CH659345A5 - Elektronische schaltungsanordnung zur ansteuerung eines elektromagnetischen bauelementes. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektromagnetische Bauelemente, wie Schaltrelais und Schütze sind in zahlreichen Ausführungsvarianten allgemein bekannt. Derartige Schaltgeräte bestehen aus einem Joch mit einer oder mehreren Spulen und aus einem Anker, der nach Anlegen einer Steuerspannung an die Spule vom Joch magnetisch angezogen wird und hierdurch Schaltkontakte betätigt.
Aus der DE-A 2 513 043 ist eine Schaltung zum Gleichstrombetrieb für Schütze oder Relais bekannt, bei der die Speisespannung über einen elektronischen Schalter impulsweise an die Erregerspule gelegt wird. Frequenz und/oder Dauer der Impulse werden durch Vergleich einer dem Erregerstrom proportionalen Spannung mit einer Referenzspannung bestimmt. Die Referenzspannung wird nach einer Ausführungsform durch ein einstellbares Zeitglied für eine Zeit länger als die Dauer der Anzugsphase von dem zum Halten erforderlichen Wert auf oder über den zum Anziehen erforderlichen Wert angehoben.
Auch aus der DE-A-2 425 585 ist eine Anordnung zum schnellen und verlustarmen Schalten von Induktivitäten bekannt. Dabei ist die zu schaltende Induktivität in Reihe mit einem Schalttransistor und einem Messwiderstand geschaltet, wobei der Messwiderstand einen Stromistwert an eine Vergleichsstufe abgibt. Die Vergleichsstufe empfängt desweiteren einen Stromsollwert und steuert den Schalttransistor in Abhängigkeit der auftretenden Regelabweichung über eine Treiberstufe an. Hier ist nicht vorgesehen, verschieden hohe Stromsollwerte für den Anzugstrom bzw. den Haltestrom vorzugeben.
Aus der DE-A-2 601 799 ist eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines Elektromagnetsystems bekannt, dem ein elektronisches Schaltelement in Reihe liegt. Es ist ein den Augenblickswert des Betriebszustandes des Elektromagnetsystems erfassender Fühler vorgesehen, dessen Signale das elektronische Schaltelement beeinflussen. Infolge der Beeinflussung des elektronischen Schaltelementes durch die Signale des Fühlers kann die Erregerleistung des Elektromagnetsystems entsprechend dem Augenblickswert des Betriebszustandes geändert werden. Zur Bestimmung des Augeblickswertes des Schaltzustandes
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wird die Feldstärke, der Weg, die Beschleunigung, die Geschwindigkeit oder der Strom im Magnetsystem aufgenommen.
Aus der GB-A 2 025 183 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Betrieb eines elektromagnetischen Verbrauchers bekannt, insbesondere eines Einspritzventils in Brennkraftmaschinen. Dabei ist vorgesehen, einem elektromagnetischen Verbraucher zu Beginn eines Betätigungssignales einen hohen und anschliessend einen reduzierten Strom zuzuführen. Die Stromzufuhr zum Verbraucher soll dabei nach Erreichen einer bestimmten Stromstärke getaktet und/oder geregelt werden. Der Schaltpunkt der Stromzuführung während des Taktens soll Strom- und/oder zeitabhängig sein.
Ein Nachteil der bekannten elektromagnetischen Schaltgeräte ist in der grossen Typenvielfalt, bedingt durch die unterschiedlichen Erregerspannungen bei gleicher Schaltleistung, dem grossen Bauvolumen und der grossen notwendigen Steuerleistung zu sehen. Die bekannten elektromagnetischen Schaltgeräte sind in der Regel entweder nur für Gleichstrom oder nur füre Wechselstrom einsetzbar. Ausserdem kann eine Spule nur für einen engen Erregerspannungsbereich eingesetzt werden, um ein sicheres Anziehen des Ankers zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelements zu schaffen, die einen universellen Einsatz des elektromagnetischen Bauelements ermöglicht, d.h. einen Betrieb für Gleich- und Wechselstrom erlaubt, der in weiten Grenzen unabhängig von der Höhe der Spannung ist und ausserdem die Baugrösse und die Leistungsaufnahme des Bauelementes reduziert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die mit de.r Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, dass die Regelung den Einfluss der Versorgungsspannung auf den Spulenstrom unterdrückt, so dass eine weitgehende Unabhängigkeit von der Versorgungsspannung erreicht wird. Im theoretischen Fall gilt als untere Spannungsgrenze für die Versorgungsspannung nur die Minimalspannung der Elektronikversorgung, z.B. ca. 5V Gleichspannung und als obere Spannungsgrenze die maximale Spannungsbelastbarkeit der elektronischen Bauelemente, z.B. ca. 1000V Gleichspannung. Hierdurch kann die aufgrund der verschiedenen Versorgungsspannungen (Erregerspannungen, Steuerspannungen) hervorgerufene Typenvielfalt bei elektromagnetischen Bauelementen, insbesondere Schaltgeräten, drastisch reduziert werden. Für den gesamten Spannungsbereich zwischen 5V und 1000V kann beispielsweise das gleiche Schaltgerät eingesetzt werden, wobei stets ein sicheres Anziehen des Ankers gewährleistet ist.
