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Dokumentenidentifikation DE10158318B4 23.11.2006
Titel Spulenschaltung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Hertz, Dirk, 92224 Amberg, DE;
Streich, Bernhard, 92224 Amberg, DE
DE-Anmeldedatum 28.11.2001
DE-Aktenzeichen 10158318
Offenlegungstag 18.06.2003
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.2006
IPC-Hauptklasse H01F 7/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01H 47/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spulenschaltung mit einer Diodeneinheit und einer der Diodeneinheit parallel geschalteten Spulenserienschaltung mit einer Arbeitsspule und einer Schalteinheit,

  • – wobei die Arbeitspule bei Beaufschlagung mit einem oberhalb eines Anzugsstroms liegenden Spulenstrom einen Aktor in eine Betriebsstellung überführt,
  • – wobei die Arbeitspule danach den Aktor in der Betriebsstellung hält, bis der Spulenstrom unter einen Haltestrom sinkt, der erheblich kleiner als der Anzugsstrom ist, und
  • – wobei der Schalteinheit eine Anschaltung zugeordnet ist, mittels derer die Schalteinheit geöffnet wird, wenn und sobald eine an der Spulenserienschaltung anliegende Betriebsspannung einen Grenzpegel unterschreitet.

Derartige Spulenschaltungen sind z. B. aus der DE 199 33 201 A1 oder der DE 196 48 899 A1 bekannt.

Bei elektromagnetischen Schaltgeräten stellt sich beim Abschalten der Energieversorgung über die Arbeitsspule das Problem, dass die Arbeitsspule aufgrund hoher Windungszahlen oftmals eine hohe Induktivität aufweist. Ein aufgebauter Spulenstrom wird daher nur langsam über die Diodeneinheit abgebaut. Dadurch nimmt der Kontaktdurchdruck betätigter Schaltkontakte nur langsam ab. Es kommt gegebenenfalls zu einem relativ lang anhaltenden Lichtbogen und damit verbunden zu einem relativ großen Verschleiß. Im Extremfall kann sogar ein Verschweißen von Kontaktbrücken auftreten.

Bei den Spulenschaltungen des eingangs genannten Standes der Technik wird beim Wegschalten der Betriebsspannung der Schalter geöffnet. Dadurch wird der Spulenstrom erheblich schneller abgebaut.

Bei den Spulenschaltungen des Standes der Technik ist das Öffnen des Schaltelements aber nur dann gewährleistet, wenn die Betriebsspannung vollständig abgeschaltet wird. Falls es nur zu einem Einbruch der Betriebsspannung kommt, kann es weiterhin geschehen, dass die Schalteinheit geschlossen bleibt, der Spulenstrom also nur langsam abgebaut wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Spulenschaltung derart weiter zu entwickeln, dass der Spulenstrom auch dann rasch abgebaut wird, wenn es nur zu einem Betriebsspannungseinbruch kommt, nicht aber die Betriebsspannung vollständig weggeschaltet wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Grenzpegel derart bestimmt ist, dass das Öffnen der Schalteinheit erfolgt, wenn der Spulenstrom einen Grenzstrom unterschreitet, der zwischen dem Haltestrom und dem Anzugsstrom liegt.

Das Schaltelement kann beispielsweise als Relais ausgebildet sein. Vorzugsweise aber ist es als Halbleiterschaltelement, insbesondere als Transistor ausgebildet. Der Transistor kann dabei wahlweise ein bipolarer Transistor oder ein MOSFET sein.

Wenn der Schalteinheit eine Schutzschaltung parallel geschaltet ist, besteht keine Gefahr von Beschädigungen der Schalteinheit durch beim Abschalten der Energieversorgung in der Spule induzierte Spannungsstöße. Dies gilt ganz besonders, wenn die Schutzschaltung als Varistor ausgebildet ist.

