ES2285800T3 - Circuito para controlar la aplicacion de electricidad a una bobina de un aparato de comunicacion de corriente electrica. - Google Patents
Circuito para controlar la aplicacion de electricidad a una bobina de un aparato de comunicacion de corriente electrica. Download PDFInfo
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Abstract
CIRCUITO DE CONTROL (30) QUE EXCITA LA BOBINA (20) DE UN CONTACTOR (10) EN RESPUESTA A UNA TENSION DE CONTROL APLICADA. EL CIRCUITO DE CONTROL (30) INCLUYE UNA FUENTE DE ALIMENTACION (31) QUE PRODUCE UNA TENSION DE SALIDA REGULADA A PARTIR DE LA TENSION DE CONTROL. LA APARICION DE LA TENSION DE SALIDA REGULADA INICIA UN TEMPORIZADOR (34) QUE CONTROLA EL ANCHO DE LOS IMPULSOS PRODUCIDOS POR UN CONTROLADOR PWM (33). LOS IMPULSOS HACEN QUE CIRCULE UNA ALTA INTENSIDAD DE CORRIENTE A TRAVES DE LA BOBINA (20) PARA CERRAR EL CONTACTOR (10) Y, TRANSCURRIDO UN INTERVALO DE TIEMPO, EL TEMPORIZADOR (34) INDICA AL CONTROLADOR PWM (33) QUE ACORTE LA DURACION DE LOS IMPULSOS QUE APLICA A LA BOBINA PARA MANTENER EL CONTACTOR CERRADO. UN CIRCUITO DE RETROCESO (36) PROPORCIONA UN CAMINO DE CAIDA DE TENSION INVERSA RELATIVAMENTE BAJO EN PARALELO CON LA BOBINA (20) PARA MANTENER EL CAMPO ELECTROMAGNETICO DURANTE LOS PERIODOS TRANSCURRIDOS ENTRE LOS IMPULSOS. CUANDO SE RETIRA LA TENSION DE CONTROL PARA ABRIR EL CONTACTOR (10), EL CIRCUITO DE RETORNO (36) PROPORCIONA UN CAMINO DE CAIDA DE TENSION INVERSA ELEVADA PARA AMORTIGUAR INMEDIATAMENTE LA INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LA BOBINA.
Description
Circuito para controlar la aplicación de
electricidad a una bobina de un aparato de conmutación de corriente
eléctrica.
Esta invención se refiere a aparatos, tal como
por ejemplo contactores, para conmutar corriente eléctrica y más
particularmente a un circuito de control para la aplicación de
electricidad a una bobina en el aparato para abrir y cerrar un
conjunto de contactos de conmutación.
La aplicación de electricidad a motores y otras
cargas grandes a menudo está controlada por el tipo de relé
conocido como contactor. El contactor tiene uno o más conjuntos de
contactos de conmutación eléctrica los cuales típicamente son
desviados mediante resorte a un estado abierto. Cuando se activa la
bobina de solenoide del contactor, se produce un campo
electromagnético el cual fuerza a cerrar los contactos del
conmutador. De ese modo, el contactor permite que se aplique una
corriente y una tensión relativamente pequeñas a la bobina para
conmutar una corriente o tensión mucho mayor a la carga.
Con algunos tipos de contactores se requiere una
corriente mayor para cerrar inicialmente los contactos de la que se
requiere después para mantener los contactos en el estado cerrado.
Como consecuencia, en algunas aplicaciones, tales como en equipos
accionados por baterías, un ejemplo de los cuales se representa en
la publicación de patente internacional Nº WO 91/06968 y que se
utiliza en el preámbulo de la reivindicación 1, es deseable reducir
la corriente de la bobina después de que los contactos se cierren a
fin de conservar la potencia. Una técnica para controlar la
corriente es modular la amplitud del impulso de la electricidad
aplicada a la bobina del contactor y variar la duración de los
impulsos para alterar la magnitud de la corriente aplicada a la
bobina.
Con la modulación de la amplitud del impulso, la
energía almacenada en la bobina se puede emplear para producir
corriente "de retorno" durante el periodo de desconexión de
cada ciclo de impulso a fin de mantener el campo electromagnético
que conserva los contactos cerrados. De ese modo se establece una
trayectoria de retroalimentación de baja impedancia alrededor de la
bobina para esta corriente de retorno. Sin embargo, esa trayectoria
de retroalimentación de baja impedancia tiene la desventaja de
ralentizar la decadencia el campo electromagnético cuando los
contactos se van a abrir. Esto reduce la velocidad de la separación
física de los contactos e incrementa las condiciones para la
formación de arco entre los contactos separados.