An den Anschlüssen für die Versorgungsspannung tritt keine induktive Schaltspannung auf. Die Leistungsaufnahme im eingeschalteten Zustand des Schaltgerätes im Falle eines gleichstrombetätigten Schaltgerätes mit der erfindungsgemässen elektronischen Schaltungsanordnung wird deutlich reduziert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor, die nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 und 2 elektronische Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes, wobei der magnetische Fluss im Bauelement auf einen konstanten Wert geregelt wird,
Fig. 3 und 4 elektronische Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes, wobei zwischen einem erhöhten Anzugstrom und einem niedrigeren Haltestrom umgeschaltet wird,
Fig. 5A, B, C, D die zeitlichen Verläufe der interessierenden Ströme und Spannungen zur Anordnung gemäss Fig. 1.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes dargestellt. Ein Schalttransistor 1 (pnp-Typ) ist über seinen Emitter mit der Eingangsklemme El der Schaltungsanordnung verbunden. An der Eingangsklemme El liegt als Steuerspannung die Versorgungsspannung +UV an. Die Versorgungsspannung +UV ist über einen externen Schalter S schaltbar. Der Kollektor des Schalttransistors 1 ist mit einem elektromagnetischen Bauelement 2 (z.B. Spule eines Schaltrelais, Drossel usw.) verbunden. Das elektromagnetische Bauelement 2 weist einen ohmschen Widerstand Ri und eine Induktivität L auf.
Das elektromagnetische Bauelement 2 ist über seine weitere Klemme mit einem steuerbaren Widerstand 3 (z.B. Feldeffekttransistor) verbunden. Der ohmsche Widerstand des steuerbaren Widerstandes 3 ist mit Rw bezeichnet. Der weitere An-schluss des steuerbaren Widerstandes 3 liegt über einem Messwiderstand R2 (Shunt) an der Eingangsklemme E2 und damit an Masse. Der Kollektor des Schalttransistors 1 ist ferner mit der Kathode einer Freilaufdiode 4 verbunden, deren Anode an Masse liegt.
Die beiden Anschlusspunkte des steuerbaren Widerstandes 3 sind mittels eines Spannungsteilers, bestehend aus den hochoh-migen Widerständen R3 und R4, überbrückt. Der Widerstand R3 ist dabei mit dem elektromagnetischen Bauelement 2 und der Widerstand R4 mit dem Messwiderstand R2 verbunden. Das Widerstandsverhältnis R3/R4 entspricht dabei dem Verhältnis R1/R2. Damit ist zu jedem Widerstandswert Rw des steuerbaren Widerstandes 3 der Spannungsabfall über R2 + R4 proportional zum Spannungsabfall über den gesamten ohmschen Widerstand Ri + R2 + Rw. Am gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R3, R4 wird der Stromistwert U(IiSt) als Spannungswert abgegriffen und dem ersten Eingang eines Kompara-tors 5 zugeführt.
Der zweite Eingang des Komparators 5 wird mit einem Stromsollwert U(ISoii2) beaufschlagt. Der Komparator 5 ist aus-gangsseitig mit einem monostabilen Kippglied 6 verbunden und steuert das Kippglied 6 immer dann an, wenn der Stromistwert U(IiSt) kleiner oder gleich dem Stromsollwert U(Isoii 2) ist. Das monostabile Kippglied 6 seinerseits steuert ausgangsseitig den Schalttransistor 1 über dessen Basis an. Die Einschaltdauer tem des monostabilen Kippgliedes 6 ist dabei konstant.
Der Stromistwert U(Ijs,) wird desweiteren dem ersten Eingang eines Subtrahierers 7 zugeführt. Der zweite Eingang des Subtrahierers 7 wird mit dem Stromsollwert U(ISOii 2) beaufschlagt. Der Subtrahierer 7 bildet die Differenzspannung U(IjM) - U(Isoii 2) = U(i), also den Wechselstromanteil des über das elektromagnetische Bauelement 2 fliessenden Stromes U(I,sl). Die Ausgangsspannung U(i) des Subtrahiererers 7 wird einem Glättungsglied 8 (z.B. PTi-Glied) zugeleitet. Das Glättungsglied 8 bildet den Mittelwert U(i) des Wechselstromanteiles U(i) und führt diesen Wert dem ersten Eingang eines Subtrahierers 9 zu. Der zweite Eingang des Subtrahierers 9 wird mit einem Stromsollwert U(Isoii 1) beaufschlagt. Der Subtrahierer 9 bildet den Differenzwert U(Ison2) = U(L0n 1) - U(i) und leitet diesen Stromsollwert U(IS0n 2) den zweiten Eingängen des Komparators 5 und des Subtrahierers 7 zu.
Ein aus zwei Widerständen R5, R6 bestehender Spannungsteiler 10 wird mit seinem durch Widerstand R5 gebildeten An-schluss mit der Versorgungsspannung + Uv beaufschlagt und liegt mit seinem durch Widerstand R6 gebildeten Anschluss auf Masse. Das Widerstandsverhältnis Rs/R(, entspricht dabei dem Verhältnis R1/R2. Am gemeinsamen Verbindungspunkt beider Widerstände R5/R6 ist somit der Spannungswert R:/(R| + R2) •Uv abgreifbar und dieser Spannungswert wird dem ersten Eingang eines Subtrahierers 11 zugeleitet.
Dem zweiten Eingang des Subtrahierers 11 liegt wiederum der Stromsollwert U(ISOii 2) an. Der Subtrahierer 11 bildet den
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Differenzwert Ud = R.2/(Ri + R2) • Uv - U(Isoii2) und gibt die Differenzspannung Ud als Sollwert einem PI-Regler 12 vor.
