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Dokumentenidentifikation DE60100035T2 18.06.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1160641
Titel Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektrischen Spule mit einem vorbestimten Arbeitsstrom
Anmelder Sauer-Danfoss Holding A/S, Nordborg, DK
Erfinder Thomsen, Flemming, 6200 Aabenraa, DK
Vertreter U. Knoblauch und Kollegen, 60322 Frankfurt
DE-Aktenzeichen 60100035
Vertragsstaaten DE, DK, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.05.2001
EP-Aktenzeichen 012017133
EP-Offenlegungsdatum 05.12.2001
EP date of grant 09.10.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse G05F 1/575
IPC-Nebenklasse G05D 16/20   G05F 1/565   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektrischen Spule, insbesondere der Spule eines Magnetventils, mit einem vorbestimmten Betriebsstrom aus einer Spannungsquelle mit unterschiedlichen Betriebsspannungen, bei der die Spule in Reihe mit einem ersten steuerbaren Schaltelement und einem Stromfühler liegt und das Meßsignal des Stromfühlers durch einen ersten Komparator mit einem Bezugswert verglichen wird und durch das Ausgangssignal des Komparators bei Überschreitung des Bezugswerts durch das Meßsignal ein Zeitschalter auslösbar ist, durch dessen Ausgangssignal das durch ein Betriebssignal eingeschaltete erste Schaltelement ausschaltbar ist, bis das Meßsignal den Bezugswert erneut überschreitet.

Die folgenden Dokumente zeigen Aspekte vom Stand der Technik: US 5,237,262; US 5,675,240; JP 55097601; US 5,627,459.

Eine im Handel erhältliche Schaltungsanordnung dieser Art hat den in Fig. 3 dargestellten Aufbau. Sie dient dazu, die Magnetspule eines Magnetventils mit unterschiedlichen Betriebsspannungen, z. B. mit 12 Volt oder 24 Volt, bei gleichem Betriebsstrom betreiben zu können, da es nicht immer möglich ist, die gleiche Spule über einen größeren Betriebsspannungsbereich von beispielsweise 9 bis 32 Volt zu betreiben: Die abgegebene Leistung bei hoher Betriebsspannung könnte zu groß sein (sie steigt mit dem Quadrat der Spannung). Um die gleiche Spule in einem größeren Spannungsbereich von beispielsweise 9 bis 32 Volt verwenden zu können, so daß die Verwendung unterschiedlicher Spulen für die verschiedenen Betriebsspannungen vermieden werden kann, wird durch die bekannte Schaltungsanordnung der durch die Spule L fließende Strom unabhängig von der jeweiligen Betriebsspannung Ub konstant gehalten. Zu diesem Zweck liegt in Reihe mit der Spule L ein als Schaltelement betriebener Transistor T2 und ein Stromfühler in Form eines Meßwiderstands R. Das Strommeßsignal in Form des durch den Strom I am Widerstand R hervorgerufenen Spannungsabfalls wird durch einen Komparator 1 mit einem annähernd den Sollwert des Stroms bildenden Bezugswert Uref verglichen. Das bei Überschreitung des Bezugswerts durch das Strommeßsignal am Ausgang des Komparators 1 auftretende Ausgangssignal A löst einen Zeitschalter in Form eines monostabilen Multivibrators 2 aus, dessen Ausgangssignal mit einem Betriebssignal M durch ein UND-Glied 3 verknüpft wird. Der Ausgang des UND-Glieds 3 ist mit dem Steueranschluß des Transistors T2 verbunden. Das Betriebssignal M tritt auf, solange das Magnetventil in Betrieb gesetzt werden soll, d. h. der Strom I fließen soll. Vor Betriebsbeginn liegt mithin das Strommeßsignal unterhalb des Bezugswerts Uref, so daß am umkehrenden Ausgang des Multivibrators 2 ein hohes Signal auftritt und der Transistor T2 durchgeschaltet wird. Sobald der daraufhin nach einer Exponentialfunktion ansteigende Strom I den Bezugswert überschreitet, tritt am Ausgang des Komparators 1 ein hohes Signal A auf, das den monostabilen Multivibrator 2 aus löst und den Transistor T2 über das UND-Glied 3 ausschaltet (sperrt).

