Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Lasttreiberschaltkreis zum
Treiben einer hysteresebehafteten Last, wobei zum Treiben
der Last eine stromsparende Technologie verwendet wird.
Technischer Hintergrund
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Vorrichtungen wie z. B. Pressensteuerungen müssen einen
hohen Grad an Sicherheit aufweisen und müssen ausfallsicher
sein, so daß sie in einen sicheren Zustand umschalten,
wenn Fehler, Kurzschlüsse, Unterbrechungen, etc. auftreten.
Lasttreiberschaltkreise zum Treiben von Lasten, wie z. B.
Motoren und Spulen, die gesteuert werden, müssen ebenfalls
ausfallsicher sein.
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Einer der herkömmlichen Lasttreiberschaltkreise verbindet
direkt einen Halbleiterschalter, wie z. B. einen Tyristor,
ein Transistor-Relais (fortan mit SSR bezeichnet) oder
ein elektromagnetisches Relais, das Kontakte aufweist,
seriell mit einer Last und liefert ein
Lasttreiberbefehlssignal zum Einschalten und Ausschalten des Schalters oder
des Relais, um dadurch den Betrieb der Last zu steuern.
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Wenn der Halbleiterschalter kurzschließt oder wenn der
Relaiskontakt schmilzt, wird selbst dann ein Strom zur
Last fließen, wenn kein Eingangssignal
(Lasttreiberbefehlssignal) vorhanden ist. Bei dem herkömmlichen Schaltkreis
besteht nämlich die Gefahr, daß er fehlerhafterweise ein
Ausgangssignal an die Last liefert, obwohl kein
Eingangssignal vorhanden ist. Ein derartiger Schaltkreis ist nicht
ausfallsicher und ist daher nicht für Vorrichtungen
verwendbar, die einen hohen Grad an Sicherheit erfordern. Um
ausfallsicher zu sein, kann für die Lasttreiberschaltkreise
ein elektromagnetisches Relais mit Spezialkontakten (z. B.
Kohlekontakten) verwendet werden, die nicht schmelzen.
Derartige Kontakte haben jedoch eine kurze Lebensdauer.
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Zur Sicherstellung der Ausfallsicherheit ist ein weiterer
Lasttreiberschaltkreistyp vorgeschlagen worden (ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichungen Nrn. 60-223445. und
60-227326 und U. S. Patent Nr. 4,661,880). Diese Schaltkreise
steuern direkt einen Lasttreiberschaltkreis mit einem
Eingangssignal (Lasttreiberbefehlssignal) und überwachen
den Ein/Aus-Zustand des Schalterschaltkreises mittels eines
ausfallsicheren Überwachungsschaltkreises.
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Nachdem erfaßt worden ist, daß einer Last Strom zugeführt
wird, ohne daß ein Eingangssignal vorhanden ist, schaltet
der Überwachungsschaltkreis zwangsweise eine
Primärenergiequelle ab, um zuverlässig den schwerwiegendsten
Unfall während des Betriebs der Last zu verhindern.
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Ein anderer Lasttreiberschaltkreis verbindet ein
Eingangssignal mit einem Energieversorgungsschaltkreis
einer Last über ein elektrisch isoliertes
Signalempfangssystem, das einen Transformator aufweist. Bei diesem Typ
wird ein Wechselstromeingangssignal
(Lasttreiberbefehlssignal) durch einen Verstärker verstärkt und das verstärkte
Signal wird einer Primärwindung des Transformators zugeführt,
so daß dessen Sekundärwindung einen Wechselstrom erzeugen
kann. Der Wechselstrom wird durch eine Gleichrichterdiode
in einen Gleichstrom umgewandelt, der dem
Energieversorgungsschaltkreis der. Last zugeführt wird.
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Diese Anordnung weist weder Halbleiterschalter auf, die
Kurzschlußfehler hervorrufen können, noch birgt sie das
Problem kurzer Lebensdauern elektromagnetischer Relais,
weshalb Ausfallsicherheit sichergestellt ist.