Der Ausgangs wert U(i) des Subtrahierers 7 wird einem Scheitelwertmesser 13 zugeleitet. Der Scheitelwertmesser 13 bildet den Scheitelwert U(I) des Wechselstromanteiles U(i) und führt diesen Scheitelwert dem PI-Regler 12 als Istwert zu. Der PI-Regler 12 steuert ausgangsseitig den steuerbaren Widerstand 3 über dessen Steuereingang an und verändert auf diese Weise den ohmschen Widerstandswert Rw des Widerstandes 3 in Abhängigkeit des Scheitelwertes U(i) und der Differenzspannung UD.
Zur nachfolgenden Beschreibung der Funktionsweise der elektronischen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 wird auf die Figuren 5A, B, C, D verwiesen. In Fig. 5A ist der zeitliche Verlauf des Stromistwertes U(IiSt) dargestellt. Der Stromsollwert U(Isoii 2) ist als konstanter Wert eingetragen. Die Einschaltdauer des monostabilen Kippgliedes 6 bzw. des Schalttransistors 1 ist mit tein bezeichnet. In Fig. 5B ist der zeitliche Verlauf des Wechselstromanteiles U(i) = U(IiSt) - U(Isoii2) des Stromistwertes dargestellt. Der Scheitelwert des Wechselstromteiles beträgt U(i). Der Mittelwert des Wechselstromanteiles ist mit U(i) bezeichnet. In Fig. 5C ist der zeitliche Verlauf des über den Schalttransistor 1 fliessenden Stromes Ii dargestellt. In Fig. 5D ist der zeitliche Verlauf des über die Freilaufdiode 4 während der Sperrzeiten des Schalttransistors 1 fliessenden Stromes I4 gezeigt. Die Ströme Ii und I4 sowie der über das elektromagnetische Bauelement 2 fliessende Summenstrom Ii + I4 sind jeweils in den Figuren 1, 2, 3, 4 eingetragen.
In der Schaltung der Fig. 1 wird der Schalttransistor 1 mittels des monostabilen Kippgliedes 6 abwechselnd durchgesteuert bzw. gesperrt, wobei die Einschaltdauer tein des Schalttransistors stets konstant ist. Die Sperrdauer des Transistors 1 ist nicht konstant. Bei durchgesteuertem Schalttransistor 1 ergibt sich ein Stromfluss Ii von der Eingangsklemme über die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors 1, das elektromagnetische Bauelement 2, den steuerbaren Widerstand 3 und den Messwiderstand R2. Bei gesperrtem Schalttransistor 1 ergibt sich ein Stromfluss I4 über die Freilaufdiode 4, das elektromagnetische Bauelement 2, den steuerbaren Widerstand 3 und den Messwiderstand R2. Über das elektromagnetische Bauelement 2 fliesst ein Summenstrom Ii + I4. Der Stromistwert U(IjSt) entspricht diesem Summenstrom Ii + I4.
Zwischen dem magnetischen Fluss 0 im elektromagnetischen Bauelement 2 und dessen Induktivität L besteht folgende Beziehung: 0 = L • I/n
Hierbei ist mit n die Windungsanzahl im elektromagnetischen Bauelement 2 (Spule, Drossel) bezeichnet, die einen konstanten Faktor darstellt. Mit Hilfe der elektronischen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 wird durch messtechnische Erfassung der Induktivität L der Strom Ii + I4 durch das Bauelement 2 so geregelt, dass unabhängig von der Versorgungsspannung Uv der magnetische Fluss 0 konstant bleibt. Für den den Summenstrom Ii + I4 nachbildenden Stromistwert U(IjSt) gilt zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransistors 1 :
U(Ijst) = U(Isoii 2) + Uo/Rges (1 - e -t/x), d.h. der Wechselstromanteil U(i) = Uo/Rges (1 - e -t/r) für den Einschaltvorgang, wobei mit Rges = Ri + R2 + Rw der gesamte Widerstand des Stromkreis und mit x die Zeitkonstante x = L/Rees bezeichnet sind.
Für den Stromanstieg zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransistors 1 ist die Differenzspannung Ud von Bedeutung, die der Spannung Uv abzüglich dem ohmschen Spannungsabfall über den Widerständen Ri, Rw, R2 zum Einschaltmoment des Schalters 1 entspricht. Der Einfluss der Differenzspannung Ud lässt sich in grossem Masse eliminieren, indem der Scheitelwert U(I) des Wechselstromanteils U(i) auf eine Grösse ausgeregelt wird, die proportional zur Differenzspannung Ud ist. Dies erfolgt durch den PI-Regler 12, der den ohmschen Widerstand Rw des steuerbaren Widerstandes 3 und damit x entsprechend verändert.
Aufgrund der Ausregelung des Scheitelwertes U(î) proportional zur Differenzspannung Ud hängt die Anstiegszeit des Stromes U(i) nur noch von der Zeitkonstanten x = L/Rges ab. Da eine sich ändernde Induktivität L durch die Veränderung des Gesamtwiderstandes Rges über Rw schaltungstechnisch ausgeglichen wird, bleibt die Zeitkonstante x konstant. Die Induktivität L ändert sich, je nachdem ob der Anker des als Schaltgerät ausgeführten Bauelementes 2 angezogen ist oder nicht. Die Induktivität ändert sich ferner bei Sättigung des Magnetwerkstoffes von Joch und Anker des Bauelementes 2.