Die in Fig. 4 dargestellten Diagramme veranschaulichen die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3. Solange das Betriebssignal M andauert, fließt der Strom I. Während der Zeit t1 steigt er exponentiell bis zum Erreichen eines Spitzenwertes Ip an, bei dem der Bezugswert Uref überschritten wird. Das dadurch ausgelöste Signal A des Komparators 1 sperrt sofort wieder den Transistor T2. Der Strom I in der Spule L fließt jedoch über eine Freilaufdiode D&sub1; und einen antiparallel zur Spule L und einer Z-Diode DZ1 geschalteten Transistor T1 weiter, der ebenfalls während der Dauer des hohen Betriebssignals M eingeschaltet (durchgesteuert) wird. Dabei nimmt der Strom I jedoch ebenfalls nach einer Exponentialfunktion während der Ausschaltdauer taus des Transistors T2 sofort nach dem Verschwinden des Ausgangssignals A ab. Der durch das Verschwinden des Ausgangssignals A sofort wieder ausgelöste monostabile Multivibrator 2 schaltet nach der durch seine Laufzeit bestimmten Ausschaltdauer taus des Transistors T2 den Transistor T2 sofort wieder ein. Danach wiederholt sich der geschilderte Vorgang solange, bis das Betriebssignal M verschwindet. Am Ende des Betriebssignals M werden beide Transistoren T1 und T2 ausgeschaltet, wonach der Strom I über die Freilaufdiode D1 und die Z- Diode DZ1 fließt und sehr rasch verschwindet.

Der Ist-Wert des Stroms 1 liegt dann nur geringfügig unterhalb des Spitzenwertes Ip = Uref/R und entspricht dem Mittelwert des etwa sägezahnförmigen Verlaufs des Stroms I in Fig. 4.

Die Anstiegszeit des Stroms I hängt jedoch von der Höhe der Betriebsspannung Ub ab. Da die Anstiegszeit t1 die Ansprechgeschwindigkeit des Magnetventils bestimmt, hängt die Funktion des Magnetventils ebenfalls von der Höhe der Betriebsspannung ab.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die Anstiegsgeschwindigkeit des durch die Spule nach Betriebsbeginn fließenden Stroms unabhängig von der Betriebsspannung ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Meßsignal des Stromfühlers durch einen zweiten Komparator mit einem unabhängig von einer Änderung der Betriebsspannung nach einer vorbestimmten Funktion stetig ansteigendem Signal verglichen wird, das ebenfalls durch das Betriebssignal auslösbar ist, und daß der Zeitschalter durch das Ausgangssignal des zweiten Komparators auslösbar ist, wenn das Meßsignal das stetig ansteigende Signal überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert überschreitet.

Bei dieser Lösung ist die Anstiegszeit des Spulenstroms unmittelbar nach Betriebsbeginn bis zum Erreichen des Bezugswerts durch eine konstante Anstiegszeit des stetig ansteigenden Signals bestimmt und ist daher konstant.

Bei dem stetig ansteigenden Signal kann es sich auf einfache Weise um das Ausgangssignal eines Integrators mit konstantem Eingangssignal handeln.

So kann der Integrator einen Kondensator am Ausgang eines Konstantstromgenerators aufweisen.

Parallel zum Kondensator kann ein zweites Schaltelement liegen, das beim Auftreten des Betriebssignals ausschaltbar ist, und umgekehrt.

Ferner kann dafür gesorgt sein, daß die Ausgänge der Komparatoren über ein ODER-Glied mit dem Eingang des Zeitschalters verbunden sind und das Ausgangssignal des Zeitschalters mit dem Betriebssignal durch ein UND- Glied verknüpft ist, dessen Ausgang mit einem Steueranschluß des Schaltelements verbunden ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher beschrieben.