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Selbst bei diesem Typ werden bei Lasttreiberschaltkreisen
mit großer Leistung, z. B. für Pressen, üblicherweise
Kontaktabschaltmechanismen mit Relais zum Abschalten einer
Primärenergiequelle verwendet, die einer Last Elektrizität
zuführt. Da bei diesen Kontaktabschaltmechanismen immer
das Problem des Schmelzens und des Verschleiß auftritt,
sind sie in ihrer Zuverlässigkeit ungenügend.
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Bei dem Verfahren, bei dem eine Last in Folge eines
Eingangssignals indirekt durch einen Transformator getrieben
wird, wird die Last bei abgeschaltetem Eingangssignal eine
gegengerichtete elektromotorische Kraft erzeugen, wenn
die Last ein elektromagnetische Gleichstromröhre oder ein
Relais ist, das induktiv ist. Die gegengerichtete
elektromotorische Kraft erzeugt einen Entladestrom, der
über eine Gleichrichterdiode zu einem
Energieversorgungsschaltkreis der Last fließt. Dies führt zu einer Verzögerung
des Anhaltevorganges der Last nach dem Abschalten des
Eingangssignals.
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Manche Lasten, wie z. B. elektromagnetische Röhren und Relais
weisen eine Hysterese auf, derart, daß sich ein Eingangspegel
zum Hochfahren der Lasten von einem Eingangspegel zum
Anhalten der Lasten unterscheidet. Diese hysteresebehafteten
Lasten arbeiten kontinuierlich, wenn ihnen nach ihrem
Einschalten ein Eingangspegel zugeführt wird, der zum
Aufrechterhalten des Betriebs ausreicht. Der Stand der
Technik führt trotz dieses Phänomens ununterbrochen den
Eingangspegel zum Hochfahren zu, wie er den Lasten zugeführt
wird, wodurch Elektrizität verschwendet wird.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines
Lasttreiberschaltkreises, der beim Treiben einer hysteresebehafteten
Last eine Stromeinsparung ermöglicht.
Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung schafft einen Lasttreiberschaltkreis zum
Treiben einer hysteresebehafteten Last, bei dem ein
Betriebshochfahrpegel der Last größer als ein
Betriebsanhaltepegel der Last ist. Der Lasttreiberschaltkreis richtet
ein Wechselstromsignal gleich, das durch ein
Lasttreiberbefehlssignal bereitgestellt wird und führt das
gleichgerichtete Signal der Last zu, um dadurch die Last zu
treiben. Der Lasttreiberschaltkreis weist einen
ausfallsicheren Lasttreibersignalgenerator auf, zum Bereitstellen
eines Lasttreiberbefehlssignals mit dem logischen Wert
1, das einen hohen Energiezustand repräsentiert, infolge
eines Lasttreiber Enable-Signals, eines Ausgangssignals
mit dem logischen Wert 0, das einen niedrigen Energiezustand
repräsentiert, wenn das Lasttreiber Enable-Signal nicht
empfangen wird und eines Ausgangssignals mit dem logischen
Wert 0, das einen niedrigen Pegelzustand repräsentiert,
wenn der Generator selbst ausfällt; einen Signal-Oszillator
zum Erzeugen eines periodisch schwingenden Ausgangssignals,
wobei das Ausgangssignal des
Lasttreiberbefehlssignalgenerators als Energiequelle dient, wobei das oszillierende
Ausgangssignal zeitweise abfällt; einen Signalkomparator
zum Empfangen des Ausgangssignals des
Lasttreiberbefehlssignalgenerators als Energiequelle, der das oszillierende
Ausgangssignal des Signaloszillators mit einem Schwellwert
vergleicht, der allmählich mit einer vorbestimmten
Zeitkonstante ansteigt und der ein pulsweitenmoduliertes
Ausgangssignal erzeugt, das einen hohen Pegel hat, wenn
das osizillierende Ausgangssignal größer als der Schwellwert
ist; eine verstärkte
Wechselstromausgangssignalversorgungseinheit zum Verstärken des impulsweitenmodulierten
Ausgangssignals des Signalkomparators durch einen
Transformator und zum Zuführen des verstärkten
Wechselstromausgangssignals zu einem Energieversorgungsschaltkreis der
hysteresebehafteten Last; und einen Gleichrichter zum Gleichrichten
des verstärkten Wechselstromausgangssignals der verstärkten
Wechselstromausgangssignalversorgungseinheit und zum Zuführen
des gleichgerichteten Ausgangssignals zur Last.