Wird der Stromsollwert U(Isou 2) umgekehrt proportional zum Gesamtwiderstand Rges geändert, so gilt x ~ L • U(Isou 2) und damit ist x ~ 0. Über das Verhältnis U(i)/Ud und eine vorgegebene Zeitkonstante x lässt sich die Zeitdauer bestimmen, die der Strom Ii bei vorgegebenem magnetischen Fluss 0 benötigt, um zum Maximalwert anzusteigen. Diese Zeitdauer entspricht der Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 und wird vom monostabilen Kippglied 6 vorgegeben und konstant gehalten. Die elektronische Schaltungsanordnung regelt über den PI-Regler 12 und den steuerbaren Widerstand 3 die Zeitkonstante x so aus (hält x konstant), dass der Strom Ii durch das elektromagnetische Bauelement 2 bei gegebener Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 den durch die Differenzspannung Ud vorgegebenen Maximalwert erreicht.
Um den Fluss 0 auf einen Mittelwert auszuregeln, muss der vorgegebene Sollwert U(Isoii 1) um den Mittelwert U(i) des Wechselstromanteiles U(i) verringert werden. Der Wechselstromanteil U(i) wird durch den Subtrahierer 7 gebildet. Dieser zieht vom .Stromistwert U(IjSt) den Stromsollwert U(Isoii 2) ab. Der Mittelwert U(i) des Wechselstromanteils U(i) wird durch das Glättungsglied 8 gebildet und auf den Subtrahierer 9 gegeben, dem eingangsseitig ferner der Stromsollwert U(Ison 1) anliegt. Der ausgangsseitige Stromsollwert U(IS0n 2) des Subtrahierers 9 ist um den Mittelwert U(i) von U(i) kleiner als der Stromsollwert U(IS0n 1). Wenn der Fluss 0 auf einen Minimalwert ausgeregelt werden soll und nicht auf einen Mittelwert, entfällt die Korrektur des Stromsollwertes U(Is0n 1) um den Mittelwert U(i), d.h. der Stromsollwert U(IS0n 1) wird direkt dem Komparator 5 zugeleitet.
Der Scheitelwert U(T) des Stromes U(i), der nach dem Einschalten des Schalttransistors 1 erreicht wird, hängt von der Zeitkonstante x und der Differenzspannung Ud ab. Bei konstanter Zeitkonstante x und konstanter Einschaltdauer tein erreicht der Strom U(i) einen Scheitelwert U(î), der immer proportional zur Differenzspannung Ud ist. Diese Differenzspannung Ud wird als Sollwert auf den PI-Regler 12 gegeben. Als Istwert wird der Scheitelwert U(i) des Wechselstromanteils U(i) auf den Regler 12 gegeben. Der zur Bildung des Scheitelwertes U(î) dienende Scheitelwertmesser 13 gibt dabei den Scheitelwert U(i) in Form einer Gleichspannung an den Regler 12.
Zur Ermittlung der Differenzspannung Ud wird die Spannung, die über den Widerständen Ri + R2 + R3 + R4 im Einschaltaugenblick des Transistors 1 anliegt, von der Versorgungsspannung Uv abgezogen. Da die Spannung über den Widerständen Ri + R2 + R3 + R4 zum Zeitpunkt des Einschaltens des Transistors 1 proportional zu U(Is0n 2) ist, wird dieser Wert U(Isoli 2) mit Hilfe des Subtrahierers 11 von der bewerteten (angepassten) Versorgungsspannung R2/(Ri + R2) • Uv abgezogen. Der Spannungsteiler 10 dient dabei zur Anpassung der Versorgungsspannung Uv an den Wert U(Isou 2)-
Im eingeschwungenen Zustand bietet der Spannungsabfall über dem Messwiderstand R2 die Möglichkeit, eine Aussage über den momentanen Zustand des elektromagnetischen Bauelementes 2 zu machen und elektronisch auszuwerten (Induktivitätsauswertung). Bei Verwendung eines Schaltrelais als elektromagnetisches Bauteil 2 kann beispielsweise auf diese Weise
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der Schaltzustand des Relais festgestellt werden, d.h. ob der Anker angezogen ist oder nicht.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes dargestellt. Der Schalttransistor 1 liegt wiederum über seinen Emitter an der Versorgungsspannung Uv und ist über seinen Kollektor mit dem elektromagnetischen Bauelement 2 sowie mit der Freilaufdiode 4 verbunden. Das elektromagnetische Bauelement 2 ist andererseits jedoch direkt an den Messwiderstand R2 angeschlossen.
Der Stromsollwert U(IiSt) wird am gemeinsamen Verbindungspunkt von elektromagnetischem Bauelement 2 und Messwiderstand R2 als Spannungswert abgegriffen und dem ersten Eingang des Komparators 5 zugeleitet. Der zweite Eingang des Komparators 5 wird wiederum mit dem Stromsollwert U(Ison2) beaufschlagt. Der Komparator 5 vergleicht Stromsollwert und Stromistwert und steuert ausgangsseitig direkt den Schalttransistor 1 immer dann an, wenn der Stromistwert U(Ijst) den Stromsollwert U(Isoii 2) unterschreitet.
Es ist wiederum ein Spannungsteiler 10 mit Widerständen R5, Rs wird vorgesehen, der zwischen Versorgungsspannung + UV und Masse geschaltet ist. Am gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R5, Rß wird der Spannungswert R2/(Ri + R2) • Uv abgegriffen und dem ersten Eingang eines Subtrahierers 14 zugeleitet. Der zweite Eingang des Subtrahierers 14 wird mit dem Stromsollwert U(IS0n 1) beaufschlagt. Der Subtrahierer 14 bildet die Differenzspannung Ud = R2/(Ri + R2) ' Uv - U(ISou 1) und leitet diesen Wert dem ersten Eingang eines steuerbaren Addierers 15 zu. Die Differenzspannung Ud entspricht dabei der Spannung Uv abzüglich dem ohmschen Spannungsabfall über den Widerständen Ri, R2 im Einschaltmoment von Schalter 1.