Además, dispositivos exteriores, tales como
supresores de las corrientes transitorias, conectados a través de
los terminales de la bobina de los contactores convencionales
también pueden afectar negativamente a la velocidad a la cual se
abre los contactos para desconectar la carga.
Un objeto general de la presente invención es
proporcionar un circuito de control para un aparato de conmutación
de la corriente electromagnéticamente accionado, circuito el cual
proporciona una decadencia rápida del campo magnético de la bobina
durante la desconexión de la carga.
Un objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un circuito de control de la modulación de la amplitud
del impulso para la bobina del dispositivo de conmutación, el cual
proporciona una trayectoria de disipación de energía relativamente
baja a través de la bobina mientras el circuito de control está
activado y una trayectoria de disipación elevada cuando se va a
desconectar la carga.
Otro objeto es proporcionar un circuito de
control el cual minimiza los efectos en el funcionamiento de la
bobina debidos a dispositivos exteriores conectados a los terminales
de la bobina.
Estos y otros objetos se satisfacen mediante un
circuito de control para un dispositivo de conmutación eléctrica el
cual tiene un conjunto de contactos que son accionados mediante una
bobina electromagnética. El circuito de control incluye terminales
de entrada primero y segundo para recibir una señal de control para
accionar el dispositivo de conmutación eléctrica. Un primer
transistor tiene una trayectoria de conducción conectada en serie
con la bobina electromagnética entre los terminales de control
primero y segundo. Un controlador aplica una serie de impulsos
eléctricos a un terminal de control del primer transistor para
conmutar ese transistor a un estado de conducción y aplicar
impulsos de corriente a la bobina. La serie de impulsos tiene un
primer ciclo de trabajo durante un período de tiempo previamente
definido a continuación de la aplicación de la señal de control a
los terminales de entrada primero y segundo y después de ello la
serie de impulsos tiene un segundo ciclo de trabajo el cual resulta
en que, a través de la bobina electromagnética, fluye menos
corriente de la que fluía durante el período de tiempo previamente
definido.
Un circuito de retorno tiene un primer diodo y
un segundo transistor conectados en serie para proporcionar una
trayectoria de conducción en paralelo con la bobina electromagnética
para la corriente producida en la bobina electromagnética cuando el
primer transistor no es conductor. El segundo transistor es desviado
a un primer estado de conducción mediante la señal de control. Al
eliminar la señal de control de los terminales de entrada primero y
segundo, el segundo transistor es desviado a un segundo estado de
conducción mediante la corriente producida en la bobina
electromagnética con el segundo estado de conducción siendo menos
conductor que el primer estado de conducción. De ese modo el primer
estado de conducción actúa para mantener un campo electromagnético
producido por la bobina entre las apariciones de los impulsos
eléctricos. El segundo estado de conducción produce una caída de
tensión en la trayectoria para la corriente producida en la bobina
electromagnética cuando se desea desactivar el dispositivo de
conmutación. Esta acción disipa energía significante para consumir
rápidamente el campo magnético almacenado en la bobina lo cual
resulta en una abertura rápida de los contactos de conmutación.
La figura 1 es una vista parcialmente cortada de
un contactor eléctrico con el cual se puede utilizar la presente
invención; y
la figura 2 es un diagrama esquemático del
circuito de una forma de realización de un circuito de control de
acuerdo con la presente invención.
Con referencia a la figura 1, un contactor de un
único polo electromagnético 10 tiene un alojamiento de plástico 12
con terminales de potencia primero y segundo 14 y 16. El primer
terminal de potencia 14 está conectado a un primer contacto
estacionario 15 unido al alojamiento y el segundo terminal de
contacto 16 está conectado a un segundo contacto estacionario
17.
Un solenoide electromagnético 17 se aloja en
ranuras en las superficies interiores del alojamiento 12. El
solenoide 18 tiene una bobina anular 20 con un núcleo 21 y una
armadura 22 colocada en el interior del orificio central 24 de la
bobina. La armadura 22 incluye un árbol 26 que pasa libremente a
través del núcleo 21 y se conecta a un brazo de contacto móvil
28.
Cuando la bobina 20 se activa con corriente
eléctrica, la armadura 22 se desplaza hacia arriba, en la
orientación representada en la figura 1, acción la cual fuerza al
brazo de contacto móvil 28 contra los dos contactos estacionarios
15 y 17 para completar una trayectoria eléctrica entre los
terminales de potencia primero y segundo 14 y 16. Cuando se elimina
la corriente de la bobina 20, un resorte 29 fuerza al brazo de
contacto móvil 28 alejándolo de los dos contactos estacionarios 15
y 17, abriendo la trayectoria eléctrica. Un contactor de este tipo
se describe en la patente americana Nº 5,004,874.
