WO2011038969A2 - Freilaufkreis - Google Patents

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Bernhard Streich
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Definitions

  • freewheeling circuit The invention relates to a free-wheeling circuit in accordance with the Oberbe ⁇ handle of claim 1.
  • Inductive loads such as a coil of a mains circuit breaker connected to a low-voltage switchgear with DC control or control via a rectifier
  • the freewheeling circuit must be controlled or self-controlled in order to ensure the fastest possible reduction of the magnetic energy stored in the inductive load when switching off the inductive load.
  • a disadvantage of such solutions are the high loss of power ⁇ lines, which occur permanently.
  • a variant of such solutions is the freewheeling ge ⁇ controls on and off. In normal operation, the freewheeling circuit is switched off, so that the power losses no longer occur permanently.
  • a coil Control electronics switching thresholds and depending on an above or below the switching threshold, the freewheeling circuit is switched on or off, for example via an optocoupler.
  • a corresponding Spulenan tenuelektronik is beispielswei ⁇ se from the document DE 195 19 757 C2 known.
  • the object of the present invention is, starting from a Spulenan Kunststoffelektronik of the type mentioned, technically to improve them in such a way that, if necessary, an activation of the freewheeling circuit is faster.
  • a freewheeling circuit which has the characterizing feature of claim 1 ⁇ .
  • an ohmic resistance component in the control circuit of the freewheeling circuit is realized as a series circuit consisting of a pure ohmic resistance and a switching threshold component.
  • It is a elekt ⁇ ronic component for generating a switching threshold introduced into the drive circuit of the freewheeling circuit.
  • Switching threshold is adjustable by choice or type of realization of the electronic component used.
  • the switching threshold component can be realized, for example, by a simple zener diode having a predetermined zener voltage, by a thyristor having a zener diode drive, or a varistor circuit. All these possibilities of realization make it possible by simply choosing the
  • the present freewheeling circuit can also be equipped with improved characteristics. If the capacitive energy store, a second switching transistor connected in parallel with the operation that by the inductive load the second switching transistor is turned on when Abschalt ⁇ overvoltage and thereby an already existing first switching transistor is securely locked, it is achieved that caused by the switching off inductive load Switch-off overvoltage to a voltage-dependent derstand created and thereby safely the reduction of Abschalt ⁇ over voltage is accomplished.
  • a to an inductive load 1 hereinafter also referred to as a coil, parallel connected free ⁇ running circuit shown.
  • This parallel circuit is connected to a control supply voltage source 2 with a positive pole 3 and a negative pole 4.
  • the freewheeling circuit comprises a directly connected to the coil 1 in series series arrangement of a first diode 5 and a first switching transistor 6, a voltage-dependent resistor 7 is connected in parallel.
  • the drain terminal D of the switching transistor 6 is at minus ⁇ pole 4.
  • the source terminal S of the switching transistor 6 is connected to the anode of the first diode 5, which in turn is connected to its cathode terminal to the positive terminal 3.
  • the positive terminal 3 is connected to the gate terminal G of the first switching transistor 6 via a second diode 8 and a resistor component 9 connected in series therewith.
  • the resistance component 9 is provided as a series circuit ⁇ be detached from a first ohmic resistor 10 and realized a switching threshold component.
  • a parallel circuit 14 consisting of a second ohmic resistor 12 and a capacitor 13 is connected between the source terminal S and the gate terminal G of the first switching transistor 6.
  • the parallel circuit 14 is a first te Zener diode 15 and a second switching transistor 16 in parallel, which rests with its emitter at the source terminal S and with its collector at the gate terminal G of the first switching transistor 6.
  • the base of the second switching transistor 16 is connected via a Rei ⁇ hensciens of a third ohmic resistor 17, a second Zener diode 18 and a third diode 19 to the negative terminal 4, wherein at this the anode terminal of the third diode 19 is applied and the two cathodes Terminals of the third diode 19 and the second Zener diode 18 are connected together.
  • the coil 1 is z. B. a contactor coil, to which an electronic control 20, as shown, may be connected in series. As indicated in the figure by dashed lines, the electronic driver 20 clocks the negative terminal 4, if necessary.