Die Fig. 3 und 4 stellen den Aufbau und die Funktion der bekannten Schaltungsanordnung dar.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 3 dadurch, daß das Meßsignal des als ohmscher Widerstand R ausgebildeten Stromfühlers durch einen zweiten Komparator 4 mit einem unabhängig von einer Änderung der Betriebsspannung Ub stetig nach einer vorbestimmten Funktion, hier mit konstanter Geschwindigkeit, d. h. linear ansteigenden Signal Uc verglichen wird, das ebenfalls durch das Betriebssignal M auslösbar ist, und daß der als monostabiler Multivibrator ausgebildete Zeitschalter 2 durch das Ausgangssignal B des zweiten Komparators 4 auslösbar ist, wenn das Meßsignal, der Spannungsabfall I · R, das linear ansteigende Signal Uc überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert Uref überschreitet. Der Komparator 4 vergleicht mithin das seinem nicht umkehrenden Eingang (+) zugeführte Meßsignal mit dem linear ansteigenden Signal Uc, und die Ausgänge beider Komparatoren 1, 4 sind über ein ODER- Glied 5 mit dem Eingang des Zeitschalters 2 verbunden, dessen an einem invertierenden Ausgang auftretendes Ausgangssignal mit dem Betriebssignal M wiederum durch das UND-Glied 3 verknüpft wird, wobei dessen Ausgang wiederum mit dem Steueranschluß des als Transistor ausgebildeten Schaltelements T2 verbunden ist.

Das linear ansteigende Signal Uc ist das Ausgangssignal eines durch einen Kondensator C gebildeten Integrators, dem ein konstantes Eingangssignal durch einen Konstantstromgenerator 6 in Form eines den Kondensator C aufladenden Stroms zugeführt wird. Parallel zu dem Kondensator C liegt ein weiteres Schaltelement T3 in Form eines Transistors, das beim Auftreten des Betriebssignals M über einen Umkehrverstärker oder ein NICHT-Glied 7 ausschaltbar ist, und umgekehrt.

Bevor mithin das Betriebssignal M auftritt, ist das Schaltelement T2 ausgeschaltet, weil seinem Steueranschluß durch das UND-Glied 3 ein niedriges Signal zugeführt wird. Dementsprechend fließt durch die Spule L kein Strom I, so daß auch das Meßsignal niedrig (null) und die Ausgangssignale A und B der Komparatoren 1 und 4 niedrig sind. Das Ausgangssignal des Umkehrverstärkers 7 ist dagegen hoch, so daß das Schaltelement T3 eingeschaltet (durchgesteuert) ist. Das Eingangssignal des Integrators C ist mithin ebenfalls niedrig, weil der Ausgang des Stromgenerators 6 kurzgeschlossen ist. Das in dieser Phase niedrige Ausgangssignal des ODER- Glieds 5 ergibt ein hohes Ausgangssignal des Zeitschalters 2. Dennoch ist bis zum Auftreten des Betriebssignals M das Ausgangssignal des UND-Glieds 3 und mit hin das Steuersignal am Steueranschluß des Schaltelements T2 weiterhin niedrig. Auch das als Transistor ausgebildete Schaltelement T1 ist ausgeschaltet.

Wenn jetzt das Betriebssignal M auftritt, um das Magnetventil einzuschalten, werden die Schaltelemente T1 und T2 eingeschaltet und das Schaltelement T3 ausgeschaltet. Daraufhin beginnt der Strom I durch die Spule L zu fließen und nach einer e-Funktion anzusteigen. Desgleichen steigt das Signal Uc (die Spannung) am Kondensator C linear an, weil er nunmehr durch den konstanten Ausgangsstrom des Konstantstromgenerators 6 linear aufgeladen wird. Die Ausgangssignale beider Komparatoren A und B bleiben jedoch zunächst weiterhin niedrig und mithin das Ausgangssignal des Zeitschalters 2 hoch Sobald das Strommeßsignal dann erstmals das lineare Signal Uc überschreitet, erzeugt der Komparator 4 ein hohes Ausgangssignal B. Dadurch wird die Laufzeit des Zeitschalters 2 ausgelöst, während der sein Ausgangssignal niedrig ist, so daß das Schaltelement T2 bei dem ersten hohen Ausgangssignal B des Komparators 4 wieder ausgeschaltet wird. Der Strom I fließt dagegen über die Freilaufdiode D1 und das Schaltelement T1 weiter. Dabei nimmt er jedoch ab, wie es in dem Diagramm für den Verlauf des Stroms I dargestellt ist. Im selben Augenblick, in dem das Schaltelement T2 ausgeschaltet wird, geht dagegen das Strommeßsignal auf null zurück. Am Ausgang des Komparators 4 tritt daher nur ein kurzzeitiger Nadelimpuls als Ausgangssignal B auf. Wenn die Laufzeit des Zeitschalters 2 abgelaufen ist, geht sein Ausgangssignal wieder hoch, so daß das Schaltelement T2 wieder eingeschaltet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der Strom I den Spitzenwert Ip erreicht, bei dem das Strommeßsignal IR den Bezugswert Uref überschreitet. In diesem Augenblick geht auch das Ausgangs signal A des Komparators 1 hoch, so daß der Zeitschalter 2 wieder ausgelöst wird, der das Schaltelement T2 während seiner Laufzeit für die Dauer taus ausschaltet. Danach hält sich der Mittelwert des durch die Spule L fließenden Stroms I geringfügig unterhalb des Spitzenwerts Ip.