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Bei dieser Anordnung gibt der Transformator die maximale
Energie ab, wenn das Tastverhältnis des
impulsweitenmodulierten Ausgangssignals 50% beträgt. Die Ausgangsenergie des
Transformators sinkt, wenn das Tastverhältnis größer oder
kleiner als 50% wird. Demgemäß steigt die der Last
zugeführte Ausgangsenergie zunächst allmählich an und
überschreitet den Betriebshochfahrpegel der Last. Danach sinkt
die der Last zugeführte Ausgangsenergie unter den
Betriebshochfahrpegel und bleibt nach einer vorgegebenen
Zeit auf einem Pegel, der geringfügig höher als der
Betriebsanhaltepegel ist. Diese Anordnung erweist sich als
vorteilhaft, um die Energiezufuhr nach dem Hochfahren der
Last zu reduzieren, wodurch Strom gespart wird.
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Da das Ausgangssignal des Lasttreiberbefehlssignalgenerators
als Energiequelle für den Signaloszillator und den
Signalkomparator verwendet wird, werden der Signaloszillator
und der Signalkomparator niemals aktiv sein, wenn der
Lasttreiberbefehlssignalgenerator kein Ausgangssignal liefert.
Der Lasttreiberbefehlssignalgenerator weist ferner eine
ausfallsichere Bauweise auf, die niemals fehlerhafterweise
ein einen hohen Energiezustand repräsendes Ausgangssignal
mit dem logischen Wert 1 liefert. Ein
Lasttreiberausgangssignal, das durch das Lasttreiberbefehlssignal bereitgestellt
ist, wird der Last über den Transformator zugeführt. Diese
Anordnung verbessert die ausfallsicheren Eigenschaften.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
ein Ausführungsbeispiel eines Lasttreiberschaltkreises
gemäß der Erfindung detailliert erläutert:
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Fig. 1 ist ein Schaltbild, das einen
Lasttreiberschaltkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung zeigt; und
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Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, das die Ausgangssignale
wesentlicher Komponenten des obigen
Ausführungsbeispiels zeigt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung des Lasttreiberschaltkreises
gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Ein
Signalprozessor 71 dient als Lasttreiberbefehlssignalgenerator
und wird durch einen bekannten ausfallsicheren UND-Oszillator
gebildet. Bei Empfang eines Lasttreiber Enable-Signals
von einem Sensor (nicht gezeigt) zum Überwachen eines
sicheren Zustandes, liefert der Signalprozessor 71 ein
Ausgangssignal (ein Lasttreiberbefehlssignal IN), das einen
hohen Energiezustand repräsentiert. Wenn von dem Sensor
kein Lasttreiber Enable-Signal empfangen wird, liefert
der Signalprozessor 71 ein Ausgangssignal mit dem logischen
Wert 0, das einen niedrigen Energiezustand repräsentiert.
Wenn der Signalprozessor außer Betrieb ist, erzeugt er
niemals fehlerhafterweise ein Ausgangssignal mit dem
logischen Wert 1. Anstatt dessen erzeugt er ein
Ausgangssignal mit dem logischen Wert 0, das einen niedrigen
Pegelzustand repräsentiert.
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Ein Dreieckswellengenerator 72 dient als Signaloszillator
und verwendet das Lasttreiberbefehlssignal IN des
Signalprozessors 71 als Energiequelle zum Erzeugen eines
dreieckförmigen Signals u, das in Fig. 2 gezeigt ist.
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Ein Pegelkomparator 73 dient als Signalkomparator und
verwendet das Lasttreiberbefehlssignal IN des Signalprozessors
71 als Energiequelle. Der Pegelkomparator 73 vergleicht
das dreieckförmige Signal u des Dreieckswellengenerators
72 mit einem Schwellwert p, der allmählich mit einer
vorgegebenen Zeitkonstante ansteigt und liefert ein
impulsweitenmoduliertes Ausgangssignal s (fortan mit PWM
bezeichnet) bezeichnet, das auf einem hohen Pegel verbleibt,
wenn das dreieckförmige Signal u größer als der Schwellwert
p ist. Die Zeitkonstante des Schwellwerts p ist durch einen
Widerstand R1 und einen Kondensator C1 bestimmt. Wenn der
Kondensator C1 nach einer vorbestimmten Zeit gesättigt
ist, wird der Schwellwert p auf einem Wert ( = R2 · V/(R1
+ R2)) gehalten, der durch Divison der Spannung V des
Lasttreiberbefehlssignals IN durch die Widerstände R1 und
R2 erhalten wird.