En el interior del alojamiento del contactor 12
hay un circuito eléctrico 30, representado en la figura 2, el cual
controla la aplicación de electricidad a la bobina 20. El usuario
activa y desactiva el contactor 10 aplicando y eliminando tensión
de corriente continua a través de los terminales de control de la
bobina 38 y 39. Cuando está activado, el circuito de control 30
aplica una serie de impulsos de corriente continua a la bobina a
fin de cerrar los contactos del dispositivo de conmutación 10. La
cantidad de corriente que se tiene que aplicar a la bobina 20 para
desplazar el brazo de contacto 28 contra los contactos estacionarios
15 y 17 es mayor que la magnitud de la corriente que se requiere
después de ello para mantener la trayectoria eléctrica a través de
los contactos. Como consecuencia, el circuito de control 30 aplica
impulsos con ciclos de trabajo relativamente grandes a fin de
aplicar corriente suficiente a través de la bobina 20 para cerrar
los contactos. Después de un período de tiempo previamente definido
que es lo suficientemente largo como para asegurar el cierre del
contacto, el circuito de control reduce el ciclo de trabajo y por lo
tanto la corriente de la bobina a un nivel inferior que es justo
suficiente para mantener el brazo de contacto móvil 28 contra los
contactos estacionarios 15 y 17.
El circuito de control 30 comprende una sección
de suministro de energía 31, una sección del controlador de salida
32, un controlador de la corriente de modulación de la amplitud del
impulso 33, un temporizador 34 y un circuito de retorno/decadencia
36. El suministro de energía 31 proporciona tensión estable regulada
al temporizador 34 y al controlador de corriente de modulación de
la amplitud del impulso 33 sobre una amplia gama de tensiones de
entrada (por ejemplo desde 10 V de corriente continua hasta 50 V de
corriente continua).
El terminal de control positivo 38 está acoplado
al nodo de entrada de suministro de energía 40 mediante un diodo
D1, un nodo 35 y una resistencia de limitación de la corriente R1.
Un diodo Zener D2 se extiende entre el nodo de entrada 40 y tierra
para proporcionar una protección a la sobretensión del suministro de
energía. La resistencia R2 y el diodo Zener D3 están conectados en
serie entre el nodo de entrada 40 y tierra. El diodo Zener D3 es el
elemento de referencia de la tensión primario que produce en su
cátodo una tensión nominal de 8,4 V con respecto a tierra, la cual
es alimentada en la base de un transistor Darlington NPN Q1. El
condensador C1 acopla la base del transistor Q1 a tierra como un
filtro de ruido y también para reducir la velocidad de elevación de
la tensión en la base durante la activación. Esto reduce la
corriente de accionamiento de conexión instantánea entre los
condensadores C2 y C3 reduciendo la tensión en esos condensadores,
así como en el transistor Q1. El transistor Darlington Q1 tiene un
colector conectado al nodo de entrada 40 y un emisor acoplado a un
primer nodo de salida 42 del suministro de energía. El transistor Q1
actúa como un amplificador de corriente
emisor-seguidor para proporcionar una tensión de
salida regulada nominalmente de 7,2 voltios de corriente continua
sobre una gama de cargas de corriente y a través de una amplia gama
de tensiones de entrada.
El primer nodo de salida 42 del suministro de
energía 31 está conectado mediante un diodo de desacoplamiento D4 a
un segundo nodo de salida 44 del suministro de energía 31. El
segundo nodo de salida 44 está acoplado a tierra mediante
condensadores C2 y C3 conectados en paralelo. El diodo de
desacoplamiento D4 alimenta la tensión regulada a los comparadores
de la tensión en el temporizador 34 y el controlador de corriente de
modulación de la amplitud del impulso 33. El condensador C2 actúa
como un elemento de filtro para mantener la tensión durante
interrupciones breves de la potencia de entrada y corrientes
transitorias negativas. Un condensador mucho más pequeño C3 está en
paralelo con el condensador C2 para proporcionar una supresión del
ruido de alta frecuencia más eficaz. Durante la desconexión del
contactor 10, el diodo D4 evita que la corriente inversa desde el
condensador C2 fluya de vuelta al primer nodo de salida 42 y dentro
de otras etapas del circuito las cuales deben volver rápidamente a
cero. Un bucle de corriente de este tipo puede afectar negativamente
al funcionamiento del circuito de retorno/decadencia 36.
