DE19638260C2 - Schaltungsanordnung zur Steuerung von kleinen Magnetspulen, insbesondere für Magnetventile - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Steuerung von kleinen Magnetspulen, insbesondere für MagnetventileInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung
von kleinen Magnetspulen, insbesondere für Magnetventile, nach der
Gattung des Anspruchs 1.
Insbesondere wenn Magnetventile bzw. Magnetspulen zu Ventil
gruppen zusammengefaßt sind, treten vor allem im Dauerbetrieb
Wärmeprobleme auf, da sich die dicht gepackten Spulen gegen
seitig aufheizen und die nutzbare Oberfläche zur Wärmeab
strahlung reduziert wird. Kommt dann noch die Verlustwärme
der Kontroll- und Steuerelektronik hinzu, so besteht die Ge
fahr, daß die zulässigen Temperaturgrenzen der Magnetventile
bzw. Magnetspulen erreicht oder überschritten werden. Ande
rerseits geht eine Reduzierung der Spulenleistung und eine
Vergrößerung der Vorsteuerstufen negativ in das Schaltverhal
ten der Magnetventile ein. Eine Reduzierung der zulässigen
maximalen Umgebungstemperatur engt die Einsatzgebiete ein und
wird vom Markt nicht akzeptiert. Das gleiche gilt für eine
aktive Kühlung durch Gebläse.
Eine aus der DE-AS 11 49 788 oder der DE 33 05 674 A1 bekann
te Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung weist
eine elektronische Stromabsenkungseinrichtung auf, um einer
seits die notwendige mechanische Kraft zum Schalten der Ma
gnetspule aufzubringen und andererseits gleichzeitig die Ver
lustwärme zu senken. Während der Anzugsphase (Hochstromphase)
wird zunächst ein hoher Anzugsstrom erzeugt, der die notwen
dige mechanische Anzugskraft garantiert. Nach Ablauf der Zeit
eines Zeitglieds wird dann der Strom auf ein niedrigeres Ni
veau abgesenkt, daß noch das Beibehalten der erreichten Stel
lung, beispielsweise Ventilstellung, in jedem Fall garan
tiert. Diese Absenkung erfolgt dadurch, daß ein elektroni
scher Schalter öffnet, wodurch dann der Strom durch die Ma
gnetspule über einen Strombegrenzungswiderstand fließen muß.
Bei einer aus der DE 39 10 810 A1 bekannten Schaltungsanord
nung wird die Absenkung des Spulenstroms nach der Anzugsphase
auf einen Nominalstrom mittels Taktung eines im Stromkreis
der Magnetspule geschalteten Schalters erreicht. Um die An
steuerung der Magnetspule optisch anzuzeigen, dient eine par
allel zur Magnetspule geschaltete Leuchtdiode. Diese benötigt
einen zusätzlichen Betriebsstrom, der insbesondere bei sehr
kleinen Magnetspulen in der Größenordnung des Spulenstroms
liegen kann, wodurch vor allem bei zu Ventilgruppen zusammen
gefaßten kleinen Magnetspulen eine unerwünschte und unzuläs
sige zusätzliche Erwärmung auftritt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Be
triebszustand der Magnetspule so anzuzeigen, daß die Erwär
mung und die erforderliche Energie insgesamt möglichst nied
rig bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An
spruchs 1 gelöst.
Die in Reihe zum Strombegrenzungswiderstand geschaltete
Leuchtdiode (LED) dient in vorteilhafter Weise als Zustand
sanzeige, wobei sie gleichzeitig zur Reduzierung der Spulen
leistung im Nominalbetrieb beiträgt, d. h., sie wird mit einer
in einem Strombegrenzungszweig ansonsten unnütz verbrauchter
Energie betrieben. Hierdurch verringert sich die erzeugte
Wärme und Verlustleistung insgesamt, wodurch kleinere und
kompaktere Magnetventile bzw. Ventilgruppen realisiert werden
können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im An
spruch 1 angegebenen Schaltungsanordnung möglich.
Bei Spulenströmen, die den maximal zulässigen LED-Strom über
schreiten, ist die Leuchtdiode zweckmäßigerweise durch einen
Strom-Bypass überbrückt, der vorzugsweise durch einen als
Stromquelle geschalteten Transistor gebildet wird.
Als Halbleiterschalter eignet sich ein FET.
Die aus der Magnetspule und dem Halbleiterschalter bestehende
Reihenschaltung ist zweckmäßigerweise mit vom Schaltsignal
beaufschlagbaren Anschlüssen der Schaltungsanordnung verbun
den, so daß das Schaltsignal gleichzeitig zur Stromversorgung
der Schaltungsanordnung und der Magnetspule dient.