  • the Steuerpeiswoodsetti 2 is a DC ⁇ source, with which the coil 1 is supplied.
  • the series-connected parallel circuit comprising the first Zener diode 15, the second ohmic resistor 12 and the capacitor 13 is supplied with a control voltage via the second diode 8 and the ohmic resistance component 9.
  • the applied control voltage of the first switching ⁇ transistor 6 is switched to the conductive state, which is maintained as long as the control supply voltage source 2 is switched on.
  • the driving voltage of the first switching transistor 6 builds up slowly after the predetermined time by the parallel circuit 14 time constant until it reaches a value at which the first switching transistor 6 blocks.
  • the second switching transistor 16 a secure locking of the Freewheeling transistor operating first switching transistor 6 ensures.
  • the diode circuit of the second switching transistor 16, consisting of the third resistor 17, the second Zener diode 18 and the third diode 19, serves when on ⁇ withdraw from over-voltages at the first switching transistor 6, which are formed when the first switching transistor 6 works in the linear range, the second switching transistor 16 safely effetzu patentn and thus the gate-source path of the first switching transistor 6 safely short-circuit and thus secure it.
  • the voltage-dependent resistor 7 serves to protect the drain-source path of the first switching transistor 6. It builds upon disconnection of the control voltage source 2 entste ⁇ Henden opening surges in the coil 1 and protects the first switching transistor 6 from destruction.
  • the second ohmic resistor 12 and the capacitor 13 the energy stored in the coil 1 ⁇ energy can be degraded more or less quickly or when using a contactor coil Ausschaltverzzugszeit the contactor can be set arbitrarily. This only applies up to the maximum switch-off delay time in which the contactor would drop without switching.
  • the wiring to different electromagnetic drives is customizable.
  • the freewheeling circuit can also be used for an electronically clocked coil drive 20.
  • the switching threshold component 11 which is realized in the figure by a reverse-polarity zener diode 11 with a predetermined cell voltage, has a switching threshold function for the parallel circuit 14. As long as the control voltage provided by the control voltage source 2 is greater than the zener voltage of the Zener diode 11, the capacitive energy storage formed by the parallel circuit 14 is charged and the first switching transistor 6 is switched to the conducting state.
  • the switching threshold component 11 forming Zener diode 11 can be switched on and switched, be realized in the form of a thyristor with a zener diode drive or in the form of a varistor circuit.

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Abstract

Es wird ein Freilaufkreis zum schnellen Abbau einer Abschaltüberspannung einer induktiven Last (1) bei deren Abschalten vorgeschlagen. Der Freilaufkreis enthält eine Schaltschwellenkomponente (11), durch die der Freilaufkreis gegenüber einem Freilaufkreis ohne diese Schaltschwellenkomponente (11) schneller aktiv und damit die Abschaltüberspannung schneller abgebaut wird. Unterschreitet eine von einer Steuerspannungsquelle (2) zur Verfügung gestellte Steuerspannung eine durch die Schaltschwellenkomponente (11) eingestellte Schwellenspannung, wird bereits dann und nicht erst, wenn die Steuerspannung bis nahe Null abgebaut ist, ein kapazitiver Energiespeicher entladen, der dann, wenn er nahezu entladen ist, den Freilaufkreis für den Abbau der Abschaltüberspannung aktiviert.

Description

Beschreibung Freilaufkreis Die Erfindung betrifft einen Freilaufkreis gemäß dem Oberbe¬ griff des Anspruchs 1.
Induktive Lasten, wie zum Beispiel eine Spule eines Netz- schützschalters , die an einem Niederspannungsschaltgerät mit DC-Ansteuerung oder Ansteuerung über einen Gleichrichter
(AC/DC) betrieben werden, fallen nach Wegnahme einer Steuerspeisespannung trotz eines im Niederspannungsschaltgerät vor¬ gesehenen Freilaufkreises zum Abbauen einer in einem solchen Fall durch die induktive Last verursachten Abschaltüberspan- nung nur sehr langsam ab. Im ungünstigsten Fall kommt es zu einem sogenannten 2-Stufen-Abfall, das heißt, zum Beispiel in eine Hauptstrombahn geschaltete Kontakte, die mit der induk¬ tiven Last geschaltet werden, liegen für eine kurze Zeit ohne Federkraft aufeinander. Die Kontakte können dann leicht ver- schweißen oder haben insgesamt nur eine geringe elektrische Lebensdauer .