El temporizador 34 controla la duración del
tiempo en el que el circuito de control 30 suministra la corriente
de cierre alto nivel a la bobina 20 para accionar inicialmente el
contactor 10. Un nodo de entrada del temporizador 52 está conectado
directamente al segundo nodo de salida 44 del suministro de energía
31. El diodo D6 y la resistencia R8 están conectados en paralelo
entre el nodo de entrada del temporizador 52 y un nodo intermedio
54 el cual está acoplado mediante el condensador C5 a tierra. El
nodo intermedio 54 está conectado mediante la resistencia R9 a la
entrada de inversión de un primer comparador de la tensión 56. La
entrada de no inversión del primer comparador de la tensión 56 está
conectada al nodo intermedio de un divisor de la tensión formado
por las resistencias R10 y R11 conectadas en serie entre el nodo de
entrada del temporizador 52 y tierra para formar una fuente de
tensión de referencia.
La salida del primer comparador de la tensión 56
está conectada al terminal de entrada 58 del controlador de la
corriente de modulación de la amplitud del impulso 33. El terminal
de entrada 58 está conectado mediante una resistencia de conexión
R12 a la segunda salida 44 del suministro de energía 31. Puesto que
la etapa de salida del comparador es un tipo de colector abierto la
resistencia R12 se convierte en una fuente de corriente dentro de
cátodo del diodo D7 cuando el colector está desconectado. El bloqueo
del diodo D7 acopla la terminal de entrada 58 a la entrada de no
inversión de un segundo comparador de la tensión 60. Esa entrada de
no inversión también está conectada mediante una resistencia de
desviación R13 a la segunda salida 44 del suministro de energía y a
tierra mediante la resistencia R14 formando de ese modo una fuente
de tensión de referencia. La resistencia R17 está conectada entre
la entrada del segundo comparador de la tensión 60 y la entrada de
no inversión para proporcionar histéresis para el umbral del
comparador de conexión-desconexión. La entrada de
inversión del segundo comparador de la tensión 60 está conectada
mediante la resistencia R15 al segundo extremo 61 de la bobina del
contactor 20 cuyo extremo está conectado a tierra mediante una
resistencia de detección de la corriente de baja resistencia R16.
La entrada de inversión del segundo comparador de la tensión 60 está
también acoplada a tierra mediante el condensador C6. La salida del
segundo comparador de la tensión 60 está conectada a la base de un
transistor NPN Q3 en el controlador de salida 32.
La base del transistor Q3 está conectada al nodo
intermedio 50 de otro divisor de la tensión formado por las
resistencias R6 y R7 que están conectadas en serie entre el segundo
nodo de salida 44 de suministro de energía y tierra. El controlador
de salida 32 tiene un segundo transistor Darlington Q2, aquí de un
tipo PNP con un emisor conectado al nodo de entrada 35 y un
colector conectado a un primer extremo 47 de la bobina del contactor
20. Un diodo Zener D5 está conectado a través de la unión de
emisor-colector del transistor Darlington Q2 para
proporcionar protección a la sobretensión y las corrientes
transitorias y un condensador C4 acopla el emisor a tierra para la
supresión del ruido. Un divisor de la tensión formado por las
resistencias R3 y R4 tiene un extremo conectado al nodo de entrada
35 y un nodo intermedio 48 conectado a la base del transistor Q2.
El otro extremo del divisor de la tensión R3/R4 está conectado a
tierra mediante la conexión en serie de la trayectoria del
colector-emisor del transistor Q3 y la resistencia
R5. Realmente cuando el transistor Q3 está en un estado conectado
funciona en un modo de limitación de la corriente. Cuando su
corriente del emisor alcanza un nivel en el que la caída de tensión
a través de la resistencia R5 alcanza el nivel establecido en el
terminal base mediante el divisor de resistencias R6 y R7 (menos la
caída Vbe), la propia desviación de la base se limita a sí misma y
el colector a la caída de la tensión del emisor se ajusta para
mantener la corriente a ese nivel. Este efecto es deseable puesto
que el arrastre de corriente a través de la resistencia R4 para
accionar la base del transistor Q2 es constante sin tener en cuenta
cuál es la tensión de suministro en la entrada 38.
El circuito de retorno/decadencia 36 tiene un
nodo de entrada 62 conectado al primer nodo de salida 42 del
suministro de energía 21. El nodo de entrada 62 está conectado
mediante la trayectoria de conducción del
emisor-colector del transistor PNP Q4, el diodo D8
y la resistencia R18 a un nodo intermedio 64. Un divisor de la
tensión formado por las resistencias R19 y R20 está conectado entre
el nodo de entrada 62 y tierra con un nodo intermedio 66 conectado
a la base del transistor Q4. El nodo intermedio 64 del circuito de
retorno/decadencia 36 está conectado a la base del transistor
Darlington Q5 con su emisor conectado al primer extremo de la bobina
del contactor 20 y acoplado mediante la resistencia R21 a su base.
El colector del transistor Q5 está conectado mediante el diodo
desviado inverso D10 a tierra y a su base mediante el diodo Zener
D9.
