DE1807748A1 - Verfahren fuer das Betaetigen von Magnetventilen - Google Patents

Description

ap/A 2894 Voith Getriebe KG

Kennwort: "Elektronische Ventilsteuerung" Heidenheim (Brenz)

Verfahren für das Betätigen von Magnetventilen

Die Erfindung Detrifft ein Verfahren· für das Betätigen eines über lange Zeiträume in Arbeitsstellung zu haltenden Magnetventils, Hubmagneten o. dgl. mit einer zum Anziehen des beweglichen Magnetkernes an eine Spannungsquelle anzuschließenden Magnetspule und mit einer nur in angezogenem Zustand des beweglichen Magnetkernes geschlossenen, den erregten Magnetfluß kurzschließenden Eisenummantelung, Eisenjoch o. dgl,.

Magnete dieser Art müssen ninsichtlich ihrer Kupferwicklungen mit Rücksicht auf den hohen Anzugstrcm sehr leistungsstark ausgelegt werden, damit der auch in angezogenem Zustand fließende Strom das Wickelpaket nicht unzulässig stark erhitzt. Dieser Umstand ist oesonders dann störend, wenn mehrere Magnetventile in einer elektrohydraulischen Steuerung vorgesehen sind und wenn die Magnetventile über längere Zeiträume in Arbeitsstellung verharren müssen. Die Ventile mit hoher Einschaltdauer sind sehr groß und schwer, was namentlich bei einer Mehrfachanordnung und z.B. oei PahrzeuggetrieDesteuerungen nachteilig ist, da bei Fahrzeugen bekanntlich die Gewichts- und Platzfrage oesonders prekär ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Betätigungsverfahren für Magnetventile anzugeben, aufgrund dessen die Magnetventile auch bei hoher Einschaltdauer klein ausgebildet werden können, ohne daß eine Überhitzungsgefahr für die Wicklungen Desteht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise während der Zeit des Anziehens des beweglichen Magnet-

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kerns die Spule zunächst an eine hohe Anzugsspannungsquelle (100$) zur Erregung eines hohen Anzugsmagnetflusses in dem noch offenen Joch und nach angezogenem Magnetkern während der ganzen Arbeitszeit des Magnetventiles an eine geringe vorzugsweise etwa 5 bis 22$ gegenüber dem Anzugsspannung betragende Haltespannung zur Erregung eines Haltemagnetflusses in dem nun geschlossenen Joch gelegt wird.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Gleichstromschaltung vorgeschlagen, bei der in der Stromzuführungsleitung zur Erregerspule des Magnetventiles ein durch eine Umgehungsleitung und einen darin angeordneten elektrisch betätigten oder elektronisch gesteuerten, in Ruhestellung geöffneten Schalter überbrückbarer Ohm*scher Wider-

vorzugsweise

stand sowie ein in Serie zum Widerstand liegender weiterer,/ebenfalls elektrisch oetätigter oder elektronisch gesteuerter, in Ruhestellung offener Schalter zum Ein- und Ausschalten des Magnetventiles angeordnet ist, und daß eine Verzögerungsschaltung für das verzögerte Öffnen des parallel zum Widerstand liegenden Schalters ab Einschalten des Einschalters vorgesehen ist.

Die Verzögerungsschaltung wird zweckmäßigerweise als ein sogenanntes R-C-Giied ausgebildet und der Schalter als eine transistorisierte dreistufige Stromverstärkerschaltung , bei der die Basis-Emitterstrecke des Eingangstransistors in Serie mit dem R-C-Glied geschaltet ist und bei der die Kollektor-Emitterstrecke des Ausgangstransistors parallel zum Vorwiderstand liegt.

Diese bisher gekennzeichnete Schaltung ist für die Stromsteuerung bei der Betätigung nur eines Magnetventiles geeignet« Soll der Betätigungsstrom für mehrere,voneinander unabhängige Magnetventile gesteuert werden, so sind,ausgehend von der zuletzt beschriebenen Schaltung,zwei Möglichkeiten der Steuerung zu unterscheiden, die von der Anlage, die durch die Magnetventile hydraulisch gesteuert werden soll, Jeweils vorgegeben- werden»

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Eine Möglichkeit: Wenn ein neues Magnetventil eingeschaltet wird, mu3 ein anderes ausgeschaltet werden (Umschaltung von einer Magnetspule auf eine andere. Möglichkeit: Wenn ein neues Magnetventil eingeschaltet wird, wird kein anderes.ausgeschaltet (Fall der reinen Zuschaltung einer Magnetspule). Im Fail der eiektrohydraulisehen Steuerung eines UmlaufrädergetrieDes für Fahrzeuge wird z.B. bei einem Gangwechsel normalerweise eine Getriebebremse bzw. -kupplung gelöst und dafür eine andere geschlossen, d.h. in der hydraulischen Steuerung mu3 ein Ventil öffnen und dafür ein anderes schließen. Wird der Rückwärtsgang eingelegt, so muß z.B. eine normalerweise in Ruhestellung geschlossene Getriebekupplung oder -bremse hydraulisch geöffnet werden, wozu zusätzlich ein Magnetventil eingeschaltet werden muß.

