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Schaltungsanordnung zur heschleunif;ten Entregung eines Gleichstronimagnet.en,
beispielsweise der .Magnetspule eines Magnetventils In der Steuer.- und Regeltechnik
besteht häufig die Notwendigkeit, die Magnetspule eines Gleichstrommagneten mit
größtmöglicher Beschleunigung zu entregen. So ist es beispielsweise bei hydraulischen
Maschineaisteuerungen mit gleichstromgespeisten Magnetventilen als Steuerorganen
erforderlich, ein oder mehrere Ventile bei Erreichen der Sollposition des Arbeitstisches
umgehend zu schließen, ihren Anker also ohne größere Verrög---run-t; 7uni Abfallen
zu bringen, um den Überlaufweg des Tisches so klein wie irgendmöglich zu halten:
Um die in einer Magnetspule gespeicherte Energie beschleunigt abzubauen, bieten
sich zwei Möglichkeiten an, die ggf. , auch kombiniert werden können.
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Die eine besteht darin, daß auf dem Kern der Magnets)tile eine zweite
Spulenwicklung aufgebracht wird, die heim Abschalten der Magnetspule ein Gegenfeld
erzeugt, welches den Abfallvor ang unterstützt
Oder aber die Magnetspule
wird nach dem Anzug mit verringerter Erregung betrieben, so daß die in ihr gespeicherte
Energie von vornherein verhältnismäßig gering ist.
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Das erste Verfahren muß jedenfalls dann ausscheiden, wenn von einer
vorhandenen Magnetspule mit nur einer Wicklung auszugehen ist, die nicht durch eine
zweite Wicklung ergänzt werden kann. Das zweite Verfahren; bei dem die Magnetspule
ihre Speisespannung über einen Widerstand mit parallelgeschaltetem Kondensator erhält,
erfordert einen verhältnismäßig großen Kondensator, sofern die Magnetspule hohe
Ströme führt. Die Erfindung zeigt einen Weg, der es gestattet, bei Magnetspulen
mit nur einer Wicklung beirre Abschalten eine Gegenspannung 7u erzeugen, die einen
beschleunigten Abbau der gespeicherten Energie bewirkt und damit für ein schnelles
Abfallen des Ankers beispielsweise eines Magnetventiles sorgt. Darüberhinaus bietet
die Erfindung für den Sonderfall, da,ß der Schaltkreis der Magnetspule mit einer
Treiberstufe und einer Leistungsschaltstufe aufgebaut ist, die Möglichkeit, die
Erzeugung der Gegenspannung mit Maßnahmen zu kombinieren,
die die
Magnetspule nach dem Anzug mit verringerter' Erregung zu betreiben erlauben, ohne
daß ein Kondensator großer Kapazität erforderlich wäre.
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Die Schaltung nach der Erfindung ist dadurch Bekennzeichnet,.daß der
zweckmäßigerweise-durch einen spannungsabhängigen Widerstand überbrückten Magnetspule-die
mit einer Spannungsquelle in Reihe liegende Kollektor-Emitter-Strecke eines bei
fehlendem Eingangssignal gesperrten Transistors parallelgeschaltet ist.. Die Basis
dieses Transistors stellt mit zier Sekundärwicklung, eines Impttlstransformators
in Vorbindung, Giessen Primärseite zusammen mit einem Widerstand den Arbeitswiderstand
eines zweiten Transistors bildet, welcher beim Wechsel des I-:ingangssignals von`
I, auf l) vom Zeitenden in den nichtleitenden Zustand umgesteuert wird und so: auf
der Sekundärsei te des Transformators einen Spannungsimpuls entstehen l:ißt, der
den ersten Transistor kurzfristig öffnet und damit. die Gegenspannung der Spannungsquelle
an der Magnetspule zur Wirkung bringt. Heim Abschalten der riag-;zt(,tsl)trle wird
also in der ';htile en Gegenfeld erzeugt, (las bei entsprechender Ualil der Zeitkonstante
der die Impulsdauer bestimmenden Glieder und hinreichend
hoher Gegenspannung
so groß gemacht werden kann, daß es ausreicht, das vorhandene Magnetfeld mehr oder
weniger vollständig abzubauen, also dafür sorgt, daß der Abfallvorgang mit größtmöglicher
Beschleunigung vorsichgeht.