Der zweite Eingang des steuerbaren Addierers 15 wird mit dem Stromsollwert U(Ison 1) beaufschlagt. Der Steuereingang des Addierers 15 ist mit dem Ausgang des Komparators 5 verbunden. Der steuerbare Addierer 15 gibt immer dann einen Stromsollwert U(Isoii2) = U(Isou 1) ausgangsseitig ab, wenn der Schalttransistor 1 sperrt, d.h., wenn U(IiSt) grösser als U(ISOii2) ist und gibt immer dann einen Stromsollwert u (Isoli 2) = U(Is0u.) + Ud ausgangsseitig ab, wenn der Schalttransistor 1 leitet, d.h. wenn U(Iist) kleiner als U(ISOii 2) ist.
Das Ausgangssignal des Komparators 5 wird dem Eingang einer Zeiterfassungseinrichtung 16 zugeleitet. Die Zeiterfassungseinrichtung 16 ermittelt die variable Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 und führt diesen Wert einem Sollwertgeber 17 zu. Der Sollwertgeber 17 gibt ausgangsseitig den Stromsollwert U(Isoii 1) in Abhängigkeit der Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 ab. Dieser Stromsollwert U(Isou 1) wird, die bereits erwähnt, dem Subtrahierer 14 und dem steuerbaren Addierer 15 zugeleitet.
Zwischen Zeiterfassungseinrichtung 16 und Sollwertgeber 17 kann gegebenenfalls ein Glättungsglied (z.B. PT|-Glied) zur Mittelwertbildung geschaltet werden.
Während bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 1 die Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 konstant gehalten und die Zeitkonstante x durch Veränderung des Gesamtwiderstandes Rges geregelt wird, um den Scheitelwert U(T) des Wechselstromanteils proportional zu Ud zu halten, verändert sich bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2 die Zeitkonstante t in Abhängigkeit von L und die Einschaltdauer tCin des Schalttransistors 1 wird nachgeführt.
Der Sollwertgeber 17 gibt dabei einen hohen Stromsollwert U(Isoii 1) ab, wenn die Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 klein ist und er gibt einen kleinen Stromsollwert U(ISoii 1) ab, wenn die Einschaltdauer tein gross ist, d.h. der Sollwertgeber 17 verändert kontinuierlich oder in einzelnen Stufen den Stromsollwert U(ISOii 1) in Abhängigkeit von der über die Zeiterfassungseinrichtung 18 ermittelten Einschaltdauer tein.
Der Stromsollwert U(Isoii 1) wird dem Komparator 5 über den steuerbaren Addierer 15 während der Sperrzeiten des Sehalttransistors 1 direkt vorgegeben, d.h. während der Sperrzeiten des Transistors 1 gilt
U(Iso|| 2) = Udsoll 1).
Der Transistor 1 wird über den Komparator 5 durchgesteuert, wenn
U(Iist) s U(IS011 1).
Nach dem Einschalten des Transistors 1 wird der dem Komparator 5 zugeführte Stromsollwert U(IS0n 2) mittels des steuerbaren Addierers 15 erhöht und es gilt
U(Iso„ 2) = U(ISOii 1) + UD-Erreicht der Stromistwert U(Iist) den erhöhten Stromsollwert U(ISoii 1) + Ud, so wird der Transistor 1 gesperrt und gleichzeitig wird der Stromsollwert U(Ison 2) wieder auf den geringeren Wert U(Isoii 1) umgeschaltet. Auf diese Weise ergibt sich eine Regelcharakteristik mit Hysterese.
In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes dargestellt. Der Schalttransistor 1 wird wiederum über seinen Emitter mit der Versorgungsspannung + UV beaufschlagt und ist über seinen Kollektor mit dem elektromagnetischen Bauelement 2 sowie mit der Freilaufdiode 4 verbunden. Das elektromagnetische Bauelement 2 ist über den Messwiderstand R2 wiederum direkt an Masse angeschlossen.
Der Stromistwert U(IiSi) wird am gemeinsamen Verbindungspunkt von elektromagnetischem Bauelement 2 und Messwiderstand R2 als Spannungswert abgegriffen und dem ersten Eingang eines Komparators 18 zugeführt. Der zweite Eingang des Komparators 18 wird mit dem Stromsollwert U(ISOii) beaufschlagt. Der Komparator 18 vergleicht die Werte U(l,st) und U(Isoii) und steuert ausgangsseitig das monostabile Kippglied 6 immer dann an, wenn U(IjSt) s U(Ison).
Das monostabile Kippglied 6 steuert nach Triggerung durch den Komparator 18 ausgangsseitig den Schalttransistor 1 mit einer konstanten Einschaltdauer tein an.
Es ist wiederum ein zwischen + Uv und Masse geschalteter Spannungsteiler 10 mit den Widerständen R5, Rô vorgesehen. Am gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände R5, Rs wird die Spannung Rz/(Ri + R2) • Uv abgegriffen und dem ersten Eingang des Subtrahierers 19 zugeleitet. Der zweite Eingang des Subtrahierers 19 wird mit dem Stromsollwert U(ISOii) beaufschlagt. Der Subtrahierer 19 bildet die Differenzspannung
UD = R2/(Ri + R2) ' Uv - U(I,ou)
und leitet diesen Wert an den ersten Eingang eines Sollwertgebers 20.
