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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur Erzeugung eines
durch eine Magnetspulenanordnung fließenden, durch Taktung geregelten Spulenstroms,
mit Umschaltmitteln zur Umschaltung von einem anfänglich höheren Anzugsstrom
nach einer vorgebbaren Anzugszeitdauer auf einen niedrigeren Halte-
oder Betriebsstrom.
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Eine
derartige, beispielsweise aus der
DE 29715925 U1 bekannte Schaltungsvorrichtung
dient beispielsweise bei Magnetventilen zum sicheren Auslösen des
Schaltvorgangs durch einen höheren Anzugsstrom,
wobei anschließend
auf einen niedrigeren Haltestrom umgeschaltet wird, um Energie zu sparen
und die Erwärmung
möglichst
gering zu halten. Der Haltestrom wird dann durch Taktung auf einen
vorgegebenen Wert geregelt, der sicherstellt, dass der gewünschte Schaltzustand
erhalten bleibt. Dies stellt auch so lange kein Problem dar, als
die Versorgungsspannung nicht zu sehr absinkt. Ein Absinken der
Versorgungsspannung kann zunächst durch
Verändern
des Tastverhältnisses
der getakteten Spannung kompensiert werden. Dies geht allerdings
nur so lange, bis das Tastverhältnis
1 erreicht wird,
sodass die Versorgungsspannung dann direkt und ungetaktet anliegt.
Bei weiterem Absinken der Versorgungsspannung nimmt der Strom dann
ab. Dies kann beispielsweise schon bei relativ kurzen Stromschwankungen
dazu führen,
dass der Anker abfällt
und der Schaltzustand sich in unerwünschter Weise ändert. Erreicht
die Versorgungsspannung dann wieder ihren ursprünglichen Wert, so reicht dies gewöhnlich nicht
zum erneuten Anziehen des Ankers aus, da nur auf den Haltestrom
geregelt wird.
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Um
derartige Störungen
zu erkennen, wurde bisher üblicherweise
die Versorgungsspannung überprüft und bei
Absinken unter einen vorgebbaren Grenzwert eine Meldeeinrichtung
aktiviert. Nachteilig an einer solchen Überprüfung ist das ungenaue Messverfahren,
wobei darüber
hinaus der Spulenstrom nicht ausschließlich nur von der Versorgungsspannung,
sondern unter anderem auch vom Spulenwiderstand, der Spulentemperatur
usw. abhängig ist.
Dies führt
zu häufigen
unnötigen
Alarm- und Meldesignalen, das heißt, derartige Meldungen sind
unzuverlässig.
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Aus
der
DE 196 47 215
A1 und aus der
DE 195
29 433 A1 ist es bekannt, zum möglichst sicheren Betrieb von
elektromagnetischen Stellgliedern die Ansteuerung der Endstufen
zu überwachen.
So wird gemäß der
DE 196 47 215 A1 die
Taktung durch eine LED im Freilaufkreis eines induktiven Verbrauchern
kontrolliert. Gemäß der
DE 195 29 433 A1 wird der
durch den Energieabbau im induktiven Verbraucher hervorgerufene
Abschalt- oder Freilaufstrom zu bestimmten Zeiten einer Strommesseinrichtung
zugeleitet und zur Überprüfung der
Endstufe einschließlich
der Last ausgewertet.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine derartige Schaltungsvorrichtung
zu schaffen, die nicht nur kritische Zustände sicherer detektiert, sondern
die zusätz lich
automatische Gegenmaßnahmen
zur Verhinderung einer Deaktivierung der Magnetspulenanordnung einleitet.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Frequenzdetektionsstufe zur Überwachung des Stromsteuersignals
für die
Magnetspulenanordnung und zur Umschaltung auf den höheren Anzugsstrom
oder die dem höheren
Anzugsstrom zugrunde liegende höhere
Spannung bei ausbleibendem Frequenzsignal vorgesehen ist.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung
bestehen insbesondere darin, dass durch Überwachung des Vorhandenseins
eines Frequenzsignals direkt das Unterschreiten des auf einen bestimmten
Wert geregelten Stroms sicher erkannt werden kann, wodurch alle
Einflussgrößen, die
sich bei der bekannten Spannungsüberwachung
negativ bemerkbar machen, automatisch berücksichtigt sind. Eine Frequenzdetektionsstufe
kann in einfacher Bauweise bei hoher Genauigkeit hergestellt werden,
da sie lediglich zwei Zustände,
nämlich
das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein einer Frequenz detektieren
muss. Durch die Umschaltung auf den höheren Anzugsstrom bzw. eine
höhere
Spannung bei ausbleibendem Frequenzsignal kann ein Abfallen des
Ankers der Magnetspulenanordnung verhindert werden. Sollte dennoch
bei plötzlichem Spannungsabfall
die Magnetspulenanordnung deaktiviert werden, so wird sie automatisch
wieder durch den dann vorliegenden höheren Anzugsstrom wieder eingeschaltet.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Schaltungsvorrichtung möglich.