Im Fail der Mehrventilsteuerung· durch Umschalten sind die Spulen der Magnetventile und ein jeweils zugehöriger Betätigungsschalter alle parallel zueinander geschaltet. Der Vorwiderstand, der diesen Vorwiderstand überbrückende elektronische Schalter (Transistor) und die VerzögerungsschaLtung (R-C-Glied) sind allen parallelliegenden Spulen gemeinsam. Zum Umschalten eines Magnetventiles auf ein anderes wird - auch bei geforderter zeitlicher Überschneidung der Gange - gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung zunächst die Stromzufuhr zur einen Spule angeschaltet bevor sie zur anderen eingeschaltet wird. Durch die vorherige Ausschaltung eines Stromverbrauchers wird ein kleiner, kurzzeitiger Potentialanstieg innerhalo der Schaltung erzeugt, der zum Ingangsetzen der Stromsteuerung ausgenutzt wird. Wird keine zeitliche Überschneidung verlangt,,se ist zweckmä3igerweise die Zeitkonstante des R-C-Gliedes auf die Anzugszeit auszulegen. Ist wohl eine ^ Überschneidungszeit gefordert, so wird nach einem weiteren Vor-■j-> schlag der Erfindung parallel zu den Schalterkontakten desjenigen ^?Magnetventiles, das länger eingeschaltet oieiben soll, ein kleiner -«^Widerstand geschaltet und die Zeitkonstante des R-C-Gliedes auf rs>die geforderte Überschneidungszeit ausgelegt.

Q Im Fall der reinen Zusehaltung eines Ventiles kommt durch ein Zuschalten eines Stromverbrauchers ein kurzzeitiger Potentialabfall innerhalb der Schaltung an den Stellen, an denen beim Abschalten ein kleiner 5pL)n-nu7i_mjSans~tt'eß zu verzeichnen war, zustande. Dieses Signal ist nicht zum Durchschalten der Stromsteuerung

geeignet. Für rein zuzuschaltende Magnetspulen wird daher nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgeschlagen, daß der Potentialanstieg an der zugeschalteten Spule selber zur Durchschaltung der Stromsteuerung ausgenutzt wird. Zu diesem Zweck ist zwischen dem spulenseitigen Kontakt und dem Leiter zwischen dem Kondensator und dem Widerstand des R-C-Gliedes ein kleiner Kondensator eingeschaltet. Dieser bringt den Potentialanstieg beim Einschalten der Spule an den Eingang der Stromverstärkerschaltung, die ihrerseits durchschaltet.

Die Erfindung ist an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Schaltungsbeispielen im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Steuerschaltung für den Betätigungsstrom von zwei wahlweise einschaltbaren Magnetventilen mit einer Auslösung der Stromsteuerung durch das Einschalten einer Magnetspule und

Fig, 2 eine Steuerschatlung für den Betätigungsstrom von mehreren wechselweise einschaitbaren Magnetventilen mit einer Auslösung der Stromsteuerung oei vier Magnetventilen durch das Ausschalten einer vorhergehenden Spule.

Der Aufbau der Schaltungen ist zunächst für beide Figuren ' gemeinsam erläutert, da sie weitgehend im Grundsätzlichen übereinstimmen. In den Figuren sind die Spulen der zu betätigenden Magnetventilen durch das schwarze rechteckige Schaltzeichen einer Induktivität dargestellt. Sie symbolisieren damit die Magnetventile und diese wiederum, sofern sie eingeschaltet sind, einen bestimmten Zustand der Anlage, die durch das elektrohydraulische Steuersystem,von dem lediglich dessen elektrischer Teil und auch nur zum Teil dargestellt ist, gesteuert wird. Zur Unterscheidung sind die in den Figuren vorkommenden Magnetventilspulen mit den Bezugszahlen I bis 7 gekennzeichnet. Die Schaltung ist für Gleichstrom dargestellt und die Spulen liegen alle mit einem Anschluß am Minuspol des aus der Batterie B₁ bzw. Bp gespeisten Gleieh-

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Stromnetzes, d.h. an Masse M. Vom Pluspol P her werden die Spulen über den überbrückbaren Vorwiderstand R . bzw. R _ mit Strom versorgt. Wie üblich sind elektrisch parallel zu den Spulen Funkenlöschdioden 8 bis 14 angeordnet.