Auch wenn die induktive Last elektronisch angesteuert wird, muss der Freilaufkreis gesteuert oder selbstgesteuert ausge- führt werden, um einen möglichst schnellen Abbau der in der induktiven Last gespeicherten magnetischen Energie beim Abschalten der induktiven Last sicherzustellen.
Es ist allgemein bekannt, dieses Problem mittels einer Diode oder einer Zenerdiode innerhalb des Freilaufkreises zu lösen.
Ein Nachteil bei solchen Lösungen sind die hohen Verlustleis¬ tungen, die dabei permanent auftreten. Eine Variante bei solchen Lösungen ist, den Freilaufkreis ge¬ steuert ein- und auszuschalten. Im normalen Betrieb wird der Freilaufkreis ausgeschaltet, so dass die Verlustleistungen nicht mehr permanent auftreten. Hierzu wertet eine Spulenan- Steuerelektronik Schaltschwellen aus, und je nach einem über- oder unterschreiten der Schaltschwelle wird zum Beispiel über einen Optokoppler der Freilaufkreis ein- oder ausgeschaltet. Eine entsprechende Spulenansteuerelektronik ist beispielswei¬ se aus dem Dokument DE 195 19 757 C2 bekannt.
Nachteilig hierbei ist, dass bei einem Abschalten oder Aus¬ fallen einer für die induktive Last vorgesehenen Steuerspei- sespannung diese jeweils stets erst fast vollständig abgebaut sein muss, bis ein vorhandener kapazitiver Energiespeicher zum Entladen gebracht wird, um dann, im wiederum beinahe entladenen Zustand, das Aktivieren des Freilaufkreises zu bewir¬ ken .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend von einer Spulenansteuerelektronik der eingangs genannten Art, diese in der Weise technisch zu verbessern, dass im Bedarfsfall eine Aktivierung des Freilaufkreises schneller erfolgt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Freilaufkreis gelöst, der das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 auf¬ weist. Danach ist eine ohmsche Widerstandskomponente im Steuerkreis des Freilaufkreises als eine Reihenschaltung bestehend aus einem reinen ohmschen Widerstand und einer Schaltschwellenkomponente realisiert. Mit anderen Worten: Es ist ein elekt¬ ronisches Bauelement zur Erzeugung einer Schaltschwelle in den Ansteuerkreis des Freilaufkreises eingebracht. Die
Schaltschwelle ist dabei durch Wahl oder Art der Realisierung des verwendeten elektronischen Bauteils einstellbar.
Weitere Vorteile sind: Es gibt einen schnellen Ausverzug; es gibt keinen Zweistufenabfall; ein Verschweißen von Kontakten ist verhindert; die Kontakte haben damit eine hohe elektri¬ sche Lebensdauer; es können Bauteile eingespart werden und es ist keine elektronische Spulenansteuerung notwendig. Durch die Schaltschwellenkomponente wird erreicht, dass die Steuerspeisespannung bei einem Abschalten oder Ausfall der Steuerspeisespannung nicht erst fast vollständig abgebaut sein muss, bis ein kapazitiver Energiespeicher zum Entladen gebracht wird, infolge dessen Entladung wiederum dann ein betreffender Freilaufkreis aktiv geschaltet wird. Je nach Schaltschwelleneinstellung wird bereits zu einem früheren Restwert der Steuerspeisespannung, nämlich bei Unterschreiten des eingestellten Schaltschwellenwerts, der kapazitive Ener¬ giespeicher zum Entladen gebracht mit der Folge, dass dann entsprechend früher der Freilaufkreis aktiv geschaltet wird. Der Freilaufkreis wird somit schneller aktiviert und die durch das Abschalten oder Ausfallen der Steuerspeisespannung durch die induktive Last verursachte Abschaltüberspannung schneller abgebaut.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Danach kann die Schaltschwellenkomponente beispielsweise durch eine einfache Zenerdiode mit vorgegebener Zenerspan- nung, durch einen Thyristor mit einer Zenerdioden-Ansteuerung oder eine Varistorschaltung realisiert sein. Alle diese Rea- lisierungsmöglichkeiten ermöglichen durch einfache Wahl der
Schaltschwelle eine individuelle Anpassung an vorliegende Ge¬ gebenheiten .