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Die
Umschaltmittel besitzen zweckmäßigerweise
ein die Umschaltung auf den niedrigeren Halte- oder Betriebsstrom
nach einer vorgebbaren Zeitdauer vornehmendes Zeitglied oder sind
mit einem solchen verbunden. Hierdurch kann die Dauer des anfänglich höheren Anzugsstroms
wunschgemäß eingestellt
werden.
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Der
Ausgang der Frequenzdetektionsstufe ist mit einem Umschalteingang
der Umschaltmittel verbunden, um durch ein bei ausbleibendem Frequenzsignal
erzeugtes Schaltsignal unmittelbar die Umschaltung auf den höheren Anzugsstrom
vornehmen zu können.
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Das
durch die Frequenzdetektionsstufe überwachte Stromsteuersignal
ist zweckmäßigerweise
das Steuersignal für
eine Treiber- oder Endstufe der Magnetspulenanordnung.
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Die
Frequenzdetektionsstufe besitzt in vorteilhafter Weise ein die Umschaltung
auf den höheren
Anzugsstrom oder die höhere
Spannung nach einer vorgebbaren Zeitdauer ab dem Ausbleiben von Frequenzsignalen
auslösendes
erstes Zeitglied. Hierdurch wird verhindert, dass sehr kurze Spannungseinbrüche, die
im Allgemeinen noch nicht zum Abfallen des Magnetan kers der Magnetspulenanordnung
führen,
bereits die Umschaltung auf den höheren Anzugsstrom auslösen.
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Weiterhin
besitzt die Frequenzdetektionsstufe ein die Umschaltung auf den
niedrigeren Halte- oder Betriebsstrom nach Wiedereinsetzen der Taktung
verzögerndes
zweites Zeitglied. Dies garantiert den sicheren Anzug des Magnetankers
nach einem Unterstromzustand.
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In
einer vorteilhaften schaltungsmäßigen Ausgestaltung
besteht das Zeitglied aus einem über einen
Widerstand aufladbaren und durch das Frequenzsignal oder durch ein
von diesem abgeleiteten Signal über
eine Diode entladbaren Kondensator, dessen Spannung mit einer Festspannung
mittels eines Vergleichers verglichen wird, wobei im Wesentlichen
bei Erreichen der einen Spannung durch die andere Spannung ein Schaltsignal
auslösbar
ist. Eine solche Schaltung kann sehr einfach und kostengünstig realisiert
und auch integriert werden, insbesondere wenn der oder die Vergleicher
als Verstärker,
vorzugsweise als Operationsverstärker
ausgebildet sind.
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Neben
der Umschaltung auf den höheren Anzugsstrom
im Störfall
ist zweckmäßigerweise
noch eine optische und/oder akustische Meldevorrichtung zur Meldung
eines Aussetzens der Taktung vorgesehen, um den Betreiber auf die
auftretende Störung aufmerksam
zu machen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine schematische Blockdarstellung der
gesamten Schaltungsvorrichtung mit einer Frequenzdetektionsstufe
und
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2 eine detaillierte Darstellung
der Frequenzdetektionsstufe.
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Bei
dem in 1 dargestellten
Blockschaltbild ist eine bekannte Schaltungsvorrichtung zur Haltestromabsenkung
beim Betrieb einer Magnetspulenanordnung 10 innerhalb eines
umrandeten Bereichs 11 dargestellt. Bei der Magnetspulenanordnung 10 handelt
es sich beispielsweise um die Magnetspule eines Magnetventils, um
eine Relaisspule, eine Motorspule eines DC-Motors, eines Schrittmotors oder eines
Linearmotors.
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Ein
Regler 12 erzeugt ein pulsweitenmoduliertes Ausgangssignal
zur Steuerung einer Endstufe bzw. Treiberstufe 13 für die Magnetspulenanordnung 10.
Im Stromkreis der Magnetspulenanordnung 10 ist ein Strommesswiderstand 14 geschaltet,
dessen Messwert als Stromistwert-abhängige Spannung einem Summationspunkt 15 zugeführt ist.
Eine Umschaltstufe 16 führt
dem Summationspunkt 15 als Stromsollwert entweder eine
den Anzugsstrom für die
Magnetspulenanordnung 10 vorgebende Sollspannung Ua oder
eine den Halte- oder Betriebsstrom vor gebende Sollspannung Uh zu.
Der Regler 12 stellt in Abhängigkeit der Regelabweichung
das Tastverhältnis
seiner pulsweitenmodulierten Ausgangsspannung ein.
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Durch
ein am Einschalteingang 17 angelegtes Einschaltsignal E
wird der Regler 12 eingeschaltet und erzeugt ausgangsseitig
ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal Upwm, dessen Tastverhältnis entsprechend
der angelegten Sollspannung Ua so geregelt wird, dass durch die
Treiberstufe 13 ein vorgesehener Anzugsstrom für die Magnetspulenanordnung 10 geregelt
wird. Nach einer vorgegebenen Zeitdauer, die das sichere Anziehen
des Ankers der Magnetspulenanordnung 10 sicherstellt, wird
auf die niedrigere Sollspannung Uh umgeschaltet, die entsprechend
zu einem niedrigeren geregelten Halte- oder Betriebsstrom führt, der
ausreicht, um die Magnetspulenanordnung im erregten bzw. geschalteten Zustand
zu halten.