Der zweite Eingang des Sollwertgebers 20 wird mit dem Scheitelwert U(i) des Wechselstromanteiles des Stromistwertes beaufschlagt. Der Sollwertgeber 20 vergleicht die beiden Eingangssignale und gibt immer dann einen Stromsollwert U(ISOii) = Udsoii 1) ausgangsseitig ab, wenn U(i) > Ud, sowie immer dann einen Stromsollwert U(Ison) = U(ISoii 2) ausgangsseitig ab, wenn U(i) < Ud. Der Stromsollwert U(Isoii) wird dem Komparator 18, dem Subtrahierer 19 sowie dem ersten Eingang eines Subtrahierers 21 zugeführt.
Der zweite Eingang des Subtrahierers 21 wird mit dem Stromistwert U(Ilst) beaufschlagt. Der Subtrahierer 21 bildet die Differenz U(i) = U(IjSt) - U(Ison) und führt diesen Wechselstromanteil U(i) des Stromistwertes dem Scheitelwertmesser 13 zu.
Bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 wird der magnetische Fluss 0 im elektromagnetischen Bauelement 2 nicht mehr auf einen konstanten Wert ausgeregelt, sondern es wird der augenblickliche Zustand des elektromagnetischen Bauelementes 2 (Schaltzustand des Schaltrelais) erfasst und der Stromsollwert U(IS0n) wird entsprechend dem Zustand
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des Bauelementes 2 zwischen zwei verschieden hohen Werten umgeschaltet. Dabei wird die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes im elektromagnetischen Bauelement 2 ausgewertet, die ein Mass für die Induktivität L des Bauelementes 2 ist und damit eine Aussage über den augenblicklichen Zustand des elektromagnetischen Bauelementes 2 erlaubt. Die Einflüsse einer sich ändernden Versorgungsspannung Uv und eines sich ändernden ohmschen Spannungsabfalles über Ri und R2 infolge eines sich ändernden Stromsollwertes oder einer Widerstandsänderung aufgrund einer Temperaturänderung werden vorteilhaft ausgeschaltet. Der Einfluss einer Widerstandsänderung von Ri aufgrund einer Temperaturänderung wird bei der Festlegung des Referenzwertes für den Sollwertgeber 20 berücksichtigt.
Bei der Schaltungsanordnung gemäss Fig. 3 ist die Einschaltdauer tein des über den Komparator 19 getriggerten monostabilen Kippgliedes 6 konstant. Die Bewertung des Zustandes (Schaltzustandes) des elektromagnetischen Bauelementes (Schaltrelais) 2 erfolgt über den Scheitelwert U(I) des Wechselstromanteiles U(i) des erfassten Stromistwertes U(IiSt). Dabei wird davon ausgegangen, dass bei konstanter Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 der Scheitelwert U(î) des Wechselstromanteils U(i) abhängig von der Induktivität L des Bauelementes 2 und der Differenzspannung Ud ist. Die Differenzspannung Ud, die wiederum der Spannung Uv abzüglich der Spannungsabfälle über Ri, R2 entspricht, geht dabei proportional in die Höhe des Scheitelwertes U(î) ein.
Für die Auswertung des Zustandes des Bauelementes 2 gibt die Differenzspannung Ud die Referenz für den Scheitelwert U(T) vor. Der Sollwertgeber 20 vergleicht die beiden Grössen Ud und U(I). Ist das elektromagnetische Bauelement (Schaltrelais) 2 nicht angezogen, so ist die Induktivität L gering, d.h. der Scheitelwert U(T) gross und überschreitet die Differenzspannung Ud. Deshalb wird ein hoher Stromsollwert U(Isoii 1) als Anzugsstrom vom Sollwertgeber 20 vorgegeben. Ist das elektromagnetische Bauelement (Schaltrelais) 2 angezogen, so ist die Induktivität L gross, d.h. der Scheitelwert U(î) gering. Der Referenzwert Ud wird vom Scheitelwert U(I) nicht mehr erreicht und der Sollwertgeber 20 gibt einen reduzierten Stromsollwert X_J(Isoli 2) als Haltestrom vor.
In Fig. 4 ist eine vierte Ausführungsform einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes dargestellt. Diese Ausführungsform ist im wesentlichten gleichartig aufgebaut wie die Schaltungsanordnung gemäss Fig. 2, nur ist bei der Anordnung gemäss Fig. 4 der Sollwertgeber 17 ersetzt durch einen Sollwertgeber 22.
Der erste Eingang des Sollwertgebers 22 wird mit der von der Zeiterfassungseinrichtung 16 ermittelten Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 beaufschlagt. Der zweite Eingang des Sollwertgebers 22 wird mit einer Referenzzeit tref beaufschlagt. Der Sollwertgeber 22 vergleicht die Werte von trer und tein und gibt immer dann einen Stromsollwert U(Ison 1) = U(IS0n i") ausgangsseitig ab, wenn tein > tref. Der Sollwertgeber 22 gibt immer dann einen Stromsollwert U(Isoii 1) = U(Isoii r) ab, wenn tein < trer.
Bei der elektronischen Schaltungsanordnung gemäss Fig. 4 wird ebenfalls der magnetische Fluss 0 im elektromagnetischen Bauelement 2 nicht auf einen konstanten Wert ausgeregelt, sondern es wird der augenblickliche Zustand des elektromagnetischen Bauelementes 2 erfasst und der Stromsollwert wird entsprechend dem Zustand des Bauelements 2 zwischen zwei verschieden hohen Werten umgeschaltet. Dabei wird der Scheitelwert U(T) des Wechselstromanteils U(i) fest vorgegeben und die Bewertung des Zustandes des elektromagnetischen Bauelementes 2 erfolgt über die Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1.