Der vorliegende Freilaufkreis kann außerdem mit verbesserten Eigenschaften ausgestattet werden. Wird dem kapazitiven Energiespeicher ein zweiter Schalttransistor parallel geschaltet mit der Funktionsweise, dass bei Auftreten einer Abschalt¬ überspannung durch die induktive Last der zweite Schalttransistor durchgesteuert und dadurch ein bereits vorhandener erster Schalttransistor sicher gesperrt wird, wird erreicht, dass die von der abschaltenden induktiven Last verursachte Abschaltüberspannung sicher an einen spannungsabhängigen Wi- derstand angelegt und dadurch sicher der Abbau der Abschalt¬ überspannung bewerkstelligt wird.
Die Schaltungsrealisierung des Ansteuerkreises des zweiten Schalttransistors in der Weise, dass dieser Ansteuerkreis ei¬ ne Reihenschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand, einer zweiten Zenerdiode und einer dritten Diode enthält, wobei die zweite Zenerdiode und die dritte Diode entgegengesetzt gepolt geschaltet sind, gewährleistet das sichere Sperren des ersten Schalttransistors durch den zweiten Schalttransistors.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung mit einer einzigen Figur näher erläutert.
In der Figur ist ein zu einer induktiven Last 1, nachfolgend auch kurz mit Spule bezeichnet, parallel geschalteter Frei¬ laufkreis gezeigt. Diese Parallelschaltung liegt an einer Steuerspeisespannungsquelle 2 mit einem Pluspol 3 und einem Minuspol 4. Der Freilaufkreis umfasst eine unmittelbar zur Spule 1 parallel liegende Reihenschaltung aus einer ersten Diode 5 und einem ersten Schalttransistor 6, dem ein spannungsabhängiger Widerstand 7 parallel geschaltet ist. Dabei liegt der Drain-Anschluss D des Schalttransistors 6 am Minus¬ pol 4. Der Source-Anschluss S des Schalttransistors 6 ist mit der Anode der ersten Diode 5 verbunden, die wiederum mit ihrem Kathoden-Anschluss an den Pluspol 3 angeschaltet ist. Der Pluspol 3 ist über eine zweite Diode 8 und eine dazu in Reihe liegende Widerstandskomponente 9 mit dem Gate-Anschluss G des ersten Schalttransistors 6 verbunden.
Die Widerstandskomponente 9 ist als eine Reihenschaltung be¬ stehend aus einem ersten ohmschen Widerstand 10 und einer Schaltschwellenkomponente 11 realisiert. Eine aus einem zweiten ohmschen Widerstand 12 und einem Kondensator 13 bestehende Parallelschaltung 14 liegt zwischen dem Source-Anschluss S und dem Gate-Anschluss G des ersten Schalttransistors 6. Der Parallelschaltung 14 liegt eine ers- te Zenerdiode 15 und ein zweiter Schalttransistor 16 parallel, der mit seinem Emitter am Source-Anschluss S und mit seinem Kollektor am Gate-Anschluss G des ersten Schalttransistors 6 anliegt.
Die Basis des zweiten Schalttransistors 16 ist über eine Rei¬ henschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand 17, einer zweiten Zenerdiode 18 und einer dritten Diode 19 an den Minuspol 4 geschaltet, wobei an diesem der Anoden-Anschluss der dritten Diode 19 anliegt und die beiden Kathoden-Anschlüsse der dritten Diode 19 und der zweiten Zenerdiode 18 miteinander verbunden sind.