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In der Regel wird man den Schaltkreis der Magnetspule mit einer Treiberstufe
und einer Leistungsschaltstufe aufbauen. Diese Schaltung läßt sich, um eine weitere
Beschleunigung des Abfallvorganges zu erhalten, in weiterer Ausgestaltung der Erfindung,
dahingehend abwandeln und mit der oben beschriebenen Schaltung kombinieren, daß
die Magnetspule nach dem Anzug mi_t verringerter Energie betrieben wird, so daß
also das Gegenfeld nur ein wesentlich kleineres Magnetfeld zu kompensieren hat.
Zu diesem Zweck wird nach der Erfindung vorgeschlagen, das Eingangssignal der Basis
der als Emitterfolger geschalteten Treiberstufe über einen Kondensator und einen
Spannungsteiler zuzuführen, dessen Abgriff mit der Basis des Transistors der Treiberstufe
verbunden und derart eingestellt ist, daß der Transistor der nachfolgenden i Leistungsschaltstufe
beim Wirksamwerden der Einschaltspit7e voll, im weiteren Verlauf aber nicht voll
durchgesteuert
wird und beim Wechsel des Signals von L nach 0 -eine negative Vorspannüng erhält,
die den Leistungstransistor sperrt: Bei dieser Schaltung kann die Kapazität des
Kondensators sehr klein gehalten werden, obwohl der Strombedarf der Magnetspule
beim Einschalten groß ist; denn die Kapazität des Kondensators ist um das: Produkt
der Stromverstärkung der beiden Transistoren kleiner, als die Kapazität, die erforderlich
wäre, wenn der Kondensator direkt im Magnetspulenkreie liegen würde.
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Die Erfindung und deren Einzelheiten werden, im folgenden anhand der
Zeichnung näher erläutert, In der Figur 1 ist mit r .die mit ihrem Ende B an den
Pluspol einer Spannungsquelle U4 angeschlossene Magnetspule beispielsweise eines
Magnetventils bezeichnet, die durch einen spannungsabhängigen Widerstand R 1o überbrückt
ist, welcher die, Spannungsspitzen beim Ausschalten beschneidet. Der Arbeitskreis
der Magnetspule besteht aus einer als Emitterfolger geschalteten Treiberstufe mit
,einem Transistor TZ, dessen Basis das an den Klemmen 1,Z
liegende
Eingangssignal UE über einen Schutzwiderstand R.@@ zugeführt wird. Ein Widerstand
R@ im Kollektorkreis des Transistors dient zur Verringerung der Kollektorverlustleistung.
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Der Treiberstufe ist eine Leistungsschaltstufe mit einem Transistor
T4 nachgeschaltet, dessen Kollektor an das Ende A der Magnetspule M führt. Dieser
Transistor erhält über einen an den Pluspol einer Spannungsquelle U1 und den Minuspol
einer Spannungsquelle U2 angeschlossenen Spannungsteiler, der aus einem Widerstand
R6, zwei Dioden D3, D4 und einem weiteren Widerstand R8 besteht, eine negative Vor-Spannung,
die bei fehlendem Eingangssignal bewirkt, dafl der Transistor T4 gesperrt ist. Der-Spannungsteiler
sorgt andererseits dafür, daß der Emitterpunkt des Transistors T2 etwas im Positiven
liegt, so daß auch der Transistor T, gesperrt bleibt, solarke kein Eingangssignal
vorhanden ist.
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Wechselt das Eingangssignal von 0 nach L, so ändern sich diese Verhältnisse.
Das L-Signal bewirkt, daB der Transistor T2 und mit ihm der Transistor T4 leitend
wird. Die Magnetspule -M erhält infolgedessen Strom und vermag den Anker des Magnetventils
anzuziehen.
Um die in der Magnetspule M gespeicherte Energie beim
Abschalten beschleunigt abzubauen, d.h. also für ein schnelles Abfallen des Ankers
zu sorgen, ist- nach der Erfindung die Anordnung in der Weise getroffen, daß der
Magnetspule die reit einer Spannung®quelle 1J in Reihe liegende Ko'llektor-Emitter-
,: Strecke eines bei fehlendem Eingangssignal gesperrten Transistors- T3 mit einem
Widerstand R9 zur zusätzlichen Sperrspannungserzeugung parallelgeschaltet 18:t.