Cuando se conecta el circuito de control 30
mediante la aplicación de tensión a los terminales de control 38 y
39, la tensión a través del condensador C5 en el temporizador 34
está inicialmente al nivel cero, que se acopla a través de R9 en la
entrada de inversión del primer comparador de la tensión 56. Esto
resulta en que se abre la salida del primer comparador de la
tensión 56, permitiendo de ese modo que la resistencia R12 arrastre
el nodo 58 a la tensión de suministro regulada. Bajo estas
condiciones el lado inferior de R12 en el nodo 58 está gobernado a
través del diodo D7 dentro del divisor de la tensión R13/R14 del
segundo comparador de la tensión 60 en el controlador de corriente
de modulación de la amplitud del impulso 33. Esto desvía la entrada
de referencia del comparador 60 a un nivel alto. Con los
comparadores 60 en un estado de salida alto, la resistencia R17
tiende a arrastrar el nivel de referencia hacia arriba ligeramente y
el estado de salida alto también conecta los transistores Q3 y Q2.
Estos transistores permanecen conductores hasta que la tensión a
través de la resistencia de detección de la corriente R16 excede la
tensión de referencia aplicada a la entrada de no inversión del
segundo comparador de la tensión 60 momento en el cual la salida del
comparador se hace baja. Esta acción arrastra un extremo de R17
bajo lo cual reduce el nivel de referencia en la entrada de no
inversión del comparador 60. Esta retroalimentación positiva
alrededor del comparador asegura una conmutación positiva y rápida
del comparador. Con la salida del comparador 60 baja los
transistores Q3 y Q2 se desconectan. Los transistores Q3 y Q2 se
vuelven a conectar otra vez cuando la tensión a través de la
resistencia de detección de la corriente R16 cae por debajo de la
tensión de referencia al segundo comparador de la tensión 60. La
resistencia R17 se selecciona para proporcionar una pequeña cantidad
de histéresis de la tensión a la referencia del umbral de conexión
oscilante en la entrada del comparador. Este diferencial establece
una diferencia ligera en los niveles de detección de la corriente
en los que el comparador se conecta y se desconecta de forma
oscilante. Las diferencias de nivel, conjuntamente con la relación
nivel/resistencia de la bobina y la constante de tiempo de la
resistencia R15 y el condensador C6 determinan la frecuencia de
funcionamiento real del comportamiento de oscilación de la
modulación de la amplitud del impulso y la cantidad fluctuación de
la corriente regulada. Puesto que la tensión de referencia
producida por el temporizador 34 en la entrada de no inversión al
segundo comparador de la tensión 60 durante esta fase inicial de
funcionamiento del circuito es relativamente alta, la amplitud de
los impulsos de la corriente aplicada a la bobina 20 es
relativamente larga resultando en una gran corriente inicial de la
bobina.
Con el paso del tiempo el condensador C5 se
carga a través de la resistencia R8. Cuando la tensión del
condensador alcanza el nivel en la entrada de no inversión del
primer comparador de la tensión 56, la salida del último
dispositivo conecta de forma oscilante la baja corriente que deriva
de R12 a tierra anulando la influencia de la resistencia R12 en el
divisor de la tensión R13/R14. Esta acción elimina el nivel de
desviación de cierre del contacto en la entrada de no inversión del
segundo comparador de la tensión 60 causando que la corriente
aplicada a la bobina 20 se reduzca al nivel inferior, ahora
únicamente determinado por el divisor de la tensión R13/R14, nivel
del cual se requiere para mantener cerrados los contactos 15, 17 y
28. Específicamente, se aplica ahora una tensión de referencia
inferior a la entrada de no inversión del segundo comparador de la
tensión, lo cual acorta los impulsos de corriente aplicados a la
bobina 20 por la acción de conmutación de los transistores Q3 y Q2.
Esta condición de estado estable se mantendrá hasta que el circuito
de control 30 se desconecta eliminando la tensión positiva desde el
terminal de control positivo 38.
Durante la desconexión del circuito de control
30, la tensión a través de los condensadores de suministro de
energía principal C2 y C3 decae en rápidamente debido a la carga del
circuito. Para asegurar que el condensador de temporización C5 se
descarga rápidamente, el diodo inverso D6 está incluido a través de
la resistencia R8 y se convierte en desviado hacia delante cuando
la tensión de suministro decae por debajo del nivel cargado de C5.
De ese modo el circuito "se reajusta" él mismo rápidamente
durante la desconexión, permitiendo que vuelva a ocurrir una
temporización de conexión apropiada si se vuelve a aplicar energía
en un corto periodo de tiempo después de la desconexión. Una
situación de este tipo ocurrirá cuando un motor está controlado
mediante el contactor 10 siendo rápidamente "conectado y
desconectado con intermitencias".
