DE69322315T2 - Steuerschaltung für induktive last - Google Patents

Steuerschaltung für induktive last

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DE69322315T2 DE69322315T DE69322315T DE69322315T2 DE 69322315 T2 DE69322315 T2 DE 69322315T2 DE 69322315 T DE69322315 T DE 69322315T DE 69322315 T DE69322315 T DE 69322315T DE 69322315 T2 DE69322315 T2 DE 69322315T2
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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Lasttreiberschaltkreis zum Treiben einer hysteresebehafteten Last, wobei zum Treiben der Last eine stromsparende Technologie verwendet wird.
  • Technischer Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Anordnung weist weder Halbleiterschalter auf, die Kurzschlußfehler hervorrufen können, noch birgt sie das Problem kurzer Lebensdauern elektromagnetischer Relais, weshalb Ausfallsicherheit sichergestellt ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Lasttreiberschaltkreises, der beim Treiben einer hysteresebehafteten Last eine Stromeinsparung ermöglicht.
  • Beschreibung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel eines Lasttreiberschaltkreises gemäß der Erfindung detailliert erläutert:
  • Fig. 1 ist ein Schaltbild, das einen Lasttreiberschaltkreis gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und
  • Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, das die Ausgangssignale wesentlicher Komponenten des obigen Ausführungsbeispiels zeigt.
  • Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nun wird die Arbeitsweise des Lasttreiberschaltkreises dieses Ausführungsbeispiels erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei diesen Anordnungen ist der Lasttreiberschaltkreis dieses Ausführungsbeispiels insofern ausfallsicher, daß er niemals fehlerhafterweise ein Lasttreiberausgangssignal E erzeugt, wenn kein Lasttreiberbefehlssignal IN vorhanden ist.
  • 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.
  • 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
  • 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.

Claims (2)

1. Lasttreiberschaltkreis zum Treiben einer Last (77), dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Hysterese aufweist, daß ein Betriebshochfahrpegel der Last (77) größer als ein Betriebsanhaltepegel der Last (77) ist, wobei der Lasttreiberschaltkreis ein Wechselstromsignal gleichrichtet, das durch ein Lasttreiberbefehlssignal (IN) bereitgestellt ist und das gleichgerichtete Signal der Last (77) zuführt, um dadurch die Last (77) zu treiben, wobei der Lasttreiberschaltkreis ausfallsichere Lasttreiberbefehlssignalerzeugungsmittel (71) aufweist, zum Bereitsstellen eines Lasttreiberbefehlssignals (IN) mit dem logischen Wert 1, das einen hohen Energiezustand repräsentiert wenn ein Lasttreiber-Enable-Signal empfangen wird, eines Ausgangssignals mit dem logischen Wert 0, das bei Nichtempfang des Lasttreiber-Enable-Signals einen niedrigen Energiezustand repräsentiert und eines Ausgangssignal mit logischem Wert 0, das einen niedrigen Pegelzustand repräsentiert, wenn die Erzeugungsmittel (71) selbst ausgefallen sind; mit Signaloszillationsmitteln (72) zum Bereitstellen eines periodisch oszillierenden Ausgangssignals (u), wobei das Ausgangssignal der Lasttreiberbefehlssignalerzeugungsmittel (71) als Energiequelle dient, wobei das oszillierende Ausgangssignal (u) zeitweise einen schrägen Verlauf hat;
mit Signalvergleichungsmitteln (73) zum Empfangen des Ausgangssignals (IN) der Lasttreiberbefehlssignalerzeugungsmittel (71) als Energiequelle, die das oszillierende Ausgangssignal (u) der Oszillationsmittel (72) mit einem Schwellwert (P) vergleichen, der allmählich mit einer vorbestimmten Zeitkonstante ansteigt und die ein impulsweitenmoduliertes Ausgangssignal (S) erzeugen, das einen hohen Pegel annimmt, solange das Oszillationsausgangssignal (u) größer als der Schwellwert ist;
mit verstärkten Wechselstromausgangssignalversorgungsmitteln (75) zum Verstärken des impulsweitenmodulierten Ausgangssignals (5) der Vergleichermittel (73) durch einen Transformator (75) und zum Zuführen eines verstärkten Wechselstromausgangssignals zu einem Energieversorgungsschaltkreis der hysteresebehafteten Last (77); und
mit einem Gleichrichter (76) zum Gleichrichten des verstärkten Wechselstromausgangssignals, das durch die verstärkten Wechselstromausgangssignalversorgungsmittel (75) bereitgestellt wird und zum Zuführen des gleichgerichteten Ausgangssignals zur Last (77).
2. Lasttreiberschaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkten Wechselstromausgangssignalversorgungsmittel einen MOSFET (74) und den Transformator (75) enthalten, wobei der MOSFET (74) einen Gate-Anschluß (G) aufweist, zum Empfangen des impulsweitenmodulierten Signals der Vergleichermittel (73), ein Drain-Anschluß (D), der mit einer Energiequelle (Vcc) über eine erste Windung des Transformators (75) verbunden ist und einen geerdeten Source-Anschluß.
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