In einer sehr einfachen und daher vorteilhaften Ausbildung
des Zeitglieds wird dieses durch eine aus einem Widerstand
und einem Kondensator bestehende Reihenschaltung gebildet,
die parallel zu der aus der Magnetspule und dem Halbleiter
schalter bestehenden Reihenschaltung liegt. Der Verknüpfungs
punkt zwischen dem Widerstand und dem Kondensator ist in vor
teilhafter Weise mit dem Steueranschluß des Halbleiterschal
ters verbunden, so daß dieser sowohl einerseits als Umschalt
transistor zwischen den beiden unterschiedlichen Stromphasen
und andererseits als Bestandteil des Zeitglieds dient. Zweck
mäßigerweise bildet dabei die am Widerstand abfallende Span
nung die Steuerspannung für den Halbleiterschalter.
Zum Schutz des Halbleiterschalters ist parallel zum Wider
stand eine Z-Diode geschaltet, die beispielsweise die an die
ser Stelle auftretenden Spannungen auf maximal 15 V begrenzt.
Um die Schaltungsanordnung verpolsicher zu machen wird ihr
als zusätzlicher Schutz das Schaltsignal über eine Verpol
schutzdiode zugeführt. Zum Schutz gegen hohe Spannungsspitzen
und kapazitive Störungen im Schaltsignal kann noch eine wei
tere Schutzdiode vorgesehen sein, die die mit dem Schaltsi
gnal beaufschlagten Anschlüsse der Schaltungsanordnung über
brückt, und gleichzeitig die Funktion der Freilaufdiode beim
Abschalten der Spule erfüllt, wodurch die hohen negativen
Spannungsspitzen unterdrückt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar
gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungs
anordnung,
Fig. 2 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs
weise und
Fig. 3 eine mit einem Bypass versehene Leuchtdiode für
größere Spulenströme.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 10 dient zur
Steuerung einer Magnetspule 11, die schematisch mit einem ohm
schen und einem induktiven Anteil dargestellt ist. Bei dieser
Magnetspule 11 handelt es sich beispielsweise um die Magnet
spule eines Magnetventils, jedoch kann die Magnetspule 11 auch
für einen sonstigen Elektromagneten oder ein sonstiges Stell
glied vorgesehen sein. Diese Magnetspule 11 ist an zwei Aus
gangsanschlüsse 12, 13 der Schaltungsanordnung 10 angeschlos
sen. An zwei Eingangsanschlüsse 14, 15 der Schaltungsanordnung
10 werden Schaltsignale 5 für die Magnetspule 11 angelegt. Die
Schaltungsanordnung 10 kann somit in die Zuleitungen zu einer
Magnetspule 11 auch noch nachträglich geschaltet werden.
Der Eingangsanschluß 14 ist über eine Verpolschutzdiode 16 mit
dem Ausgangsanschluß 12 verbunden, und der Eingangsanschluß 15
ist über die Schaltstrecke eines FET 17 mit dem Ausgangsan
schluß 13 verbunden, so daß die Magnetspule 11 mit dem FET 17
eine Reihenschaltung bildet. Anstelle eines FET kann prinzipi
ell auch ein anderer Schalttransistor oder ein anderer Halblei
terschalter eingesetzt werden.
Parallel zur Schaltstrecke des FET 17 liegt die Reihenschaltung
einer Leuchtdiode (LED) 18 mit einem Strombegrenzungswiderstand
19.
Parallel zu der aus der Magnetspule 11 und dem FET 17 bestehen
den Reihenschaltung liegt eine weitere, aus einem Kondensator
20 und einem Widerstand 21 bestehende Reihenschaltung, zu der
wiederum eine Schutzdiode 22 als Schutz gegen kapazitive Stö
rungen und eingangsseitige hohe Spannungsspitzen parallelge
schaltet ist, die auch als Freilaufdiode für die Spule fun
giert. Der Verknüpfungspunkt zwischen dem Kondensator 20 und
dem Widerstand 21 ist mit dem Gate des FET 17 verbunden. Dabei
überbrückt der Widerstand 21 die Gate-Source-Strecke des FET
17. Parallel zum Widerstand 21 liegt eine Spannungsbegrenzungs
diode 23, die zum Schutz des FET 17 dessen Gate-Source-Spannung
auf beispielsweise maximal 15 V begrenzt.
In einem einfacheren Ausführungsbeispiel kann auch auf die Di
oden 16 und 23 verzichtet werden, sofern beispielsweise keine
Spannungsspitzen oder Verpolungen auftreten können und sofern
die Versorgungsspannung geringer als die maximal zulässige
Gate-Source-Spannung ist.
Auch auf die Leuchtdiode 18 kann bei einer einfachen Ausführung
verzichtet werden.
Die Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei
spiels wird im folgenden anhand des in Fig. 2 dargestellten
Signaldiagramms erläutert. Wird ein Schaltsignal S an die Klem
men 14, 15 angelegt, so ist der FET 17 zunächst stromleitend,
und es baut sich ein Spulenstrom Is als Nominalstrom der Ma
gnetspule 11 auf. An der Magnetspule 11 liegt dabei die größt
mögliche Spannung Us. Dieser hohe Spulenstrom Is zu Beginn ge
währleistet ein sicheres Schalten beispielsweise eines mit der
Magnetspule 11 versehenen Magnetventils.