Wenn die Anschaltung der Serienschaltung aus Arbeitsspule und Schalteinheit parallel geschaltet ist und in sich eine Serienschaltung einer Zenerdiode mit einem Widerstand aufweist und zwischen der Zenerdiode und dem Widerstand eine Steuerleitung zu einem Steuereingang der Schalteinheit abzweigt, ist die Ausgestaltung der Anschaltung besonders einfach.

Wenn in der Steuerleitung eine weitere Zenerdiode angeordnet ist, arbeitet die Anschaltung noch besser. Dies gilt ganz besonders dann, wenn die zuerst genannte Zenerdiode eine größere Zenerspannung als die weitere Zenerdiode aufweist.

Der Grenzstrom ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Grenzen beliebig wählbar. Um einen Strom, der nach dem Überführen des Aktors in die Betriebsstellung eingestellt wird, aber möglichst klein wählen zu können, ist vorzugsweise der Grenzstrom erheblich kleiner als der Anzugsstrom. Vorzugsweise ist er sogar nur geringfügig größer als der Haltestrom. Vorzugsweise liegt das Verhältnis von Grenzstrom zu Anzugsstrom unter 0,5, insbesondere unter 0,2. Das Verhältnis von Grenzstrom zu Haltestrom liegt vorzugsweise zwischen 1,1 und 2,0, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung

1 eine Spulenschaltung und

2 bis 4 Diagramme.

Gemäß 1 weist eine Spulenschaltung eine Diodeneinheit 1, eine Arbeitsspule 2 und eine Schalteinheit 3 auf. Die Arbeitsspule 2 und die Schalteinheit 3 sind miteinander in Serie geschaltet. Diese Serienschaltung ist parallel zur Diodeneinheit 1 geschaltet.

Die Diodeneinheit 1 ist als Gleichrichter 1 ausgebildet, der von einer Wechselspannungsquelle 4 über einen zwischengeordneten Schalter 5 speisbar ist.

Mit der Arbeitsspule 2 ist ein Aktor 6 betätigbar. Der Aktor 6 ist beispielsweise ein elektrischer Schaltkontakt 6. Wenn die Arbeitsspule 2 mit einem Spulenstrom I beaufschlagt wird, der oberhalb eines Anzugstroms IA liegt, wird der Aktor 6 aus einer Ruhestellung gegen eine Federkraft in eine Betriebsstellung überführt.

Der Schalteinheit 3 ist eine Anschaltung 7 zugeordnet. Die Anschaltung 7 ist dabei der Serienschaltung von Arbeitsspule 2 und Schalteinheit 3 parallel geschaltet. Sie weist eine Serienschaltung auf, die aus einem Widerstand 8 und einer Zenerdiode 9 besteht. Die Zenerdiode 9 weist (beispielsweise) eine Zenerspannung UZ1 von 3 V auf. Zwischen der Zenerdiode 9 und dem Widerstand 8 zweigt eine Steuerleitung 10 zu einem Steuereingang 11 der Schalteinheit 3 ab. In der Steuerleitung 10 ist eine weitere Zenerdiode 12 angeordnet. Diese Zenerdiode 12 weist eine Zenerspannung UZ2 von z. B. 2 V auf. Die Zenerspannung UZ1 der Zenerdiode 9 ist also größer als die Zenerspannung UZ2 der Zenerdiode 12.

Die Schalteinheit 3 ist gemäß 1 als Transistor 3, also als Halbleiterschaltelement 3, ausgebildet. Dem Transistor 3 ist dabei zu seinem Schutz eine Schutzschaltung 13 parallel geschaltet, die gemäß 1 als Varistor 13 ausgebildet ist.

Die Wirkungsweise der in 1 dargestellten Schaltung wird nunmehr nachstehend in Verbindung mit den 2 bis 4 näher erläutert.