Die Differenzspannung Ud zum Zeitpunkt des Einschaltens des Schalttransistors 1 gibt die Referenz für den Scheitelwert U(T) des Wechselstromanteiles vor. Da der Scheitelwert U(T) bei konstantem Gesamtwiderstand Ri + R2, konstanter Induktivität L und konstanter Einschaltdauer tein proportional zur Differenzspannung Ud ist, sind damit die Einflüsse einer sich verändernden Versorgungsspannung Uv und eines sich verändernden Spannungsabfalls über Ri, R2 durch Veränderung des Stromsollwertes ausgeschaltet. Bei einer derartigen Änderung von Uv und IS0n ändert sich ebenfalls die Differenzspannung Ud und damit proportional hierzu der Scheitelwert U(T). Der Einfluss einer Widerstandsänderung von Ri aufgrund einer Temperaturerhöhung wird bei der Festlegung des Referenzwertes für den Sollwertgeber 22 berücksichtigt.
Bei noch nicht angezogenem elektromagnetischen Bauelement (Schaltrelais) 2 ist die Induktivität L klein. Damit steigt der Strom im Bauelement 2 stark an und die Einschaltdauer tein des Schalttransistors 1 ist gering. Die Einschaltdauer tein erreicht die vorgegebene Referenzzeit trer nicht und der Sollwertgeber 22 gibt folglich einen erhöhten Stromsollwert U(Isoii l') als Anzugsstrom ab. Bei angezogenem elektromagnetischen Bauelement (Schaltrelais) 2 steigt der Strom im Bauelement 2 wegen der grossen Induktivität L nur schwach an und die Einschaltdauer tein des Schalttransitors 1 ist gross. Die Einschaltdauer tein überschreitet die vorgegebene Referenzzeit trer und der Sollwertgeber 22 gibt folglich einen reduzierten Stromsollwert U(ISoii l") als Haltestrom ab. Die Einschaltdauer tem des Schalttransistors 1 wird also jeweils über die Zeiterfassungseinrichtung 16 ermittelt und der Sollwertgeber 22 gibt je nach momentan vorliegender einschaltdauer tein einen dem Schaltzustand des elektromagnetischen Bauelements 2 angepassten Stromsollwert vor.
Dieser vom Sollwertgeber 22 vorgegebene Stromsollwert U(Isoii 1) wird jeweils dem Subtrahierer 14 und dem steuerbaren Addierer 15 zugeleitet. Der Subtrahierer 14 subtrahiert den Stromsollwert U(Ison 1) von der bewerteten Versorgungsspannung R2/(Ri + R2) • Uv und bildet auf diese Weise die Differenzspannung Ud im Einschaltaugenblick des Schalttransistors 1. Bei durchgeschaltetem Schalttransistor 1 wird dem Komparator 5 ein erhöhter Stromsollwert U(I5oii 2) = U(IS0n 1) + Ud zugeleitet. Dieser erhöhte Stromsollwert von U(Isoii2) bestimmt den Scheitelwert U(î) des Wechselstromanteiles, d.h. der Scheitelwert U(î) ist proportional der Differenzspannung Ud.
Erreicht der Strom U(IjSt) den Wert
U(ISoii2) = U(Isoiii) + UD,
so sperrt der Komparator 5 den Schalttransistor 1 und der steuerbare Addierer 15 gibt dem Komparator 5 gleichzeitig den reduzierten Stromsollwert
U(ISoii 2) = U(IS0,i 1) für den folgenden Einschaltaugenblick des Schalttransistors 1 vor.
Zusammenfassend ist zu den elektronischen Schaltungsanordnungen gemäss Figuren 3 und 4 festzustellen, dass bei diesen Anordnungen der zum sicheren Anziehen eines Schaltrelais notwendige hohe Anzugsstrom nach Anzug des Relais auf einen niedrigeren Haltestrom abgesenkt wird. Dies ermöglicht das Betreiben eines Wechselstrom-Schaltrelais an Gleichstrom, sowie einen verlustleistungsarmen Betrieb des Schaltrelais. Für eine sichere Betriebsweise erfolgt die Absenkung von Anzugsstrom auf den Haltestrom nur dann, wenn das Schaltrelais sicher angezogen hat. Die Erfassung des Schaltzustandes des Relais erfolgt in beiden Fällen (Fig. 3, 4) durch Auswertung der unterschiedlichen magnetischen Induktion der Relaisspule (= elektromagnetisches Bauelement 2) im angezogenen und im nicht-angezogenen Zustand durch messtechnische Erfassung der Zeitkonstanten der Relaisspule.
Eine weitere Möglichkeit, den Schaltzustand des elektromagnetischen Bauelementes zu erfassen, besteht in der Verwendung eines mechanischen Hilfskontaktes. Die Umschaltung vom hohen Anzugsstrom auf den niedrigeren Haltestrom erfolgt dann in Abhängigkeit der Hilfskontaktstellung.
Durch Vorschalten einer Graetz-Brückenschaltung können alle beschriebenen elektronischen Schaltungsanordnungen auch
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mit einer Wechselspannung als Versorgungsspannung Uv betrieben werden, wodurch sich der Nachteil der Anschlusspolarität aufhebt und sich weitere Vorteile ergeben. Der magnetische Kreis weist keine Kurzschlussringe mehr auf, wodurch sich das Bauvolumen verkleinert. Der Anker weist auch bei Steuerspan-nungsnulldurchgang (Versorgungsspannung) eine konstante Anzugskraft auf, so dass der übliche Brummton verschwindet. Schliesslich wird die durch die Unterscheidung gleichstrombetätigte Schaltgeräte - wechselstrombetätigte Schaltgeräte nötige Typenvielfalt um die Hälfte reduziert.