La corriente a través del circuito de la bobina
30 está regulada mediante la conexión y la desconexión rápida
(impulsos) del transistor de salida Q2 y variando la relación del
tiempo de conexión al de desconexión, modulando la amplitud del
impulso (PWM) de ese modo de la corriente de la bobina. La corriente
de la bobina es detectada y controlada con precisión tanto durante
las fases de cierre de los contactos como de cierre, con la relación
siendo ajustada continuamente para compensar los cambios en la
tensión suministrada y las variaciones de la resistencia.
Un flujo suave de corriente de la bobina se
consigue durante los breves intervalos de "desconexión" de la
modulación de la amplitud del impulso entre los impulsos de
corriente proporcionando un bucle de retorno alrededor de la bobina
20 a través del diodo D10. Durante el funcionamiento normal, el
diodo D10 se mantiene a un bucle de impedancia bajo alrededor de la
bobina teniendo el transistor Q5 desviado completamente como
conductor mediante el suministro de energía 31. Esto se consigue
alimentando tensión regulada desde el nodo de suministro de energía
42 a través del transistor Q4, el diodo D8 y la resistencia R18 en
la base del transistor Q5. Durante el intervalo de desconexión de
la modulación de la amplitud del impulso entre los impulsos, la
polaridad de la bobina se invierte en un intento de mantener la
corriente para que fluya en la misma dirección en la que estaba
fluyendo durante el intervalo de conexión, de acuerdo con la ley de
Lenz. De ese modo el diodo D10 y el transistor Q5 son desviados
hacia delante y conducen la corriente de retorno alrededor de la
bobina 20.
Cuando se desconecta el circuito de control 30,
sin embargo, es esencial que este bucle de retorno disipe la
energía almacenada en la bobina rápidamente de forma que el
movimiento de abertura del contactor no se amortigüe o reduzca la
velocidad. Cuando la tensión se elimina del terminal de control
positivo 38, la base desviada en el transistor Q5 desde el
transistor Q4, el diodo D8 y la resistencia R18 se elimina, lo cual
tiende a desconectar el transistor Q5 y a abrir el bucle de retorno.
Sin embargo, la polaridad inversa generada por la bobina desvía
ahora la base del transistor Q5 a través del diodo Zener D9,
forzando al colector del transistor a emitir tensión para fijarlo a
este nivel. Esta caída de tensión, conjuntamente con la corriente
de retorno, produce una energía significante de energía disipando
por consiguiente el campo de la bobina rápidamente lo cual permite
que el contactor se abra rápidamente. Por lo tanto, el circuito de
retorno 36 proporciona una función dual, un bucle de retorno de
baja impedancia durante el funcionamiento normal de modulación de
la amplitud del impulso y un disipador de energía durante la
desconexión.
Durante este intervalo de desconexión, el
transistor Q4 asegura que no existan trayectorias de fuga para
proporcionar inintencionadamente una desviación hacia delante en la
base del transistor Q5. Puesto que la polaridad de la bobina se
invierte durante este tiempo, el emisor del transistor Q5 es forzado
a negativo con respecto a tierra y cualquier trayectoria desde
tierra al terminal de control positivo 38 proporcionará una
desviación hacia delante a través de los transistores Q1 y Q4, la
resistencia R18 y el diodo D8 a la base del transistor Q5,
manteniéndolo conectado, y sobrepasando la desviación de la tensión
de sujeción desde el diodo D9. Durante esta situación, sin embargo,
la base del transistor Q4 estará desviada desconectada, abriendo su
circuito colector y asegurando que el bucle a la base del
transistor Q5 está abierto. El diodo D4 también evita que los
condensadores de suministro de energía C2 y C3 se descarguen de
vuelta a través del transistor Q4 en la base del transistor Q5
durante la desconexión, ya que la desviación desde estos componentes
podría mantener conectado de otro modo el transistor Q4.
Un beneficio importante del presente circuito de
retorno/decadencia 36 es que la bobina 20 está provista de un bucle
de decadencia de retorno controlado. Generalmente, una bobina del
contactor está conectada directamente a través de terminales de
control 38 y 39 por lo que la energía de control se conecta y
desconecta para activar la bobina. Cuando la línea de control está
desconectada, la energía de la bobina típicamente se disipará
rápidamente en la formación del arco del conmutador. Si alguna otra
carga está también conectada a través de esta entrada, es decir en
paralelo con la bobina, la energía de la bobina durante la
desconexión se puede disipar más lentamente en forma de una
corriente de retorno a través de esa otra carga. Una práctica común,
aunque indeseable, cuando se instalan contactores en aplicaciones
es añadir un diodo a través de los terminales de la bobina para
suprimir cualquier transitorio de tensión inversa que la bobina
pueda establecer de vuelta sobre la línea de control. La decadencia
prolongada puede amortiguar el movimiento mecánico, haciendo más
lenta la separación de los contactos, incrementando la duración del
arco resultando en un deterioro incrementado de los contactos y una
prolongación del tiempo para la creación de la tensión del arco
máximo para la interrupción de la corriente. A niveles de tensión
de corriente continua más altos por lo tanto se puede convertir
particularmente en crucial. Con este circuito, la energía de
retorno de la bobina se disipará en un bucle controlado interior y,
por lo tanto no está alimentado directamente de vuelta a través de
los terminales de entrada en donde dichas cargas externas lo pueden
afectar.
