EP0530151B1 - Circuit d'alimentation d'un électroaimant au moyen d'une source de courant continu - Google Patents

Circuit d'alimentation d'un électroaimant au moyen d'une source de courant continu Download PDF

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EP0530151B1
EP0530151B1 EP92810647A EP92810647A EP0530151B1 EP 0530151 B1 EP0530151 B1 EP 0530151B1 EP 92810647 A EP92810647 A EP 92810647A EP 92810647 A EP92810647 A EP 92810647A EP 0530151 B1 EP0530151 B1 EP 0530151B1
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electromagnet
capacitor
coil
zener diode
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Oldrich Blazek
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Parker Hannifin Manufacturing Switzerland SA
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Honeywell Lucifer SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/02—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay
    • H01H47/04—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for modifying the operation of the relay for holding armature in attracted position, e.g. when initial energising circuit is interrupted; for maintaining armature in attracted position, e.g. with reduced energising current

Definitions

  • the present invention relates to a circuit for supplying an electromagnet by means of a direct current source, comprising an oscillator charging, by voltage pulses supplied by a coil, a capacitor at a voltage higher than the voltage of the source, the capacitor discharging through the electromagnet when its voltage reaches the blocking voltage of a semiconductor element controlling a semiconductor switch connected between the capacitor and the electromagnet.
  • Such supply circuits are particularly necessary when it comes to supplying a solenoid valve in an environment where the production of sparks must absolutely be avoided for safety reasons, for example in mines and flour mills.
  • safety measures require that the supply voltage be limited, generally between 12 V and 28 V, and that the current be limited, for example to 20 m A. The maximum power thus available is insufficient to ensure the attraction of the armature of a solenoid valve.
  • Document DE-A-32 06 590 discloses a circuit in which a capacitor is charged at a voltage greater than the source voltage by means of an oscillator and two trigger diodes controlling a thyristor and discharges through the thyristor and a solenoid valve mounted in series between the terminals of the source.
  • the thyristor thus used, has the drawback of sometimes remaining conductive even after a voltage drop and the relaxation of the solenoid valve.
  • the oscillator includes a transformer.
  • Document EP-A-0 267 455 discloses a supply circuit comprising a transformer by means of which a capacitor connected to the secondary of the transformer can be charged at a voltage equal to several times the supply voltage.
  • the blocking is provided by two diacs.
  • the semiconductor switch is a transistor.
  • the transformer makes it possible to obtain high-voltage pulses, it constitutes on the other hand a bulky, bulky and expensive element.
  • supply circuits are intended to be integrated into each solenoid valve and the use of a transformer in this case constitutes a handicap, both in terms of size and cost.
  • the object of the present invention is to provide a supply circuit of the type defined above, but without a transformer.
  • the supply circuit according to the invention is characterized in that the coil supplying the voltage pulses is constituted by the coil of the electromagnet, that the semiconductor element whose blocking voltage authorizes the charging of the capacitor to a voltage higher than the supply voltage is a Zener diode, that the semiconductor switch is a thyristor connected parallel to the electromagnet, and the trigger of which is connected to the Zener diode, the electromagnet being furthermore series with a transistor working as a switch controlled by the oscillator for the production of current pulses in the electromagnet, these pulses being insufficient to actuate the electromagnet, but sufficient to keep its armature attracted.
  • the voltage pulses are obtained, as in the prior art, by means of a chopped current through a coil, but using for this purpose the coil of the electromagnet.
  • a chopped current controlled by the transistor passes through the electromagnet, but its intensity is insufficient to cause the attraction of the armature.
  • This chopped current makes it possible to obtain voltage pulses to charge the capacitor and it is sufficient to maintain the armature in the attracted position after the discharge of the capacitor through the coil.
  • the capacitor is charged at a voltage approximately equal to the sum of the supply voltage and the Zener voltage of the first Zener diode.
  • the transistor in series with the electromagnet is kept open during the discharge of the capacitor by means of a second Zener diode.
  • the circuit shown comprises an oscillator conventionally produced by means of an operational amplifier IC1, a feedback resistance R5 and two capacitors C3 and C4.
  • the oscillator supply current is limited by a resistor R1 and passes through a voltage divider made up of two resistors R2 and R3, the common point of which is connected to the non-inverting input of the operational amplifier through a resistor R4.
  • the oscillator controls a transistor TR npn in series with the coil B of a solenoid, for example a solenoid valve and a diode D1.
  • a transistor TR npn in series with the coil B of a solenoid, for example a solenoid valve and a diode D1.
  • the base of the transistor TR is connected to the oscillator through a resistor R6 and its emitter is connected to ground.
  • the transistor TR operates as a switch and its opening has the effect of generating a chopped current through the coil B.
  • a diode D2 and a thyristor TH Between the anode and the trigger of the thyristor TH is connected a Zener diode ZD1.
  • the capacitor to be charged C1 is connected between the common point of D2, TH, ZD1 and the ground.
  • a Zener diode ZD2 is connected in series with a resistor R7.
  • the common point of this Zener diode and the resistor R7 is connected to ground through an electrolytic capacitor C2.
  • the capacitor C1 is therefore practically charged at a voltage equal to the sum of the supply voltage and the Zener voltage of the Zener diode ZD1, which means that the circuit makes it possible to supply the coil B with a voltage equal to the supply voltage increased by the Zener voltage of the Zener diode ZD1.
  • This Zener voltage can be significantly higher than the source voltage, for example twice the source voltage.
  • the transistor TR should remain on.
  • This function is provided by the Zener diode ZD2, the Zener voltage of which is higher than the source voltage.
  • the Zener diode ZD2 the Zener voltage of which is higher than the source voltage.
  • the thyristor TH is again blocked, as is the Zener diode ZD2, but the chopped current again passing through the coil B is sufficient to keep the armature of the electromagnet attracted.
  • the circuit shown can be supplemented by safety elements constituted for example by a Zener diode parallel to the resistors R2 and R3, a Zener diode parallel to the capacitor C1 and a diode upstream of the diode D2 of the resistor R1.
  • the Zener voltage of the Zener ZD2 diode depends on the maximum supply voltage. If this voltage is 28 V, the Zener voltage will be chosen equal to 30 V.

