre­ gerspule im gesamten Spannungsbereich also bei allen mögli­ chen Werten der Betriebsspannung unverändert bleibt. Daraus resultierend ergibt sich der Vorteil, daß die Bauart der Er­ regerspule bei allen möglichen Betriebsspannungen dieselbe ist.

Nachfolgend wird mittels der Zeichnung und anhand beispiel­ hafter Darstellungen die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 das Schaltbild einer beispielhaften Schaltungsanord­ nung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren ist,

Fig. 2a ein Impulsdiagramm verschiedener Meßpunkte in dem Schaltbild der Schaltungsanordnung bei unterschiedli­ chen Betriebsspannungen,

Fig. 2b ein Diagramm mit der Darstellung von drei verschiede­ nen Spannungsbereichen.

Fig. 1 zeigt das Schaltbild einer beispielhaften Schaltungs­ anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zu reali­ sieren ist. Die Betriebsspannung Ue liegt am Brückengleich­ richter 7, dessen Ausgang eine pulsierende Gleichspannung Fig. 2, A, B, C aufweist. Die Mittelanzapfung M des aus den Widerständen R1, R2 bestehenden Spannungsteilers ist mit dem Eingang des Schmittriggers 5 verbunden. Der Ausgang des Schmittriggers 5 ist zum einen mit einem Eingang des NAND-- Gatters 6 und zum anderen mit dem Konstantzeitkreis, be­ stehend aus dem Widerstand R3 und dem Kondensator C1, ver­ bunden. Der Ausgang des NAND-Gatters 6 wirkt über den Ver­ stärker 8 auf den Feldeffekt-Transistor T1, der als elektro­ nischer Schalter den Stromkreis der Erregerspule S1 des Schaltgerätes steuert. Die weiteren Bauelemente R5, C3, D2 und Zn dienen als Schutzbeschaltung und sind für die erfindungsgemäße Wirkung der Schaltungsanordnung nicht relevant.

Wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 die Ansteuerung der Erregerspule beeinflußt, ist anhand der Diagramme in Fig. 2 zu ersehen. Das Impulsdiagramm in Fig. 2 zeigt den Impulsver­ lauf an drei verschiedenen Meßpunkten für drei verschiedene Wechselspannungsbereiche A, B, C. Es ist in der Fig. 2a deutlich ersichtlich, daß bei den verschiedenen Spannungs­ bereichen A, B, C unterschiedliche Bereiche aus der jeweili­ gen Halbwelle herausgeschnitten sind. Der hier dargestellte höchste Spannungsbereich C hat dabei den größten Ausschnitt t6 während der niedrigste Spannungsbebereich A den kleinsten Ausschnitt t4 aufweist. Da der ohmsche Widerstand der Wider­ stände R1, R2 immer konstant bleibt, ändern sich bei den unterschiedlichen Spannungsbereichen lediglich die Ansprech­ zeiten t1, t2 und t3. Der Einschaltpegel EP des Schmit­ triggers 5 bleibt gleich. Mit dem Umschalten des Schmit­ triggerausgangs Ax, Bx, Cx beginnt die Aufladezeit des Kon­ stantzeitkreises. Den Impulsverlauf verdeutlicht der Meß­ punkt Ay, By, Cy. Bei Erreichen des Schwellwertes SA, SB, SC schaltet das NAND-Gatter 6 auf Low-Potential und sperrt über den Verstärker 8 den Feldeffekttransistor T1. Den ent­ sprechenden Impulsverlauf zeigt das Diagramm Az, Bz, Cz. Erreicht die Halbwelle A, B, C den Abschaltpegel AP, kippt der Schmittrigger 5 nach Low-Potential, entleert den Kon­ stantzeitkreis und schaltet den Ausgang des NAND-Gatters 5 auf High-Potential. Das bewirkt die Ansteuerung des Feldef­ fekttransistors T1 der den Stromkreis für die Erregerspule S1 schließt. Auf diese Weise ergibt sich eine flexible An­ passung der im weiten Bereich wählbaren Betriebsspannung Ue. Ein Schaltgerät mit einer Gleichspannungsspule für 60V= kann beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem Bereich von 90 V bis 280 V bei gleichen Schaltbedingungen betrieben werden.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines elektromagneti­ schen Schaltgerätes in einem weiten Betriebsspannungs­ bereich, bestehend aus einem Gleichrichter, der aus der Betriebswechselspannung eine pulsierende Gleichspannung erzeugt und eine elektronische Steuereinrichtung, die auf einen elektronischen Schalter wirkt, der entsprechend seiner Schaltfolge den Erregerstrom der Magnetspule des eletroma­ gnetischen Schaltgerätes steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung ein Spannungsteiler mit Wider­ ständen (R1, R2), ein erstes logisches Schaltelement (5) und ein zweites logisches Schaltelement (6) aufweist mittels denen die Schaltfolge des elektronischen Schalters (T1) derart gesteuert wird, daß aus der Spannungsfläche jeder Halbwelle der pulsierenden Gleichspannung, die höher als die Nennbetriebsspannung der Erregerspule (S1) ist, ein zeitlicher Teilbereich eliminiert wird, indem die unter­ schiedliche Amplitudenform der pulsierenden Gleichspannung im gesamten Ansteuerbereich der Betriebsspannung (Ue) den zeitlichen Schaltpunkt (EP) des ersten logischen Schaltele­ mentes (5) bestimmt, wobei der Ausgang des ersten logischen Schaltelementes (5) mit einem HIGH-Signal auf einen ersten Eingang des zweiten logischen Schaltelementes (6) und auf einen Konstantzeitkreis (R3, C1) wirkt und daß der Ausgang des zweiten logischen Schaltelementes (6) bei Erreichen eines Schwellwertes (SA, SB, SC) des Konstantzeitkreises mit einem LOW-Signal über den Verstärker (8) den elektronischen Schalter (T1) sperrt und daß mit dem Abschaltpunkt (AP) auf den Eingang des ersten logischen Schaltelementes (5) an des­ sen Ausgang ein LOW-Signal erzeugt wird, das auf den ersten Eingang des zweiten logischen Schaltelementes (6) wirkt und an dessen Ausgang ein HIGH-Signal erzeugt, das über den Ver­ stärker (8) den elektronischen Schalter (T1) durchschaltet.