Wenn eine über der Serienschaltung von Arbeitsspule 2 und Schalteinheit 3 anliegende Betriebsspannung U unterhalb einer Minimalspannung Umin liegt, ist der Transistor 3 vollständig gesperrt, die Schalteinheit 3 also im elektrischen Sinne geöffnet. Sie weist einen Schaltzustand Z1 „auf" bzw. „geöffnet" auf. Ein – äußerst geringer – Spulenstrom I fließt somit ausschließlich über den Varistor 13.

Wenn die Betriebsspannung U von der Minimalspannung Umin auf eine Grenzspannung UG ansteigt, wird der Transistor 3 durchgesteuert. Mit Erreichen der Grenzspannung UG ist der Transistor 3 vollständig durchgesteuert, die Schalteinheit 3 also im elektrischen Sinne geschlossen. Ihr Schaltzustand Z1 ist nunmehr „zu" bzw. „geschlossen". Der Varistor 13 wird somit überbrückt, so dass der Spulenstrom I trotz des nur geringen Spannungsanstiegs der Betriebsspannung U erheblich ansteigt, und zwar auf einen Grenzstrom IG.

Wenn nun die Betriebsspannung U noch weiter ansteigt, steigt auch der Spulenstrom I an, wenn auch nicht mehr so steil wie zuvor. Mit Erreichen des Anzugstroms IA wird dann der Aktor 6 in seine Betriebsstellung überführt. Bei dem gegebenen Beispiel eines elektrischen Aktors 6, also eines Schaltkontakts 6, nimmt der korrespondierende Schaltkreis also einen Schaltzustand Z2 „geschlossen" bzw. „zu" an.

Bei einem noch weiteren Anstieg der Betriebsspannung U steigt der Spulenstrom I zwar weiter an, weitere Veränderungen sind mit einem Ansteigen der Betriebsspannung U aber nicht mehr verbunden.

Wenn nun die Betriebsspannung U wieder verringert wird, verringert sich der Spulenstrom I wieder. Der Aktor 6 verharrt aber zunächst im Schaltzustand Z2 „zu". Dies gilt auch noch bei Unterschreiten des Anzugstroms IA, weil der Spulenstrom I oberhalb eines Haltestroms IH liegt, bei dem der Aktor 6 in den Ruhezustand zurück überführt würde.

Mit Unterschreiten der Grenzspannung UG wird der Transistor 3 aber zugesteuert, die Schalteinheit 3 also im elektrischen Sinne geöffnet. Sie geht in den Schaltzustand Z1 „geöffnet" bzw. „auf" über. Der Spulenstrom I fällt daraufhin abrupt ab. Insbesondere ist er bei Erreichen der Minimalspannung Umin bereits unter den Haltestrom IH gefallen. Der Aktor 6 wird daher nunmehr wieder in den Schaltzustand Z2 „geöffnet" bzw. „auf" überführt.

Die Anschaltung für die Schalteinheit 3 ist also derart ausgebildet, dass die Schalteinheit 3 geöffnet wird, wenn und sobald die Betriebsspannung U die Grenzspannung UG (bzw. den Grenzpegel UG) unterschreitet. Die Grenzspannung UG ist dabei derart bestimmt, dass der Grenzstrom IG, der bei dieser Grenzspannung UG fließt, zwischen dem Haltestrom IH und dem Anzugstrom IA liegt. Es ergibt sich dadurch ein quasi bistabiles Verhalten der Spulenschaltung.

Der Grenzstrom IG ist in der Regel erheblich kleiner als der Anzugstrom IA. Vorzugsweise ist er sogar nur geringfügig größer als der Haltestrom IH. Als optimal hat sich erwiesen, wenn das Verhältnis von Grenzstrom IG zu Anzugstrom IH unter 0,5 liegt, insbesondere unter 0,2. Andererseits sollte der Grenzstrom IG einen Mindestabstand zum Haltestrom IH einhalten. Das Verhältnis von Grenzstrom IG zu Haltestrom IH sollte daher vorzugsweise zwischen 1,1 und 2,0 liegen, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5.