Adicionalmente, el presente circuito aísla las
tensiones transitorias de la bobina evitando que sean aplicadas de
vuelta sobre las líneas de control del usuario conectadas a los
terminales 38 y 39, eliminando de ese modo la necesidad de los
supresores descritas anteriormente.
Claims (15)
1. Circuito de control (30) para un dispositivo
de conmutación eléctrica (10) provisto de un conjunto de contactos
(15, 17, 28) los cuales son accionados por una bobina
electromagnética (20), dicho circuito de control comprendiendo
terminales de control primero y segundo (38, 39) para recibir una
señal de control para el accionamiento del dispositivo de
conmutación eléctrica y un primer transistor (Q2) provisto de una
trayectoria de conducción conectada en serie con la bobina
electromagnética (20) entre los terminales de control primero y
segundo (38, 39), el primer transistor estando provisto de un
terminal de control; el circuito de control estando
caracterizado por:
un controlador (33, 34) el cual genera una serie
de impulsos que son aplicados al terminal de control del primer
transistor (Q2), en el que la serie de impulsos desvia el primer
transistor para aplicar un primer nivel de corriente a la bobina
electromagnética (20) durante un período de tiempo definido y
después de ello el primer transistor (Q2) es desviado para aplicar
un segundo nivel de corriente a la bobina electromagnética, en el
que el primer nivel es mayor que el segundo nivel y un circuito de
retorno/decadencia (36) provisto de un primer diodo (D10) y un
segundo transistor (Q5) conectados en serie y a la bobina
electromagnética (20) en el que el segundo transistor (Q5) es
desviado por la señal de control para proporcionar una primera caída
de tensión para la corriente producida por la bobina
electromagnética durante los intervalos entre cada impulso de la
serie de impulsos, al eliminar la señal de control el segundo
transistor (Q5) es desviado para proporcionar una segunda caída de
tensión para la corriente producida en la bobina electromagnética,
en el que la segunda caída de tensión es mayor que la primera caída
de tensión.
2. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 1 en el que el período de tiempo definido empieza
en el momento de la aplicación de la señal de control a los
terminales de control primero y segundo (38, 39).
3. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 1 en el que la serie de impulsos tiene un primer
ciclo de trabajo durante el período de tiempo definido y tiene un
segundo ciclo de trabajo después del período de tiempo
definido.
4. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 3 en el que el controlador (33, 34) varía los
ciclos de trabajo primero y segundo para proporcionar niveles de
corriente primero y segundo previamente definidos, respectivamente,
sin tener en cuenta los cambios en la tensión de la señal de control
ni los cambios en la resistencia de la bobina electromagnética
(20).
5. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 3 en el que el controlador (33, 34) comprende:
un temporizador (34) que responde a la señal de
control produciendo una señal de temporización después del período
de tiempo definido; y
un controlador de la modulación de la amplitud
del impulso (33) el cual produce la serie de impulsos con la
duración de cada impulso siendo sensible a la señal de
temporización.
6. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 5 en el que el temporizador (34) comprende:
una fuente de una tensión de referencia
(52);
una red de
resistencia-condensador (D6, R8, R9, C5) la cual
produce una tensión que varía con el tiempo en respuesta a la señal
de control; y
un comparador (56) el cual produce la señal de
temporización en respuesta a la tensión que varía con el tiempo que
tiene una relación con la tensión de referencia previamente
definida.
7. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 5 en el que el controlador de la modulación de
la amplitud del impulso (33) comprende:
una fuente de una tensión de referencia (R13,
R14) la cual varía en respuesta a la señal de temporización;
un sensor de corriente (R16) el cual produce una
tensión del sensor que indica una magnitud de corriente que fluye a
través de la bobina electromagnética; y
un comparador (60) el cual produce la serie de
impulsos en respuesta a la tensión del sensor que tiene una
relación con la tensión de referencia previamente definida.
8. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 1 en el que el circuito de retorno (36) comprende
un tercer transistor (Q4) el cual se convierte en conductor mediante
la aplicación de la señal de control y cuando se convierte en
conductor desvía el segundo transistor (Q5) al primer estado de
conducción.