Wenn das Betriebssignal M wieder ausgeschaltet wird, werden die Schaltelemente T1 und T2 ausgeschaltet und das Schaltelement T3 wieder eingeschaltet. Der Spulenstrom fließt dann über die Freilaufdiode D1 und die Z-Diode DZ1 zwar weiter, nimmt jedoch sehr rasch auf null ab:

Die mittlere Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms I während der Zeit bis zum Erreichen des Bezugswerts Uref bzw. des Spitzenstroms Ip ist jedoch proportional der Anstiegsgeschwindigkeit des Signals Uc und damit konstant, so daß auch die Anstiegsdauer t1 des Stroms I konstant und unabhängig von der Betriebsspannung Ub ist. Dementsprechend ist auch die Ansprechgeschwindigkeit des Magnetventils mit der Spule L bis zum Erreichen des geringfügig unterhalb des Spitzenstroms Ib liegenden Sollwerts des Stroms I unabhängig von der Betriebsspannung Ub konstant.

Zu beachten wäre lediglich, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms I während der Einschaltzeit des Schaltelements T2 stets größer als die des Signals Uc ist, um das Signal Uc überschreiten zu können, solange der Spitzenwert Ip noch nicht erreicht ist.


Anspruch[de]

1. Schaltungsanordnung zur Versorgung einer elektrischen Spule (L), insbesondere der Spule eines Magnetventils, mit einem vorbestimmten Betriebsstrom aus einer Spannungsquelle mit unterschiedlichen Betriebsspannungen (Ub), bei der die Spule (L) in Reihe mit einem ersten steuerbaren Schaltelement (T2) und einem Stromfühler (R) liegt und das Meßsignal des Stromfühlers (R) durch einen ersten Komparator (1) mit einem Bezugswert (Uref) verglichen wird und durch das Ausgangssignal (A) des Komparators (1) bei Überschreitung des Bezugswerts durch das Meßsignal ein Zeitschalter (2) auslösbar ist, durch dessen Ausgangssignal das durch ein Betriebssignal (M) eingeschaltete erste Schaltelement (T2) ausschaltbar ist, bis das Meßsignal den Bezugswert erneut überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal des Stromfühlers (R) durch einen zweiten Komparator (4) mit einem unabhängig von einer Änderung der Betriebsspannung nach einer vorbe stimmten Funktion stetig ansteigenden Signal (Uc) verglichen wird, das ebenfalls durch das Betriebssignal (M) auslösbar ist, und daß der Zeitschalter (2) durch das Ausgangssignal (B) des zweiten Komparators (4) auslösbar ist, wenn das Meßsignal das stetig ansteigende Signal (Uc) überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert (Uref) überschreitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stetig ansteigende Signal (Uc) das Ausgangssignal eines Integrators (C) mit konstantem Eingangssignal ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator einen Kondensator (C) am Ausgang eines Konstantstromgenerators (6) aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Kondensator (C) ein zweites Schaltelement (T3) liegt, das beim Auftreten des Betriebssignals (M) ausschaltbar ist, und umgekehrt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Komparatoren (1, 4) über ein ODER-Glied (5) mit dem Eingang des Zeitschalters (2) verbunden sind und das Ausgangssignal des Zeitschaltglieds (2) mit dem Betriebssignal (M) durch ein UND-Glied (3) verknüpft ist, dessen Ausgang mit einem Steueranschluß des ersten Schaltelements (T2) verbunden ist.







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