Die Basis dieses Transistors steht mit der Sekundärwicklung W2 eines Impulstransformators
Tr in Verbindung, der primärseitig mit.dem einen Wicklungsende an die Kollektorstrecke
eines Transistors T, angeschlossen ist, während das andere Wicklungsende über einen
Widerstand It3 an den Pluspol der Spannungsquelle Ul führti Eine der Wicklung W2
~-parallelgeschaltete Diode D2 sorgt hierbei dafür, daß die Basis-Emitter-Sperrspannung
des Transistors T3 beim Leitendwerden des Transistors TZ nicht zu hoch
ansteigt, während eine Diode D, auf der Primärseite die Induktionsspannung
beint Sperren des Transistors T1 begrenzt. Die Dasis des Transistors T@ steht über
einen ' iderstand R1 .mit der I::ingangsklemme 1 in
Verbindung,
der zusammen mit einem an den Minuspol der Spannungsquelle U2 angeschlossenen Widerstand
R2 einen 'Spannungsteiler bildet, so daß auch der Transistor T, gesperrt ist, solange
kein Eingangssignal vorhanden ist.
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Wechselt das Eingangssignal UE von 0 nach L,
so wird
der Transistor
T1 vom nichtleitenden in den leitenden Zustand umgesteuert. Die Folge ist, daß durch
die Primärwicklung des Transformators Tr Strom fließt. Sekundärseitig ändert sich
zunächst nichts, der Transistor T3 bleibt vielmehr gesperrt, da sein Basispotential
über die Wicklung W2 auf Emitterpotential bezogen ist. Der Stromfluß durch die Wicklung
W1 bewirkt jedoch, daß sich in ihr eine bestimmte magnetische Energie speichert.
Wird der Transistor T@ beim Wechsel des Eingangssignals von L nach O erneut gesperrt,
wie es beim Abschalten der Magnetspule der
| Fall ist, so entsteht in der Wicklung W2.des Transfor- |
| auf |
| mators ein Spannungsimpuls, der/die Basis des Tran- |
sistors T3 übertragen, den Transistor T3 kurzzeitig zu öffnen vermag und damit die
Gegenspannung der Spannungsquelle U3 an der Magnetspule M zur Wirkung bringt. Es
bildet sich also in der Magnetspule ein
Gegenfeld aus, welches
das in der Magnetspule vom Einschalten her vorhandene Feld zu kompensieren vermag,
so daß der Abfallvorgang beschleunigt vor sich geht. -Dieser Effekt läßt sich noch
dadurch unterstützen, daß die Magnetspule nach dem. Anzug mit verringerter y Energie
betrieben wird, sö daß das Gegenfeld nur ein wesentlich schwächeres Magnetfeld abzubauen
hat. Diese Variante ist in der Fig. 2 auszugsweise dargestellt und soll im folgenden
näher erläutert werden.
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Von der linken unteren Hälfte der Fig. 1 unterscheidet sieh die-Fig:
2 dadurch, daß das Eingangssignal UB der Basis der Treiberstufe mit dem Transistor
T2 über einen Kondensator C1 und einen Spannungsteiler R4 zugeführt wird. Im übrigen
ist es aber auch hier so, daß bei fehlendem Eingangssignal der Transistor T2 der
Treiberstufe und der Transistor T4 der nachgeschalteten Leistunt;sschältstufe gesperrt
sind. Ein zusätzlicher Widerstand F7 bewirkt eine Stabilisierung des Arbeitspunktes
des Transistors T4 bei Temperaturschwankungen..
Mit, dem Spannungsteiler
R4 wird die Spannung zur Ansteuerung des. Transistors T2 so eingestellt, daB diese
den Transistor T4 nicht voll, eine erhöhte Spannung den Transistor jedoch voll durchzusteuern
vermag. Diese erhöhte Spannung liefert der Kondensator C@ beim Wechsel des Signals
von O nach L in Form eines kurzzeitigen Spannungsimpulses. Im ersten Stadium des
Schaltvorganges wird die Magnetspule daher mit einer Spannung betrieben, die ein
sicheres Anziehen des Ankers-gewährleistet,-im weiteren Verlauf.mit einer zum Halten
des Ankers ausreichenden verringerten Spannung. Zur Kompensation des vorhandenen
Magnetfeldes beim Abschalten ist also ein wesentlich kleineres Gegenfeld erforderlich.
Wesentlich ist aber, daß diese Schaltung im Hinblick auf die Stromverstärkung der
Transistoren einen verhältnismäßig kleinen Kondensator erfordert, obwohl der Strombedarf
der Magnetspule hoch ist.