9. El circuito de control (30) como se define en
la reivindicación 1 en el que el circuito de retorno (36) acciona
el segundo transistor (Q5) hasta la saturación para producir la
primera caída de tensión.
10. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 1 en el que el segundo transistor (Q5) produce
una segunda caída de tensión fija.
11. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 1 en el que el circuito de retorno (36)
comprende:
un nodo de entrada (62) acoplado al primer
terminal de control (38);
un par de resistencias (R19, R20) conectadas en
serie entre el nodo de entrada (62) y el segundo terminal de
control (39) y que forma un primer nodo (66) entre el par de
resistencias;
un tercer transistor (Q4) provisto de una
trayectoria de conducción y un terminal de control acoplado al
primer nodo (66);
un segundo diodo (D8);
una primera resistencia (R18) en la que la
trayectoria de conducción del tercer transistor (Q4), el segundo
diodo (D8) y la primera resistencia (R18) están conectados en serie
entre el nodo de entrada (62) y un electrodo de control del segundo
transistor (Q5);
una segunda resistencia (R21) conectada entre el
electrodo de control y un extremo de una trayectoria de conducción
del segundo transistor (Q5) extremo el cual está acoplado a un lado
de la bobina electromagnética (20); y
un diodo Zener (D9) conectado entre el electrodo
de control y otro extremo de una trayectoria de conducción del
segundo transistor (Q5) extremo el cual está acoplado al otro lado
de la bobina electromagnética (20).
12. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo un suministro
de energía (31) conectado a los terminales primero y segundo (38,
39) y que produce una tensión de salida regulada que se aplica al
controlador (33, 34) y al circuito de retorno (36) para desviar el
segundo transistor (Q5) al primer estado de conducción.
13. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 1 adicionalmente comprendiendo:
un suministro de energía (31) conectado a los
terminales primero y segundo (38, 39) y que produce una tensión de
salida regulada;
un temporizador (34) el cual tiene un primer
estado durante un período de tiempo definido que empieza en el
momento de la aplicación de la señal de control a los terminales de
control primero y segundo (38, 39) y tiene un segundo estado
después del período de tiempo definido;
en el que el controlador comprende un modulador
de la amplitud del impulso (33) conectado al temporizador (34) y
que incluye una fuente (R13, R14) de una primera tensión de regencia
derivada de la tensión de salida regulada, en el que la primera
tensión de referencia es mayor durante el primer estado que durante
el segundo estado del temporizador (34), el modulador de la
amplitud del impulso (33) estando provisto de un sensor de
corriente (R16) el cual produce una tensión del sensor en respuesta
a una magnitud de la corriente que fluye a través de la bobina
electromagnética (20) y un comparador (60) el cual produce un
impulso de desviación que se aplica al terminal de control para
convertir el primer transistor (Q2) en conductor siempre que la
primera tensión de referencia excede de la tensión del sensor.
14. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 13 en el que el circuito de retorno (36)
adicionalmente comprende:
un nodo de entrada (62) en el cual se recibe la
tensión de salida regulada;
un par de resistencias (R19, R20) conectadas en
serie entre el nodo de entrada (62) y el segundo terminal de
control (39) y que forma un primer nodo (66) entre el par de
resistencias;
un tercer transistor (Q4) que tiene un terminal
de control acoplado al primer nodo (66) y que tiene una trayectoria
de conducción;
un segundo diodo (D8);
una primera resistencia (R18), en la que la
trayectoria de conducción del tercer transistor (Q4), el segundo
diodo (D8) y la primera resistencia (R18) están conectados en serie
entre el nodo de entrada (62) y un electrodo de control del segundo
transistor (Q5);
una segunda resistencia (R21) conectada entre el
electrodo de control y un extremo de una trayectoria de conducción
del segundo transistor (Q5) extremo el cual está acoplado a un lado
de la bobina electromagnética (20); y
un diodo Zener (D9) conectado entre el electrodo
de control y otro extremo de una trayectoria de conducción del
segundo transistor (Q5) extremo el cual está acoplado al otro lado
de la bobina electromagnética (20).
15. El circuito de control (30) como se define
en la reivindicación 13 en el que el temporizador (34)
comprende:
un divisor de la tensión (R10, R11) el cual
produce una segunda tensión de referencia a partir de la tensión de
salida regulada;
un condensador (C5) el cual se carga a partir de
la tensión de salida regulada para producir una tensión que varía
con el tiempo; y
un comparador (56) el cual produce una señal de
temporización que cambia los estados en respuesta a la tensión que
varía con el tiempo que es superior a la segunda tensión de
referencia.
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