Die Spule 1 ist z. B. eine Schützspule, zu der eine elektro- nische Ansteuerung 20, wie dargestellt, in Reihe geschaltet sein kann. Wie in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet, taktet die elektronische Ansteuerung 20 den Minuspol 4 gegebenenfalls. Die Steuerspeisspannungsquelle 2 ist eine Gleichspannungs¬ quelle, mit der die Spule 1 versorgt wird. Zugleich wird über die zweite Diode 8 und der ohmschen Widerstandskomponente 9 die in Reihe liegende Parallelschaltung aus der ersten Zenerdiode 15, dem zweiten ohmschen Widerstand 12 und dem Konden- sator 13 mit einer Steuerspannung beaufschlagt.
Durch die beaufschlagte Steuerspannung wird der erste Schalt¬ transistor 6 in den leitenden Zustand geschaltet, der solange beibehalten wird, wie die Steuerspeisespannungsquelle 2 zuge- schaltet ist. Bei Abschalten oder Ausfall der Steuerspeise¬ spannungsquelle 2 baut sich die Ansteuerspannung des ersten Schalttransistors 6 nach der durch die Parallelschaltung 14 vorgegebenen Zeitkonstante nur langsam ab, bis sie einen Wert erreicht, bei dem der erste Schalttransistor 6 sperrt. Zur Vermeidung des labilen Schaltzustandes des ersten Schalttransistors 6 in seinem linearen Arbeitsbereich wird durch den zweiten Schalttransistor 16 ein sicheres Sperren des als Freilauftransistor arbeitenden ersten Schalttransistors 6 gewährleistet .
Die Diodenbeschaltung des zweiten Schalttransistors 16, be- stehend aus dem dritten ohmschen Widerstand 17, der zweiten Zenerdiode 18 und der dritten Diode 19, dient dazu, beim Auf¬ treten von Überspannungen an dem ersten Schalttransistor 6, welche entstehen, wenn der erste Schalttransistor 6 im linearen Bereich arbeitet, den zweiten Schalttransistor 16 sicher durchzusteuern und damit die Gate-Source-Strecke des ersten Schalttransistors 6 sicher kurzzuschließen und diesen damit sicher zu sperren.
Der spannungsabhängige Widerstand 7 dient zum Schutz der Drain-Source-Strecke des ersten Schalttransistors 6. Er baut die bei Abschaltung der Steuerspeisespannungsquelle 2 entste¬ henden Abschaltüberspannungen an der Spule 1 ab und schützt den ersten Schalttransistor 6 vor Zerstörung. Durch Varianten des zweiten ohmschen Widerstands 12 und des Kondensators 13 kann die in der Spule 1 gespeicherte Rest¬ energie mehr oder weniger schnell abgebaut werden bzw. bei Anwendung für eine Schützspule die Ausschaltverzugszeit des Schützes beliebig eingestellt werden. Dies gilt nur bis zur maximalen Ausschaltverzugsdauer, in der das Schütz ohne Be- schaltung abfallen würde.
Durch die Dimensionierung der ersten Diode 5, die auch als Freilaufdiode bezeichnet wird, des ersten Schalttransistors 6 und des spannungsabhängigen Widerstands 7 ist die Beschaltung an verschiedene elektromagnetische Antriebe anpassbar.
Der Freilaufkreis kann auch für eine elektronisch getaktete Spulenansteuerung 20 verwendet werden.
Gegenüber bisher bekannten Schaltungsanordnungen ist der hier beschriebene Freilaufkreis wesentlich einfacher und mit weni¬ ger Bauelementen aufgebaut. Anstatt des beschriebenen ersten Schalttransistors 6 und des zweiten Schalttransistors 16 können auch anderer Schalttransistortypen verwendet werden.
Der Vorteil dieses Freilaufkreises besteht in seiner selbst¬ gesteuerten Wirkung. Sie rührt daher, dass bei Auftreten von Abschaltüberspannungen an der Spule 1 der Freilauftransistor, d. h. der erste Schalttransistor 6 sicher gesperrt wird und damit der Stromfluss auf den spannungsabhängigen Widerstand 7 kommutiert wird.