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Das PWM Ausgangssignal s des Pegelkomparators 73 wird einem
Gate-Anschluß G eines Halbleiterschalters, wie z. B. eines
MOSFET 74 zugeführt. Der MOSFET ist über eine Primärwindung
eines Transformators 75 mit einer Energiequelle Vcc
verbunden. Der Source-Anschluß des MOSFET 74 ist geerdet.
Entsprechend der Ein/Aus-Periode des PWM-Ausgangssignals
s wird ein Strom der Energiequelle Vcc der Primärwindung
des Transformators 75 zugeführt, so daß eine Sekundärwindung
des Transformators 75 infolge der
Transformatorkopplungsverstärkung ein verstärktes Wechselstromausgangssignal erzeugt.
Das Wechselstromausgangssignal wird einem
Energieversorgungsschaltkreis zum Treiben einer Last 77 zugeführt. Das
Wechselstromausgangssignal wird nämlich durch einen
Gleichrichter 76 gleichgerichtet, der ein gleichgerichetes
Ausgangssignal der in Fig. 2 gezeigten Energie E an die
Last 77 liefert, wie z. B. an ein elektromagnetisches Ventil
oder ein hysteresebehaftetes elektromagnetisches Relais.
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Nun wird die Arbeitsweise des Lasttreiberschaltkreises
dieses Ausführungsbeispiels erläutert.
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Der Signalprozessor 71 liefert das Lasttreiberbefehlssignal
IN, das den Dreieckswellengenerator 72 und den
Pegelkomparator 73 treibt. Der Dreieckswellengenerator 72 erzeugt das
in Fig. 2 gezeigte periodische dreieckförmige Signal u.
Infolge des Lasttreiberbefehlssignals IN wird der Schwellwert
p dem Pegelkomparator 73 zugeführt. Der Schwellwert p steigt
wie in Fig. 2 gezeigt allmählich gemäß der durch den
Widerstand R1 und den Kondensator C1 vorbestimmten
Zeitkonstante an. Der Pegelkomparator 73 vergleicht den
Schwellwert p mit dem dreieckförmigen Signal u und erzeugt das
PWM-Ausgangssignal s, das einen hohen Pegel beibehält,
wenn das dreieckförmige Signal u größer als der Schwellwert
p ist. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, verengt sich die
Impulsweite des PWM-Ausgangssignals s während der Schwellwert
p allmählich ansteigt. Wenn der Kondensator C1 gesättigt
ist und der Schwellwert p auf einem konstanten Wert gehalten
ist, der durch das Spannungsteilungsverhältnis der
Widerstände R1 und R2 vorbestimmt ist, wird die Impulsweite
des PWM-Ausgangssignals s konstant.
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Infolge des PWM-Ausgangssignals s schaltet der MOSFET 74
periodisch ein und aus. Entsprechend den Ein- und
Ausschaltvorgängen des MOSFET 74 liefert die Sekundärwindung des
Transformators 75 ein verstärktes Wechselstromausgangssignal,
das durch den Gleichrichter 76 gleichgerichtet wird. Die
Energie E des gleichgerichteten Ausgangssignals des
Gleichrichters 76 wird maximal wenn das Tastverhältnis des PWM-
Ausgangssignals S wie in Fig. 2 gezeigt, ca. 50% ist.
Wenn das Tastverhältnis kleiner oder größer als 50% ist,
sinkt die Energie E und wenn der Kondensator C1 gesättigt
ist, nimmt die Energie E einen konstanten Pegel an.