Im folgenden lädt sich nun der Kondensator 20 über den Wider
stand 21 auf, bis die Spannung am Widerstand 21 so weit abge
fallen ist, daß der FET 17 sperrt. Dies erfolgt zum Zeitpunkt
t1. Sowohl der Spulenstrom Is, wie auch die Spulenspannung Us
sinken nun auf einen deutlich niedrigeren Wert ab, d. h. es
fließt jetzt nur noch ein Haltestrom durch die Magnetspule 11,
durch die der erreichte Schaltzustand aufrechterhalten wird.
Dieser reduzierte Haltestrom wird dadurch erreicht, daß nach
dem Sperren des FET 17 der Spulenstrom nun durch den Strombe
grenzungswiderstand 19 fließen muß. Gleichzeitig wird die
Leuchtdiode 18 eingeschaltet und zeigt des eingeschalteten Zu
stand der Magnetspule 11 an. Der Kondensator 20 bildet daher
zusammen mit dem Widerstand 21 und dem FET 17 ein Zeitglied,
das die Dauer der anfänglichen Hochstromphase bzw. des Anzugs
stroms in der gewünschten Weise begrenzt. Gleichzeitig dient
der FET 17 zur Umschaltung zwischen dem vollen Spulenstrom und
dem durch den Strombegrenzungswiderstand 19 reduzierten Spulen
strom in der Haltestromphase. Mit dem Ende des Schaltsignals S
bricht auch die Spulenspannung zusammen und der Spulenstrom Is
reduziert sich bis zum Wert 0.
Die in Fig. 3 dargestellte Abwandlung ersetzt die Leuchtdiode
18 gemäß Fig. 1 für den Fall, daß der Spulenstrom durch die
Magnetspule 11 den maximal zulässigen Strom durch die Leuchtdi
ode 18 überschreitet. Aus diesem Grunde ist die in Reihe zu ei
nem Widerstand 24 geschaltete Leuchtdiode 18 durch die Schalt
strecke eines Transistors 25 überbrückt, wobei der Verknüp
fungspunkt zwischen der Leuchtdiode 18 und dem Widerstand 24
mit der Basis des Transistors 25 verbunden ist. Der Transistor
25 ist dadurch als Stromquelle geschaltet, durch die ein By
pass-Strom an der Leuchtdiode 18 vorbei gebildet wird, um den
Leuchtdiodenstrom auf das zulässige Maß zu reduzieren.
Durch die in Folge der geringen Zahl von Bauelementen erreich
bare kleine Baugröße der Schaltungsanordnung kann diese bei
spielsweise in einem Stecker für eine Magnetspule bzw. ein Ma
gnetventil untergebracht werden.
Claims (11)
1. Schaltungsanordnung zur Steuerung von kleinen Magnetspu
len, insbesondere für Magnetventile, mit einem in Reihe zur
Magnetspule geschalteten, diese während eines vorgebbaren
Zeitintervalls ab dem Beginn eines Schaltsignals mit einem
hohen Anzugsstrom beaufschlagenden Halbleiterschalter und mit
einem dieses Zeitintervall vorgebenden und danach eine Um
schaltung auf einen verringerten Haltestrom für die Magnet
spule vornehmenden Zeitglied, wobei parallel zur Schaltstrec
ke des nach dem vorgebbaren Zeitintervall durch das Zeitglied
vom stromleitenden in den gesperrten Zustand umgeschalteten
Halbleiterschalter ein Strombegrenzungswiderstand geschaltet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem parallel zur Schalt
strecke geschalteten Strompfad eine Leuchtdiode (18) in Reihe
zum Strombegrenzungswiderstand (19) geschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Leuchtdiode (18) zur Begrenzung des Dioden
stroms durch einen Strom-Bypass (25) überbrückt ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Strom-Bypass (25) durch einen Transistor
gebildet wird, der insbesondere als Stromquelle geschaltet
ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter
(17) als FET ausgebildet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Magnet
spule (11) und dem Halbleiterschalter (17) bestehende
Reihenschaltung mit vom Schaltsignal (S) beaufschlagbaren
Anschlüssen (14, 15) der Schaltungsanordnung (10) ver
bunden ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der aus
der Magnetspule (11) und dem Halbleiterschalter (17)
bestehenden Reihenschaltung eine weitere, das Zeitglied
bildende und aus einem Widerstand (21) und einem Kondensa
tor (20) bestehende Reihenschaltung liegt.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verknüpfungspunkt zwischen dem
Widerstand (21) und dem Kondensator (20) mit dem Steuer
anschluß des Halbleiterschalters (17) verbunden ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die am Widerstand (21) abfallende
Spannung die Steuerspannung für den Halbleiterschalter
(17) bildet.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß parallel zum Widerstand eine Spannungs
begrenzungsdiode, insbesondere eine Z-Diode, geschaltet ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihr das Schalt
signal (S) über eine Verpolschutzdiode (16) zuführbar ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere
Schutzdiode (22) gegen Spannungsspitzen die mit dem
Schaltsignal (S) beaufschlagten Anschlüsse (14, 15) der
Schaltungsanordnung überbrückt.
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