Obenstehend wurde das Verhalten der Spulenschaltung im quasi stationären Zustand beschreiben, wenn also die Betriebsspannung U sich nur sehr langsam ändert. In der Regel ändert sich die Betriebsspannung U aber schlagartig, entweder durch deutliche Spannungseinbrüche oder aber Schlichtweg durch Öffnen des Schalters 5. In der Praxis wird damit durch die erfindungsgemäße Spulenschaltung bewirkt, dass der kritische Zustand, in dem der Aktor 6 ohne oder mit nur geringem Durchdruck geschlossen ist, in erheblich kürzerer Zeit durchlaufen wird. Ein Kontaktabbrand bei einem Schütz kann daher deutlich reduziert werden. Die Gefahr einer Verschweißung kann sogar auf nahezu Null reduziert werden. Dennoch ist mittels der erfindungsgemäßen Spulenschaltung auf einfache Weise bei anliegender, hinreichend hoher Betriebsspannung U eine niederohmige Anbindung der Arbeitsspule 2 an die Wechselspannungsquelle 4 möglich.


Anspruch[de]
Spulenschaltung mit einer Diodeneinheit (1) und einer der Diodeneinheit (1) parallel geschalteten Spulenserienschaltung mit einer Arbeitsspule (2) und einer Schalteinheit (3),

– wobei die Arbeitspule (2) bei Beaufschlagung mit einem oberhalb eines Anzugsstroms (IA) liegenden Spulenstrom (I) einen Aktor (6) in eine Betriebsstellung überführt,

– wobei die Arbeitspule (2) danach den Aktor (6) in der Betriebsstellung hält, bis der Spulenstrom (I) unter einen Haltestrom (IH) sinkt, der erheblich kleiner als der Anzugsstrom (IA) ist, und

– wobei der Schalteinheit (3) eine Anschaltung (7) zugeordnet ist, mittels derer die Schalteinheit (3) geöffnet wird, wenn und sobald eine an der Spulenserienschaltung anliegende Betriebsspannung (U) einen Grenzpegel (UG) unterschreitet,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Grenzpegel (UG) derart bestimmt ist, dass das Öffnen der Schalteinheit (3) erfolgt, wenn der Spulenstrom (I) einen Grenzstrom (IG) unterschreitet, der zwischen dem Haltestrom (IH) und dem Anzugsstrom (IA) liegt.
Spulenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodeneinheit (1) als Gleichrichtereinheit (1) ausgebildet ist. Spulenschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinheit (3) als Halbleiterschalteinheit (3) ausgebildet ist. Spulenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschalteinheit (3) als Transistor (3) ausgebildet ist. Spulenschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalteinheit (3) eine Schutzschaltung (13) parallel geschaltet ist. Spulenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (13) als Varistor (13) ausgebildet ist. Spulenschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschaltung (7) eine der Spulenserienschaltung parallel geschaltete Zenerserienschaltung mit einer Grundzenerdiode (9) und einem Widerstand (8) aufweist und dass zwischen der Grundzenerdiode (9) und dem Widerstand (8) eine Steuerleitung (10) zu einem Steuereingang (11) der Schalteinheit (3) abzweigt. Spulenschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuerleitung (10) eine Zusatzzenerdiode (12) angeordnet ist. Spulenschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundzenerdiode (9) eine größere Zenerspannung (UZ1) als die Zusatzzenerdiode (12) aufweist. Spulenschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom (IG) erheblich kleiner als der Anzugsstrom (IA) ist. Spulenschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Grenzstrom (IG) zu Anzugsstrom (IA) unter 0,5, insbesondere unter 0,2, liegt. Spulenschaltung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzstrom (IG) nur geringfügig größer als der Haltestrom (IH) ist. Spulenschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Grenzstrom (IG) zu Haltestrom (IH) zwischen 1,1 und 2,0, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5, liegt.






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