Erfindungsgemäß ist der nur während der Anzugszeit des Magnetventiles überbrückte Vorwiderstand derart ausgelegt, daß der Spannungsabfall entlang dem Vorwiderstand vorzugsweise etwa 78 bis 9% der vollen Spannung des Gieichstromnetzes beträgt. Die im eingeschalteten Zustand an den beiden Enden zur Verfügung stehende Spannung ist dann nur noch 7 bis 22$ der vollen Netzspannung, das bedeutet aber, daß im Einschaltzustand nur etwa 0,5 bis 5# derjenigen elektrischen Leistung im Magnetventil verbraucht wird, die während des Anziehens (volle Spannung) aufgenommen wird, da in die Leistungsberechnung die Spannung quadratisch eingeht (N=U /R). Ein betriebssicheres Arbeiten erhält man auch bei starken Erschütterungen - Gefahr des Losreißens des elektromagnetisch hochgehobenen Magnetkernes -, wenn er mit 2% der Anzugsleistung festgehalten wird, also der Vorwiderstand auf einen Spannungsabfall von etwa 86$ ausgelegt wird. Dieser Vorwiderstand braucht auch bei mehreren hinsichtlich des Anzugsstromes zu steuernden Magnetventilen nur einmal in die Steuerschaltung mit aufgenommen zu^werden, da auch bei Zuschaltung eines weiteren Magnetventiles ein kurzer Stromstoß bei den bereits eingeschalteten Magnetventilen nicht, schadet.

Der dem Pluspol abgewandte Anschluß des Vorwiderstandes R * bzw. Rp ist an einen Schaltpunkt S₁ bzw. Sp angeschlossen, an dem im Normalbetrieb die reduzierte Spannung und wenn ein Magnet gerade anzieht, die volle Netzspannung herrscht.

Von diesem Leiter werden mittels Schalter I5 bis 18 die Spulen der Jeweils erforderlichen Magnetventile an die Stromversorgung angeschlossen bzw. von ihr abgeklemmt. Über den Hauptschalter 19 bzw. 20 kann die ganze Anlage ein- bzw. ausgeschaltet werden.

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Der weitere "Schaltungsaufbau ist nicht mehr beiden dargestellten Schaltungen gemeinsam, weshalb nun zunächst der weitere Aufbau der Schaltung nach Fig. 1 und deren Wirkungsweise erläu tert werden soll.

Die Stromsteuerungsschaltung nach Pig. I besteht im wesentlichen aus der aus Tx-ansistor T₁ und dem Relais Rl gebildeten Überbrückungssehaltung und dem aus dem Kondensator C₁ bzw. Cg und dem Widerstand R_cl zusammengesetzten, verzögernden R-C-Glied. Zu jeder Spule 1 bzw. 2 gehört jeweils ein Kondensator C₁ bzw.

Der ÜberDrückungsschalter 21 des Relais ist in Ruhestellung offen. Wird durch den Schalter I5 der positive Anschluß einer der Spulen 1 und 2 auf das Potential des Schaltpunktes S₁ gebracht, so fließt über den zugehörigen Kondensator ein zunächst relativ hoher Ladestrom, der auch über die Basis-Emitter-Strecke des Transistors fließt, der sofort durchschaltet, d.h. in seiner Kollektor-Emitter-Strecke weitend wird. Damit liegt mit einer Verzögerung von Mikrosekunden nach dem Schalten des Schalters an der Spule des_Relais Rl die volle Netzspannung und nach einer Verzögerung von wenigen Millisekunden, bis das Relais angezogen hat, liegt die volle Netzspannung auch an der mit dem Schalter 1-5 eingeschalteten Magnetventilspule. Der Magnetkern des eingeschalteten Ventiles wird angezogen. Gleichzeitig lädt sich der zugehörige Kondensator auf; die Ladespannung ist die durch den Widerstand R_cl verminderte Netzspannung. Die Größe des Widerstandes und der Kapazität bestimmen die Ladezeit. Mit zunehmender Sättigung des Kondensators nimmt dessen Ladestrom abj sinkt er unter den zum Durchschalten nötigen Schwellwert des Transistors ab, so wird dessen Basis-Emitter-Strecke wieder nichtleitend und das Relais Rl fällt ab. Die Zeitkonstante des R-C-Gliedes ist auf die Anzugszeit der Magnetventile (in der Größenordnung von 50 ms) ausgelegt, d.h. die Ladezeit des Kondensators ist etwas größer als die Anzugszeit-. Erst wenn das Magnetventil mit Bestimmtheit angezogen hat, darf das Relais abfallen und

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die Erregerleistung auf den für das Festhalten bei geschlossenem Eisenjoch noch nötigen Bruchteil aosinken.

Beim Umschalten wird die Stromzufuhr zu der bisher eingeschalteten Magnetspule für immer unterbrochen, ihr Magnetkern fällt ao. Für die stattdessen eingeschaltete oder für eine zusätzlich eingeschaltete Spule und deren Stromsteuerung vollzieht sich der Vorgang erneut genau wie oben beschrieben.