Die Schaltschwellenkomponente 11, die in der Figur durch eine in Sperrrichtung gepolte Zenerdiode 11 mit vorgegebener Ze- nerspannung realisiert ist, hat für die Parallelschaltung 14 eine Schaltschwellenfunktion. Solange die von der Steuerspannungsquelle 2 zur Verfügung gestellte Steuerspannung größer als die Zenerspannung der Zenerdiode 11 ist, wird der durch die Parallelschaltung 14 gebildete kapazitive Energiespeicher geladen und der erste Schalttransistor 6 in den leitenden Zustand geschaltet.
Wird die von der Steuerspannungsquelle 2 zur Verfügung ge¬ stellte Steuerspannung abgeschaltet oder bricht sie bis we- nigstens unter die Zenerspannung der Zenerdiode 11 ein, sperrt die Zenerdiode 11 ab dem Zeitpunkt dieses Unterschrei¬ tens und der durch die Parallelschaltung 14 gebildete kapazitive Energiespeicher wird von diesem Zeitpunkt an nicht nur nicht mehr geladen, sondern wird ab diesem Zeitpunkt entla- den. Der kapazitive Energiespeicher wird damit nicht erst entladen, wenn die Steuerspannung bis nahezu auf Null abgesunken ist, sondern schon dann, wenn die eingestellte Schaltschwelle unterschritten ist. Damit wird der erste Schalttransistor 6 schneller in den Sperrzustand geschaltet und damit wiederum der Freilaufkreis zum Abbau der durch die Spule 1 verursachten Abschaltüberspannung schneller aktiviert. Die die Schaltschwellenkomponente 11 bildende Zenerdiode 11 kann, entsprechend be- und geschaltet, auch in Form eines Thyristors mit einer Zenerdioden-Ansteuerung oder in Form einer Varistorschaltung realisiert sein.

Claims

Patentansprüche
1. Freilaufkreis für eine induktive Last zum Abbauen von durch die induktive Last verursachte Abschaltüberspannungen beim Abschalten der induktiven Last, mit folgenden Merkmalen: a) der Freilaufkreis umfasst eine parallel zur Spule (1) lie¬ gende Reihenschaltung aus einer ersten Diode (5) und einem spannungsabhängigen Widerstand (7),
b) dem spannungsabhängigen Widerstand (7) ist ein erster
Schalttransistor (6) parallel geschaltet,
c) zur Ansteuerung des ersten Schalttransistors (6) liegt ei¬ ne Parallelschaltung (14) aus einem ersten ohmschen Widerstand (12) und einem Kondensator (13) an dessen Steuereingang (G) , und
d) die Parallelschaltung (14) liegt gleichzeitig über eine
Reihenschaltung bestehend aus einer zweiten Diode (8) und einer ohmschen Widerstandskomponente (9) an einer Steuerspeisespannungsquelle (2),
dadurch ge kenn ze i chnet , dass die ohmsche Wider- Standskomponente (9) als Reihenschaltung bestehend aus einem ersten ohmschen Widerstand (10) und einer Schaltschwellenkomponente (11) realisiert ist.
2. Freilaufkreis nach Anspruch 1, dadurch ge kenn- ze i chnet , dass die Schaltschwellenkomponente (11) durch eine Zenerdiode, einen Thyristor mit einer Zenerdioden- Ansteuerung oder eine Varistorschaltung realisiert ist.
3. Freilaufkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e - kennze ichnet , dass der Parallelschaltung (14) ein zweiter Schalttransistor (16) parallel geschaltet ist, und dass bei Auftreten einer Abschaltüberspannung an der induktiven Last (1) der zweite Schalttransistor (16) durchgesteuert und dadurch der erste Schalttransistor (6) gesperrt ist.
4. Freilaufkreis nach Anspruch 3, dadurch ge kennze i chnet , dass der Ansteuerkreis des zweiten Schalttran¬ sistors (16) eine Reihenschaltung aus einem dritten ohmschen Widerstand (17), einer zweiten Zenerdiode (18) und einer dritten Diode (19) enthält, wobei die zweite Zenerdiode (18) und die dritte Diode (19) entgegengesetzt gepolt geschaltet sind .
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