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In Fig. 2 beginnt die Last 77 auf einem Eingangspegel E1
zu arbeiten und hört auf einem Eingangspegel E2 zu arbeiten
auf. Die Ausgangsenergie E steigt nach der Erzeugung des
Lasttreiberbefehlssignals IN allmählich an und wenn sie
den Betriebshochfahrpegel E1 überschreitet, wird die Last
77 eingeschaltet. Danach sinkt die Ausgangsenergie E und
bleibt dann auf einem konstanten Pegel. Wenn der konstante
Pegel höher gesetzt ist als der Betriebsanhaltepegel, wird
die Last 77 einen Ein-Zustand mit dem konstanten Pegel
einnehmen, der kleiner ist als die des Standes der Technik.
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Demgemäß verringert sich der Energieverbrauch der Last
77 nach dem Hochfahren der Last. Verglichen mit den
herkömmlichen Lasttreiberschaltkreisen ermöglicht der
Schaltkreis dieses Ausführungsbeispiels eine erhebliche
Reduzierung des Energieverbrauchs.
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Der Dreieckswellengenerator 72 und der Pegekomparator 73
verwenden das Lasttreiberbefehlssignal IN des
Signalprozessors 71 als Energiequelle, so daß sie nie arbeiten,
wenn kein Lasttreiberbefehlssignal IN vorhanden ist. Da
das Ausgangssignal des MOSFET 74 über eine transformatische
Kopplung extrahiert wird, wird das Ausgangssignal des
Pegelkomparators 73 oder der Energiequelle Vcc nicht zur
Sekundärwindung des Transformators 75, d. h. zur Last 77
übertragen, wenn der MOSFET 74 kurzgeschlossen oder
ausgefallen ist. Somit wird der Lasttreiberschaltkreis
dieses Ausführungsbeispiels kein gleichgerichtetes
Ausgangssignal zum Treiben der Last 77 erzeugen, wenn der
Signalprozessor 71 kein Lasttreiberbefehlssignal IN erzeugt.
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Der Signalprozessor 71 wird niemals fehlerhafterweise ein
Ausgangssignal mit dem logischen Wert 1 erzeugen, wenn
er ausgeschaltet ist. Wenn er ausgeschaltet ist erzeugt
er nämlich immer ein Ausgangssignal mit dem logischen Wert
0, das einen niedrigen Energiezustand repräsentiert.
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Bei diesen Anordnungen ist der Lasttreiberschaltkreis dieses
Ausführungsbeispiels insofern ausfallsicher, daß er niemals
fehlerhafterweise ein Lasttreiberausgangssignal E erzeugt,
wenn kein Lasttreiberbefehlssignal IN vorhanden ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das dem Pegelkomparator
73 zugeführte oszillierende Signal dreieckförmig.
Anstattdessen kann ein Signal beliebiger Form, wie z. B. ein
Sägezahnsignal oder ein Sinuswellensignal verwendet werden,
wenn das Signal ein zeitweise ansteigendes Ausgangssignal
bereitstellen kann.
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Die Erfindung schafft einen Lasttreiberschaltkreis zum
Treiben einer hysteresebehafteten Last, derart, daß ein
Betriebshochfahrpegel der Last größer als ein
Betriebs
anhaltepegel der Last ist. Zum Hochfahren der Last liefert
der Lasttreiberschaltkreis einen Eingangspegel, um die
Last hinreichend weit hochzufahren und, wenn die Last
hochgefahren wurde, liefert er einen Eingangspegel, der
kleiner als der Betriebshochfahrpegel ist, aber innerhalb
eines Bereiches liegt, um den Betrieb der Last hinreichend
aufrechtzuerhalten. Verglichen mit herkömmlichen
Lasttreiberschaltkreisen ermöglicht dieser Schaltkreis
eine Reduzierung des Energieverbrauchs. Ferner ist diese
Anordnung ausfallsicher, so daß sie niemals fehlerhafterweise
die Last treibt, wenn kein Lasttreiberbefehlsausgangssignal
vorhanden ist, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit
des Schaltkreises wesentlich verbessert wird.
Industrielle Anwendbarkeit
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Diese Erfindung treibt sicher und zuverlässig eine Last,
welche ein letztes gesteuertes Objekt einer industriellen
Anlage ist, die einen hohen Grad an Sicherheit erfordert.
Die vorliegende Erfindung hat daher ein breites industrielles
Anwendungsfeld.