Grundsätzlich anders als bei der Schaltung nach Fif5. 1 wird die Stromsteuerung in der Schaltung gemäß Fig. 2 eingeleitet. Beim Aufstellen dieser Schaltung ging man davon aus, daß bei der elektrohydraulisch zu steuernden Anlage ein ölstrom ein- bzw. ausgeschaltet, während ein anderer aus- bzw. eingeschaltet wird. Diese Annahme ist für Steueranlagen von Umlaufräder-PKW-Getrieben eigentlich die Regel. Solche Getriebe werden bekanntlich durch hydraulisch betätigte Reibungskupplungen oder -bremsen geschaltet, und zwar derart, daß bei einem Gangwechsel die eine geöffnet bzw. geschlossen, während eine andere geschlossen bzw. geöffnet wird. Es kann z.B. angenommen werden, daß wenn die zu den Spulen 3 und l gehörenden Magnetventile angezogen haben (dargestellte Schalterstellung) der erste Gang eines Getriebes eingeschaltet ist. Beim Umschalten des Schalters 17 von rechts nach links wird der durch das Magnetventil u gesteuerte ölstrom abgeschaltet und dafür der durch das Ventil 5 gesteuerte freigegeoen. Durch diesen Wechsel wird vcm ersten auf den zweiten Gang geschaltet. Wird vollends Schalter Io von links nach rechts umgelegt, so vollzieht sich ein Gangweehsel von "zwei" nach "drei". Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Schalterstellung für· den angenommenen ersten Gang kann z.B. durch Zusätzliches Einschalten der Spule 7 der Rückwärtsgang des Getrieoes eingelegt werden.

Das besondere an der Schaltung nach Fig. 2 besteht in der Art der Auslösung der Stromsteuerung bei einer Umschaltung der Ventile. Auch wenn eine zeitliche Überschneidung der Arbeitszeiten der Magnetventile bei einer Umschaltung erforderlich ist, wird zuerst die Spule des einen Magnetventiles stromlos gemacht, bevor die andere angeschlossen wird. Dieser Vorgang erfolgt durch Umschalter ganz natürliclaj.Q gg ~ η ι η g c c

Durch das Abschalten einiss Stromverbrauchers kommt es am Schaltpunkt S_p zu einem Potentialanstieg. Diese kleine Spannungserhöhung iäßt iiDer den Kondensator C^, den Widerstand R,,, die Basis-Emitterstrecke des Transistors Tp sowie den Widerstand R^ einen Ladestrom für den Kondensator C₀ fließen. Durch diesen wie gesagt auch über die Basis-Emitterstrecke des Transistors Tp f lie-Sende η Elektronenstrorr, wird der Transistor durchgeschaltct, d.h. dessen KoI j.t ktur-Emitterstrecke wird leitend. Damit liegt die Basis-Emitterstrecke des Transistors T, über den Widerstand R₁, am Nf ti.; ein relativ starker Strom fließt, wodurch , seinerseits die Kollektor-Emitterstrecke dieses Transistors Leitend wird. Nunmehr ist üoer den Widerstand R₁, die Basis-Emitterstrecke des Tranaistors T₂^ ans Netz gelegt, wodurch er in seiner Kollektor-Emitterstrecke leitend wird und den Vorwiderstand Rp kurzschließt. Diese Dreistufen-Transistorschaltung ist nötig, um die hohen Anzugsströme (ca. 20A) wie sie zum Anziehen der Magnetkerne Voraussetzung sind, mit so geringen Strömen (Bruchteile einednA), wie sit der Ladestrom auf Grund eines Potentialanstieges in der Schiene Sp darstellen, schalten zu können. Der rechte mit 25 bezeichnete Tt.iL der Fig. 2 stellt gewissermaßen eine Stromvtrstärkerschaitung mit hohem Verstärkungsfaktor dar. Das sukzessive Durchschalten der einzelnen Transistoren geht unvorstellbar sonnell vor sich; soDald einer der Kontakte der Schalter li5 und 17 sich öffnet, ist auch schon der Vorwiderstand Rp durch den als Leistungstransistor ausgebildeten Transistor T^ überbrückt. In diesem Moment liegt die volle Netzspannung an der Schiene 'S^₁ und an der einen Seite des Kondensators C,. Durch diesen erneuten Potentialanstieg kommen die ganzen Transistoren, falls sie durch den ersten, kleinen Potentialanstieg noch nicht richtig durchgeschaltet haben sollten, richtig zum Durchgriff. Es handelt sich um eine Schaltungsanordnung, bei der ein winzig kleiner Potentialanstieg an der Schiene Sp ein lawinenartiges und sehr schnelles Anwachsen der Durchschaltleistung am Transistor IV auslöst. Diese Uoerorückung hält so lange an, wie auf Grund des ausgelösten Potentialanstieges ein ausreichend hoher Ladestrom über den Kondensator C-, fließt. In der Zwischenzeit muß der gegen-