Mit den erfindungsgemässen elektronischen Schaltungsanordnungen ist es weiterhin in einfacher Weise möglich, gewünschte Zeitfunktionen, wie z.B. Einschaltverzögerungen oder Ausschaltverzögerungen zu realisieren.
5 Die Erfindung wird verwendet zur Ansteuerung von Schaltrelais und Drosseln und zur Überwachung des Schaltzustandes von Schaltrelais, ferner zur messtechnischen Ermittlung der augenblicklichen Induktivität von elektromagnetischen Bauelementen bei Gleichstrombelastung, wie z.B. Sättigung von Dros-io sein.
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3 Blätter Zeichnungen
Claims (14)
1. Elektronische Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Bauelementes, insbesondere einer Drossel oder einer Spule eines einen magnetischen Kreis mit Spule, Joch und Anker aufweisenden elektromagnetischen Schaltgerätes, wobei einem Komparator ein vorgegebener Stromsollwert sowie ein gemessener, dem Strom im elektromagnetischen Bauelement entsprechender Stromistwert ein-gangseitig anliegen und der Komparator ausgangsseitig in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen Stromsollwert und Stromistwert einen im Hauptstromkreis des elektromagnetischen Bauelementes liegenden, mit der Versorgungsspannung zur Ansteuerung des elektromagnetischen Bauelementes beaufschlagten Schalter ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall (Ud) über der Induktivität (L) des elektromagnetischen Bauelementes (2) unter Eliminierung des ohm-schen Spannungsabfalles im Einschaltaugenblick des Schalters (1) erfasst und zur Bewertung des augenblicklichen Schaltzustandes des elektromagnetischen Bauelementes (2) herangezogen wird.
2. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbarer Widerstand (3) im Hauptstromkreis des elektromagnetischen Bauelements (2) angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung zwischen dem Scheitelwert [U(i)] des Wechselstromanteiles [U(i)] des Stromistwertes [U(IiSt)] und der im Einschaltaugenblick des Schalters (1) über der Induktivität (L) des Bauelementes (2) abfallenden Differenzspannung (UD) über einen Regler (12) ansteuerbar ist.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Stromistwertes [U(IiSt)] ein den steuerbaren Widerstand (3) überbrückender Spannungsteiler (R3, R4) vorgesehen ist, wobei das Teilerverhältnis proportional zum Verhältnis zwischen den ohmschen Widerständen (Ri) des elektromagnetischen Bauelementes und eines MessWiderstandes (R2) ist.
4. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Subtrahierer (9) vorgesehen ist, der einen vorgegebenen Stromsollwert [U(Ison 1)] um den Mittelwert [U(i)] des Wechselstromanteiles [U(i)] des Stromistwertes [U(I,st)] reduziert.
5. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Mittelwertes [U(i)] ein Glättungsglied (8) vorgesehen ist, dem eingangsseitig der Wechselstromanteil [U(i)] des Stromistwertes [U(IjSt)] zugeführt ist.
6. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeiterfassungseinrichtung (16) zur Ermittlung der Einschaltdauer (tein) des Schalters (1) vorgesehen ist.
7. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeiterfassungseinrichtung (16) ein Sollwertgeber (17, 22) nachgeschaltet ist, der ausgangsseitig verschiedene Stromsollwerte [U(IS0n 1)] in Abhängigkeit vom Wert der Einschaltdauer (tein) des Schalters (1) abgibt.
8. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sollwertgeber (22) eingangsseitig eine Referenzzeit (trer) anliegt und der Sollwertgeber (22) in Abhängigkeit von der Abweichung zwischen Einschaltdauer (tein) des Schalters (1) und Referenzzeit (trer) zwei verschiedene Stromsollwerte [U(Ison 1)] abgibt.
9. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Subtrahierer (7, 21) zur Bildung des Wechselstromanteiles [U(i)] des Stromistwertes [U(Iist)] vorgesehen ist, dem eingangsseitig der Stromistwert und der Stromsollwert [U(Ison)] anliegen.
10. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Subtrahierer (7, 21)
ein Scheitelwertmesser (13) zur Bildung des Scheitelwertes [U(î)] des Wechselstromanteiles [U(i)] nachgeschaltet ist.
11. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Subtrahierer (11, 14, 19) zur Bildung der im Einschaltaugenblick des Schalters (1) über der Induktivität (L) des Bauelementes (2) abfallenden Differenzspannung (Ud) vorgesehen ist, dem eingangsseitig der Stromsollwert [U(IS0n)] und ein bewerteter Versorgungsspan-nungswert zuführbar sind.
12. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Versorgungsspannung (Uv) ein Spannungsteiler (10) vorgesehen ist, dessen Teilerverhältnis proportional zum Verhältnis zwischen den ohmschen Widerständen (Ri) des elektromagnetischen Bauelementes und des zur Stromerfassung dienenden Messwiderstandes (R2) ist.
13. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Abhängigkeit vom Schaltzustand des Schalters (1) steuerbarer Addierer (15) zur Stromsollwertbildung [U(ISoii 2)] vorgesehen ist, dem eingangsseitig die Differenzspannung (Ud) sowie ein erster Stromsollwert [U(Isoii 1)] anliegen.
14. Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwertgeber (20) vorgesehen ist, dem eingangsseitig die Differenzspannung (Ud) sowie der Scheitelwert [U(î)] des Wechselstromanteiles [U(i)] des Stromistwertes [U(IiSt)] anliegen.
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Legal Events
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| PL | Patent ceased | ||
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