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Description

  • La présente invention a pour objet un circuit d'alimentation d'un électroaimant au moyen d'une source de courant continu, comprenant un oscillateur chargeant, par des impulsions de tension fournies par une bobine, un condensateur à une tension supérieure à la tension de la source, le condensateur se déchargeant à travers l'électroaimant lorsque sa tension atteint la tension de blocage d'un élément semi-conducteur commandant un interrupteur semi-conducteur branché entre le condensateur et l'électroaimant.
  • De tels circuits d'alimentation sont notamment nécessaires lorsqu'il s'agit d'alimenter une électrovalve dans un environnement où la production d'étincelles doit absolument être évitée pour des raisons de sécurité, par exemple dans les mines et les minoteries. Dans un tel environnement les mesures de sécurité exigent que la tension d'alimentation soit limitée, généralement entre 12 V et 28 V, et que le courant soit limité, par exemple à 20 m A. La puissance maximale ainsi disponible est insuffisante pour assurer l'attraction de l'armature d'une électrovalve.
  • Du document DE-A-32 06 590 on connaît un circuit dans lequel un condensateur est chargé à une tension supérieure à la tension de la source au moyen d'un oscillateur et de deux diodes trigger commandant un thyristor et se décharge à travers le thyristor et une électrovalve montés en série entre les bornes de la source. Le thyristor, ainsi utilisé, présente l'inconvénient de rester parfois conducteur même après une chute de tension et le relâchement de l'électrovalve. En outre, l'oscillateur comprend un transformateur.
  • Du document EP-A-0 267 455 on connaît un circuit d'alimentation comprenant un transformateur au moyen duquel un condensateur branché sur le secondaire du transformateur peut être chargé à une tension égale à plusieurs fois la tension d'alimentation. Le blocage est assuré par deux diacs. L'interrupteur semi-conducteur est un transistor.
  • Si le transformateur permet d'obtenir des impulsions de tension de valeur élevée, il constitue par contre un élément volumineux, encombrant et coûteux. Or, de tels circuits d'alimentation sont destinés à être intégrés à chaque électrovalve et l'utilisation d'un transformateur constitue dans ce cas un handicap, tant sur le plan de l'encombrement que du coût.
  • La présente invention a pour but de réaliser un circuit d'alimentation du type défini plus haut, mais sans transformateur.
  • Le circuit d'alimentation selon l'invention est caractérisé en ce que la bobine fournissant les impulsions de tension est constituée par la bobine de l'électroaimant, que l'élément semi-conducteur dont la tension de blocage autorise la charge du condensateur à une tension supérieure à la tension d'alimentation est une diode Zener, que l'interrupteur semi-conducteur est un thyristor branché parallèlement à l'électro-aimant, et dont la gâchette est reliée à la diode Zener, l'électroaimant étant en outre en série avec un transistor travaillant en interrupteur commandé par l'oscillateur pour la production d'impulsions de courant dans l'électro-aimant, ces impulsions étant insuffisantes pour actionner l'électro-aimant, mais suffisantes pour maintenir son armature attirée.
  • Les impulsions de tension sont obtenues, comme dans l'art antérieur, au moyen d'un courant haché à travers une bobine, mais en utilisant à cet effet la bobine de l'électro-aimant. Dès la mise sous tension du circuit, un courant haché contrôlé par le transistor traverse l'électro-aimant, mais son intensité est insuffisante pour provoquer l'attraction de l'armature. Ce courant haché permet par contre d'obtenir des impulsions de tension pour charger le condensateur et il est suffisant pour maintenir l'armature en position attirée après la décharge du condensateur à travers la bobine.
  • Sans limitation du courant tiré de la source le condensateur est chargé à une tension approximativement égale à la somme de la tension d'alimentation et de la tension de Zener de la première diode Zener.
  • Dans un mode d'exécution le transistor en série avec l'électro-aimant est maintenu ouvert pendant la décharge du condensateur au moyen d'une seconde diode Zener.
  • Le dessin annexé représente un exemple de réalisation du circuit selon l'invention.
  • Le circuit représenté comprend un oscillateur réalisé de manière conventionnelle au moyen d'un amplificateur opérationnel IC1, d'une résistance de contre-réaction R5 et de deux condensateurs C3 et C4. Le courant d'alimentation oscillateur est limité par une résistance R1 et traverse un diviseur de tension constitué de deux résistances R2 et R3 dont le point commun est relié à l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel à travers une résistance R4.