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überliegende Kontakt des Umschalters Io oder IJ erreicht sein. Die Ladezeit für den Kondensator CU ist durch entsprechende Bemessung seiner Kapazität und der Größe der Widerstände Rp und R., so ausgelegt, daß mindestens so lange ein Ladestrom fließt, bis das neu eingeschaltete Magnetventil angezogen hat. Der Ladestrom nimmt mit zunehmender Aufladung nach einem exponentiellen Gesetz ab." Irgendwann unterschreitet der Ladestrom den Wert, der für ein Durchschalten des Transistors Tp mindestens nötig ist, d.h. der Ladestrom unterschreitet gegen Ende der Ladezeit den Schwellwerk des Transistoransprechstromes. Dieser Zeit- · punkt bzw. die durch ihn begrenzte Zeitspanne ist für die Erfindung von Interesse und diese Zeitspanne soll in diesem Zusammenhang die Ladezeit des Kondensators bedeuten. Beim Unterschreiten des Schwellwertes wird ganz analog zu dem oben oeschriebenen sukzessiven Durchschalten der drei Transistoren T₂,T-, und T₂, nacheinander jeder der Transistoren nichtleitendv Die Überbrückung des Vorwiderstandes R^ ^wJ-^rd also am Ende der Ladezeit des Kondensators C-* wieder aufgehoben. Es kommt an der Schiene Sp zu einem Potentialabfall, der ähnlich wie beim Ansprechen der Transistorreihe nun ein sich selbst verstärkendes Abschalten des elektronischen Schalters auslöst. Ein geringfügiges Unterschreiten der Ansprechschwelle des ersten Transistors Tp löst ein schlagartiges Abschalten der Vorwiderstand-Überbrückung aus. Damit der Kondensator C, und der unten in seiner Bedeutung erläuterte Kondensator C sich in den Pausen schnell entlädt, ist die Gleichrichterdiode 2} vorgesehen.

Die bisherigen Betrachtungen haben den Widerstand R und den Kondensator C außer Acht gelassen. Diese Schaltelemente beeinflussen nicht die Funktion der Überbrückungsschaltung 25 der drei Transistoren, sondern dienen einer zeitlichen Überschneidung der Einschaltzeiten bei einem Wechsel von Spule 3 nach 4. Für das Verständnis einer derart beabsichtigten Gangüberschneidung sei gesagt, daß das Ansprechen der ÜDerbrückungsschaltung mit den drei Transistoren ganz wesentlich rascher vor sich geht als das Ab-

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fallen des Magnetkernes in dem Magnetventil. Ehe sich nach dem öffnen des linken Kontaktes des Schalters 16 der bewegliche Kern des Magnetventiles ) von der übrigen festen Eisenummantelung nennenswert entfernt und sich ein größerer Luftspalt gebildet hat, ist bereits der Vorwiderstand Rp überbrückt und an der Schiene Sp liegt die volle Netzspannung. Das bedeutet, daß, wenn der Widerstand R in seiner Größe so bemessen ist wie der Widerstand R ₂, die Spule 3 trotz Abschalten mittels Schalter Io nach · wie VQr von einem der Halteerregung entsprechenden Strom durchflossen wird und das Magnetventil in seiner vorherigen Arbeitsstellung verharrt. Dieses Verharren dauert so lange an,als der Vorwiderstand R ρ überbrückt ist. Wird die überbrückung aufgehoben, so liegen in der Stromzuführung zur Spule 3 zwei Widerstände; ,damit wird der Spannungsabfall bis zur Spule 3 so groß, daß die Restspannung nur noch einen so kleinen Erregerstrom durch die Spule 3 fließen lassen kann, daß das dadurch hervorgerufene Magnetfeld den Kern des Magnetventiles nicht mehr zu halten vermag und es in seine Ruhestellung zurückkehrt. Die Zeit, bis die Überbrückung des Vorwiderstandes R ₂ beim Umschalten des Schalters 16 von links nach rechts wieder aufgehoben wird, d.h. bis das Magnetventil der Spule j5 in Ruhestellung geht - diese Spanne ent- ' spricht der Einschait-Überschneidungszeit der Magnetventile beim Wechsel von 3 nach 4 - wird beeinflußt durch die Größe des Kondensators C . Im Moment, in dem der rechte Kontakt des Schalters . schließt, liegt der Kondensator C elektrisch parallel zum Kondensator CU. Die Zeitkonstante des R-C-Gliedes erhöht sich dadurch. Man hat es durch entsprechende Bemessung des Kondensators C in der Hand, die gemeinsame Ladezeit der beiden Kondensatoren des neuen R-C-Gliedes so zu verlängern, daß sich die Überschneidungszeit ergibt. An sich könnte man auch ganz auf den Kondensator C verzichten und den Kondensator C^, von vornherein so groß machen, daß dessen Ladezeit der Überschneidungszeit entspricht. Dies hat *; jedoch den allerdings nur geringen Nachteil, daß bei jedem Wechsel ^: von einem der Magnetventile auf ein anderes der Leistungstran- ; sistor T₁. und natürlich auch die Transistoren T₂ und T-, eine an ) sich nicht nötig lange Zeit belastet werden. Bei extrem hoher '

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Schalthäufigkeit kann die relative Einschaltdauer der Transistoren so hoch werden, daß in den Schaltpausen der Transistoren diese sich nicht mehr auf die Umgebungstemperatur abkühlen können und sich eventuell unzulässig erwärmen. Die mittlere Einschaltdauer ist Dank des Kondensators C_tt auf das unbedingt nötige Maß reduziert, da nur bei den Wechseln, bei denen eine Überschneidung gefordert wird, nämlich z.B. von Spule 3 nach 4, die Einschaltzeit des Transistors lang (z.B. 0,3 Sekunden) und sonst kurz (z.B. 20 ms) ist.

In der Schaltung nach Fig. 2 ist auch eine zu einem Magnetventil gehörige Spule 7 gezeigt, die ohne das vorherige Abschalten eines anderen Stromverbrauehers eingeschaltet wird. Um dennoch einen die überbrückungsschaltung auslösenden geringen Strom beim Einschalten der Spule 7*über die Basis-Emitterstrecke des Eingangstransistors Tp fließen lassen zu können, ist ein bei geschlossenem Schalter 18 elektrisch zum Kondensator C-, parallelgeschalteter Kondensator Cu vorgesehen, der in seiner Kapazität um mehrere Größenanordnungen kleiner ist als der Kondensator C,. Damit der Ladestrom auch tatsächlich über die Basis-Emitterstrecke des Eingangstransistcrs und nicht über den Kondensator C, fließt, ist zwischen dem Anschlußpunkt 24 des Kendensators C₁. und "dem Kondensator C, eine zu diesem Kondensate· hin sperrende Gleichrichterdiode 2u vorgesehen. Nach dem Schließen des Schalters 18 fließt ein kleiner Ladestrom,der in bekannter Weise das Tätigwerden der UberDrUckungsschaltung 2^ anstößt. Wird die Spule 7 durch den Schalter 18 wieder von der Stromzufuhr getrennt, so kommt es zwar zu einem die Überbrückungsschaltung 25 auslösenden Potentialanstieg und somit zu einer kurzzeitigen Ubererregung der übrigen eingeschalteten Spulen; das macht aber nichts.

Durch die Erfindung wird ein mit Platz und Gewichtsfragen verknüpftes Energieproblem gelöst. Magnetventile sind bekanntlich, je nach erforderlicher relativer Einschaltdauer, mit Rücksicht auf die bei größerer Einschaltzeit zunehmende Erwärmung durch die Erregerleistung elektrisch mehr oder wenig stark zu dimensionieren;

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ein Hubmagnet für 15$ relative Einschältdauer ist wesentlich kleiner, leichter und billiger als ein gleichstarker Hubmagnet für 100$ Einschaltdauer. Diese Grööenunterschiede sind rein thermisch bedingt. Entscheidend ist nicht die zeitliche Einschaltdauer, sondern die in den Hubmagneten im zeitlichen Mittel eingetragene elektrische Leistung. Der Erfinder hat aus dieser Tatsache die Konsequenz gezogen und beaufschlagt die Spule nur in der kurzen Zeit, in der eine starke Erregung eines Magnetflusses nötig ist, stoßartig mit einer hohen Leistung. In der übrigen Zeit senkt er den Erregerstrom dzw. die -leistung auf das bei dem nunmehr geschlossenen Eisenjoch des Hubmagneten unbedingt zum Halten des Kernes nötige Maß ab. Im Fall der Magnetventile reichen hierzu 2% der Anzugsleistung aus. D.h. ein"nach der Erfindung im Erregerstrom gesteuertes Magnetventil mit zeitlich gesehen 100$ Einschaltdauer braucht nur so groß wie ein nach herkömmlichen Methoden betätigtes und ausgelegtes Magnetventil mit nur 2% Einschaltdauer ausgelegt zu werden, da der Leistungseintrag und die Erwärmung in beiden Fällen gleich ausfallen. Dadurch sind bei den hohen geforderten Einschaltzeiten Reduzierungen sowohl im Bauvolumen als auch im Preis und im Gewicht auf etwa 1/10 bis 1/20 gegenüber Magnetventilen der herkömmlichen Steuerung möglich.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen darin, daß Magnetspulen die für hohe mittlere zeitliche Einschaltdauer vorgesehen sind, mit durchaus erträglichem Aufwand an Bausteinen, die heutzutage billig und massenweise hergestellt werden, so klein und leicht ausgelegt und su billig hergestellt werden können, wir Magnetspulen für extrem niedrige mittlere Einschaltdauer. Der Schaltungsaufwand ist billiger als die Preisdifferenz eines Magnetventils für 100$ re.latj.ve Einschaltdauer herkömmlicher Betriebsweise (von 100$ relativer Einschaltdauer spricht man, wenn in einen-, Schaltspiel die Beharrungstemperatur erreicht wird) gegenüber einer solchen für nur 5$ liinschaitdauer, d.h. der Schaltungsaufwand lehnt sich a j. Ie in preislich selbst oei nur einem einzigen Magnetventil, ganz abgesehen von den Platz und Gewichtsvorteilen. Ganz beträchtlich wird die Ersparnis bei elektrohydraulischen Steuerungsanlagen -oder bei sonstigen Anlagen mit Hub-

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magneten, in denen mehrere Hubmagnete vorgesehen sind. Eine Ersparnis ist auch dann zu erzielen, wenn die relative Einschaltdauer der Magnetventile nur gering, z.B. 10$ beträgt, da der Leistungseintrag bei Betriebsweise gemäß der Erfindung noch kleiner ist und die Spulen unter Zuhilfenahme der Erfindung auch bei nur 10$ Einschaltdauer thermisch noch kleiner ausgelegt werden können als bei herkömmlicher Betriebsweise.