  • L'oscillateur controle un transistor TR npn en série avec la bobine B d'un solenoïde par exemple une électrovalve et une diode D1. A cet effet la base du transistor TR est relié à l'oscillateur à travers une résistance R6 et son émetteur est relié à la masse. Le transistor TR fonctionne en interrupteur et son ouverture a pour effet d'engendrer un courant haché à travers la bobine B. Entre les bornes B1 et B2 de la bobine B sont branchés, en série, une diode D2 et un thyristor TH dans le sens anode-cathode. Entre l'anode et la gâchette du thyristor TH est branchée une diode Zener ZD1. Le condensateur à charger C1 est branché entre le point commun de D2, TH, ZD1 et la masse.
  • Entre la borne B2 de la bobine reliée à la cathode du thyristor TH et la base du transistor TR est en outre branchée une diode Zener ZD2 en série avec une résistance R7. Le point commun de cette diode Zener et de la résistance R7 est relié à la masse à travers un condensateur électrolytique C2.
  • Lorsque le circuit est mis sous tension, un courant haché traverse la bobine B comme décrit plus haut. Chaque impulsion de courant dans la bobine B a pour effet d'engendrer une impulsion de tension positive au point B1. Cette impulsion de tension engendre à son tour une impulsion de courant à travers la diode D2, impulsion qui vient charger le condensateur électrolytique C1. Ce condensateur C1 ne peut tout d'abord pas se décharger, car la diode D2, le thyristor TH et la diode Zener ZD1 sont bloqués. Lorsque la charge du condensateur CI atteint une valeur suffisante, c'est-à-dire lorsque la tension au point 1 atteint la tension de Zener de la diode Zener ZD1, cette diode Zener devient conductrice et le thyristor TH est débloqué et le condensateur C1 peut se décharger à travers la bobine B et le transistor TR. Cette tension au point 1 est atteinte lorsque : U C = U ZD1 + U aliment - U P
    Figure imgb0001
    où UP représente la perte ohmique à travers le thyristor.
  • Le condensateur C1 est donc pratiquement chargé à une tension égale à la somme de la tension d'alimentation et de la tension de Zener de la diode Zener ZD1, ce qui signifie que le circuit permet d'alimenter la bobine B avec une tension égale à la tension d'alimentation augmentée de la tension de Zener de la diode de Zener ZD1. Cette tension de Zener peut être sensiblement plus élevée que la tension de la source, par exemple égale au double de la tension de la source.
  • Pendant la décharge du condensateur C1 à travers la bobine B, il convient que le transistor TR reste débloqué. Cette fonction est assurée par la diode Zener ZD2 dont la tension de Zener est supérieure à la tension de la source. Tant que le thyristor TH est bloqué, la tension au point 2 reste inférieure à la tension de Zener de la diode Zener ZD2 et celle-ci est bloquée. Lorsque la tension au point 2 monte pratiquement à la tension UC1max > UZD2, la diode Zener ZD2 conduit et le condensateur C2 se charge positivement et maintient le transistor TR débloqué. Le condensateur C2 se décharge parallèlement au condensateur C1.
  • Après décharge du condensateur C1 le thyristor TH est à nouveau bloqué, ainsi que la diode Zener ZD2, mais le courant haché traversant à nouveau la bobine B suffit à maintenir l'armature de l'électro-aimant attiré.
  • Le circuit représenté peut être complété par des éléments de sécurité constitués par exemple par une diode Zener parallèle aux résistances R2 et R3, une diode Zener parallèle au condensateur C1 et une diode en amont de la diode D2 de la résistance R1.
  • Les composants du circuit peuvent avoir par exemple, les valeurs suivantes :
    • Résistance R1
    : 1,5 KΩ
    Résistance R2
    : 1 MΩ
    Résistance R3
    : 18 MΩ
    Résistance R4
    : 1 MΩ
    Résistance R5
    : 18 MΩ
    Résistance R6
    : 22 KΩ
    Résistance R7
    : 10 KΩ
    Condensateur C1
    : 470 »F
    Condensateur C2
    : 3,3 MF
    Diode Zener ZD1
    : 24 V
    Diode Zener ZD2
    : Dépend de Ualimentation
    Ampli. op. IC1
    : LM358
    Bobine B
    : 3300 spires, 155Ω
  • La tension de Zener de la diode Zener ZD2 dépend de la tension maximale d'alimentation. Si cette tension est de 28 V, la tension de Zener sera choisie égale à 30 V.
  • Avec une tension d'alimentation de 28 V on a mesuré au point 2 une tension maximale de 49 V et un courant de pointe dans la bobine de 200 mA.
  • En limitant le courant tiré de la source à 22 mA au moyen d'une résistance, on a encore mesuré une tension de 39 V et un courant de pointe de 155 mA.