Heidenheim (Brenz), den 4. November 19b8
Pö/HKn

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Claims (1)

1. ap/A 2894 ^Voitn

   Kennwort: "Elektronische Ventilsteuerung" Heidenheim (Brenz)

   Patentansprüche .

   [I) Verfahren für das Betätigen eines über lange Zeiträume in ^— Aroeitsstellung zu haltenden Magnetventils, Hubmagneten o. dgl. mit einer zum Anziehen des oeweglichen Magnetkernes an eine Spannungsquelle anzuschließenden Magnetspule und mit einem nur in angezogenem Zustand des beweglichen Magnetkernes geschlossenen, den erregten Magnetfluß kurzschließenden Eisenummantelung, Eisenjoch o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß in an sich oekannter Weise während der Zeit des Anziehens des beweglichen Magnetkerns die Spule zunächst an eine hohe Anzugs-Spannungsquelle (100$) zur Erregung eines hohen Anzugsmagnetflusses in dem noch offenen Joch und nach angezogenem Magnetkern während der ganzen Aroeitszeit des Magnetventiles an eine geringe,vorzugsweise etwa 5 Dis 22$ gegenüber dem Anzugspannung betragende Haitespannung zur Erregung eines Haltemagnetflusses in dem nun geschlossenen Joch gelegt wird. y ,

   2) Verfahren nach Anspruch 1, dad. gekennzeichnet, daß die Erregerspule des Magnetventiles nahezu ständig an die geringe Haltespannung (5-22$) gelegt wird und daß zum Anziehen des Magnetkernes die· Erregerspule kurzzeitige bis das Joch geschlossen ist, an eine hpha JLQp^L Anzugsspannung gelegt

   UUaoZ //UbOO

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   wird und daß zum Abfallen des Magnetkernes in die Ruhestellung jegliche Stromzufuhr wenigstens kurzzeitig, bis der Magnetkern abgefallen und das Joch ganz geöffnet ist, unterbrochen wird.

   3) Schaltung für Gleichstrom zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stromzuführungsleitung zur Erregerspule (eine der Spulen 1 bis 7) des Magnetventiles ein durch eine Umgehungsleitung und einen darin angeordneten^ elektrisch betätigten oder elektronisch gesteuerten,in Ruhestellung geöffneten Sehalter (21 bzw. T4) Uberbrückbarer Ohm¹scher Widerstand (R , bzw. R_v2) sowie ein in Serie zum Widerstand liegender weiterer^ vorzugsweise eoenfalls elektrisch betätigter oder elektronisch gesteuerter, in Ruhestellung offener Schalter (19 bzw. 2>) zum Ein- und Ausschalten dt: '""gne tv en tiles angeordnet ist, und daß eine Vcrzogerungsschaitung (C,/Cp und R_cl Dzw. C-, und Rp/R,) für das verzögerte öffnen des parallel zum Widerstand liegenden Schalters (21 bzw. TO ab Einschalten des Einschaiters vorgesehen ist.

   4) Schaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, da3 die Verzögerungsschaltung derart ausgebildet ist, daß parallel zur Erregerspule des Magnetventiles die Serienschaltung eines Kondensators (C₁ZCp bzw. CU), eines Olim¹ sehen Widerstandes (R , bzw. Rp/R ) und die Steueranschlüsse eines

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   elektrisch betätigten oder elektronisch gesteuerten
   Schalters (T₁ bzw. T_g) angeordnet ist, und daß dieser
   Schalter wenigstens mittelbar in Serie mit den Steueranschlüssen des in der Umgehungsleitung liegenden Schalters (21 bzw. T^) geschaltet ist.

   5) Schaltung nach Anspruch 4 mit als elektronisch gesteuertem Schalter ausgebildeten, den Vorwiderstand überbrückenden Schalter, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronisch
   gesteuerter Schalter ein Transistor vorgesehen ist, der mit seiner Basis-Emitter-Strecke mit dem R-C-Glied in Serie geschaltet ist.

   o) Schaltung nach Anspruch 4 bei der der den Vorwiderstand überbrückende Schalter elektronisch gesteuert ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Sehalter als eine dreistufige transistorisierte Stromverstärkerschaltung
   (25) ausgebildet ist.

   7) Schaltung nach Anspruch 6 für die Steuerung des Betätigungsstromes mehrerer, selektiv einzuschaltender Magnetventile für die Steuerung eines Mehrganggetriebes, dessen Gänge hydraulisch geschaltet werden und bei dem zum Gangwechseln wenigstens ein Magnetventil aus- und ein anderes eingeschaltet wird, gekennzeichnet durch folgende Schaltungsmerkmale:

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   -ν

   a) Die Magnetspulen (3 bis 7) liegen mit ihrem einen Ende alle am Minuspol (M) des Gleichstromnetzes (an Masse) und mit ihrem anderen Ende an dem einen Kontakt jeweils eines Betätigungsschalters (16,17 bzw. 18).

   b) Die anderen Kontakte der Betätigungsschalter liegen an einer Stromschiene (Sg).