Claims (2)

  1. Circuit d'alimentation d'un électro-aimant au moyen d'une source de courant continu comprenant un oscillateur (IC1) chargeant, par des impulsions de tension fournie par une bobine, un condensateur (C1) à une tension supérieure à la tension de la source (Ual), le condensateur se déchargeant à travers l'électro-aimant (B) lorsque cette tension atteint la tension de blocage d'un élément semi-conducteur commandant un interrupteur semiconducteur branché entre le condensateur et l'électroaimant, caractérisé en ce que la bobine fournissant les impulsions de tension est constitutée par la bobine (B) de l'électro-aimant, que l'élément semi-conducteur dont la tension de blocage autorise la charge du condensateur (CI) à une tension supérieure à la tension d'alimentation est une diode Zener (ZD1), que l'interrupteur semi conducteur est un thyristor (TH) branché en parallèle à l'électro-aimant et dont la gâchette est reliée à la diode Zener (ZD1), l'électro-aimant étant en outre en série avec un transistor (TR) travaillant en interrupteur commandé par l'oscillateur pour la production d'impulsions de courant dans l'électroaimant, ces impulsions étant insuffisantes pour actionner l'électro-aimant, mais suffisantes pour maintenir son armature attirée.
  2. Circuit d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor (TR) est un transistor npn et que le circuit comprend une seconde diode Zener (ZD2) branchée, en série avec une résistance (R7), entre la borne de l'électro-aimant reliée à la source de courant et la base du transistor, le point commun de la seconde diode Zener et de ladite résistance étant reliée à la masse à travers un condensateur (C2) et la tension de Zener de la seconde diode Zener étant supérieure à la tension d'alimentation du circuit.
EP92810647A 1991-08-28 1992-08-24 Circuit d'alimentation d'un électroaimant au moyen d'une source de courant continu Expired - Lifetime EP0530151B1 (fr)

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CH659553A5 (de) * 1982-01-26 1987-01-30 Seitz Eugen Ag An eine last angeschlossener stromstossgenerator.
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