   c) Zwischen der Stromschiene (Sp) und dem Pluspol (P) des Gleichstromnetzes liegt der den Erregerstrom der Magnetventile auf den der Halteerregung entsprechenden Strom begrenzende Vorwiderstand (R _).

   d) Zwischen der Stromschiene (Sp) und dem Minuspol (M) liegt in folgender Reihenfolge von der Stromschiene (Sp) aus gezählt die Serienschaltung eines Kondensators (C„), eines Ohm¹sehen Widerstandes (Ersatzwiderstand von Rp und R,)' und der Basis-Emitterstrecke des Eingangstransistors (Tp) der dreistufigen Stromverstärkerschaltung (25).

   e) Die Kollektor-Eiriitterstrecke des Ausgatigstransistors (Tj.) der Strcmverstärker'kchaltung (25.) liegt zwischen dem Pluspol (P) und der Stromschiene (Sp).

   8) Verfahren zum Betrieb der Schaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die beim Gangwechsel nicht mehr nötigen Magnetventile stromlos gemacht werden und kurze Zeit

   später das oder die nun erforderlichen Magnetventile eingeschaltet werden. 009827/0655

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   9) Schaltung nach Anspruch J für ein Getriebe, deren Gänge ohne zeitliche Überschneidung geschaltet werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ohm¹sehen Widerstand (Rp) und dem Eingangswiderstand (R,) der Stromverstärkerschaitung (25) entsprechende Ersatzwiderstand (R^ + R,) und die Kapazität des Kondensators (C^) des R-C-Gliedes auf eine der Anzugszeit der Kerne der Magnetventile (2-7) entsprechende Zeitkonstante ausgelegt sind.

   10) Schaltung nach Anspruch 7 für ein Getriebe, deren Gänge wenigstens zum Teil zugkraftunterbrechungsfrei mit zeitlicher Überschneidung gewechselt werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt für die Magnetspulen (jj) derjenigen Gänge, die während des Gangwechsels noch eingeschaltet bleiben sollen einerseits und der Stromschiene (Sp) andererseits jeweils ein Ohm¹scher Widerstand (R ) von etwa der Größe des Vorwiderstandes * (R_v2) eingeschaltet ist und daß die Zeitkonstante des R.rC- · Gliedes auf die erforderliche Uberschneidungszeit ausgelegt

   ist. :

   i'l ) Schaltung nach Anspruch J für ein Getriebe, deren Gänge wenigstens zum Teil zugkraftunterbrechungsfrei mit zeitlicher. Überschneidung gewechselt werden sollen, dadurch gekennteicnWt# daß zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt für die Magnetspulen (3) derjenigen Gänge, die während de« .^ingwechsej^f eingeschaltet bleiben sollen einerseits und der Stromschien·

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   BAD ORIGINAL ~ *

   andererseits Jeweils ein Ohm*scher Widerstand (R_u) von etwa der Größe des VerWiderstandes (R_y2) eingeschaltet ist, daß ferner zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt der beim Gangwechsel neu einzuschaltenden Spulen einerseits und dem Anschluß (27) unmittelbar nach dem Kondensator (C,) des R-C-Gliedes andererseits ein weiterer Kondensator (C_u) eingeschaltet ist und daß die Zeitkonstante des aus diesen beiden Kondensatoren (C_u +C,) sowie den Widerständen (Rg + R₅) zusammengesetzten R-C-Gliedes auf die überschneidungsze,it ausgelegt ist.

   12) Schaltung nach Anspruch 7, 9, oder 11. zur Steuerung des Betätigungsstromes von Magnetventilen fUr die Steuerung eines Mehrganggetriebes, dessen Gänge hydraulisch geschaltet werden und bei dem zum Gangweehseln lediglich wenigstens ein Magnetventil zusätzlich betätigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem spulenseitigen Schalterkontakt all derjenigen . Magnetspulenschalter (lö) deren Magnetventile (7) bei einem Gangwechsel jeweils zusätzlich Detätigt werden einerseits und dem Leiter (2¹O zwischen dem Kondensator (C,) und dem Ohm¹sehen Widerstand (Rp) des R-C-Gliedes andererseits jeweils ein kleiner Kondensator (C^) eingeschaltet ist, und daß zwischen dem Kondensator (C,)des R-C-Gliedes und dieser Anschlußstelle (24) eine vom Kondensator (C,) zum widerstand (Rp) des R-C-Gliedes durchlässige Gleichrichterdiode (26) in Serie eingeschaltet ist.

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   13) Schaltung nach Anspruch 7,9,lCjUoder 12, dadurch gekenn« .' zeichnet, daß an einem Schaltpunkt (27) unmittelbar nach . dem Kondensator .(C,) des R-C-Oliedes und dem Minuspol (M)." des Qleichstromnetzes eine in Richtung vom Kondensator (C,) zur Masse sperrende Qleichrichterdlode (2J) eingeschaltet ist. ·

   Heidenheim (Brenz), den 4« Moy-, I968
   Pö/HKn

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   SAD ORiGINAL