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Sinkt
die Betriebsspannung, so kann der geregelte Halte- oder Betriebsstrom
dadurch auf dem vorgesehenen Sollwert gehalten werden, dass sich das
Tastverhältnis
verändert.
Diese Veränderung
ist jedoch bei absinkender Betriebsspannung nur so lange möglich, bis
das Tastverhältnis 1 erreicht
ist, was bedeutet, dass die volle Betriebsspannung ungetaktet an
der Magnetspulenanordnung 10 anliegt. Sinkt die Betriebsspannung
dann noch weiter, so muss konsequenterweise der Halte- oder Betriebsstrom unter
seinen Sollwert absinken, und es besteht dann die Gefahr, dass der
Magnetanker der Magnetspulenanord nung 10 abfällt. Dies
kann schon bei relativ kurzzeitigen Spannungseinbrüchen oder
-schwankungen geschehen. Wenn die Betriebsspannung dann wieder ansteigt,
so wird zwar der Halte- oder Betriebsstrom wieder auf seinen Sollwert
eingestellt, dieser reicht jedoch nicht aus, den abgefallenen Magnetanker
wieder in seine Betriebsstellung zu bringen.
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Um
auch nach Spannungsschwankungen und nach einem eventuellen Abfall
des Magnetankers der Magnetspulenanordnung 10 diese wieder
in ihren Betriebszustand zu versetzen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Frequenzdetektionsstufe 18 vorgesehen. Diese überwacht
ständig
das pulweitenmoduliert Spannungssignal Upwm am Ausgang des Reglers 12 daraufhin,
ob noch eine Taktung bzw. Frequenz vorliegt. Ist dies nicht mehr
der Fall, so lässt
dies zwingend auf eine Unterschreitung des Halte- oder Betriebsstroms
unter seinen Sollwert schließen,
was möglicherweise
bereits zu einem Abfall des Magnetankers der Magnetspulenanordnung 10 geführt hat
oder in Kürze
dazu führen
wird. Die Frequenzdetektionsstufe 18 erzeugt daher in diesem Falle
ein ausgangsseitiges Schaltsignal Us, das in der Umschaltstufe 16 zu
einer Umschaltung auf die höhere
Sollspannung Ua führt.
Dadurch wird wiederum der höhere
Anzugsstrom für
die Magnetspulenanordnung 10 vorgegeben, durch den die
Magnetspulenanordnung 10 wieder in ihren gewünschten
Betriebszustand versetzt werden kann. Dies ist selbstverständlich nur
dann möglich,
wenn die Betriebsspannung wieder angestiegen ist, also wenn nur
eine kurzzeitige Schwankung vorlag. Der höhere Anzugstrom wird solange
vorgegeben, bis die Frequenzdetektionsstufe 18 wieder eine
Taktung erkennt. Dann erfolgt wie beim ursprünglichen Einschalten nach einer
gewissen Zeit oder sofort. wieder eine Rückschaltung auf die niedrigere
Sollspannung Uh.
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In 2 ist die als Unterstromdetektor
dienende Frequenzdetektionsstufe 18 als detailliertes Schaltungsbeispiel
dargestellt. Ein erster Kondensator 19 wird über einen
ersten Ladewiderstand 20 ständig von der Betriebsspannung
UB geladen. Die Kondensatorspannung liegt
dabei am invertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 21 an. Am
nicht-invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 21 liegt
eine feste Vergleichsspannung U1 an. Das
pulsweitenmodulierte Spannungssignal Upwm am Ausgang des Reglers 12 liegt über eine erste
Entladediode 22 so am Kondensator 19 an, dass
dieser in den Signalpausen des pulsweitenmodulierten Spannungssignals
Upwm entladen werden kann.
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Dem
ersten Operationsverstärker 21 ist
eine zweite entsprechend aufgebaute Schaltungsanordnung nachgeschaltet,
die aus einem zweiten Kondensator 23, einem zweiten Ladewiderstand
24, einem zweiten Operationsverstärker 25 und einer zweiten
Entladediode 26 besteht. Während an der ersten Schaltungsanordnung
das pulsweitenmodulierte Spannungssignal Upwm liegt, ist an die
zweite Schaltungsanordnung das Ausgangssignal Uop1 des ersten Operationsverstärkers 21 angelegt.
Das Ausgangs signal des zweiten Operationsverstärkers 25 bildet das
Schaltsignal Us für
die Umschaltstufe 16.
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Wenn
die Stromregelung korrekt arbeitet, wird der erste Kondensator 17 regelmäßig über die erste
Entladediode 22 entladen, sodass die Ausgangsspannung Uop1
des ersten Operationsverstärkers 21 hoch
liegt. Die zweite Entladediode 24 ist dadurch gesperrt,
und der zweite Kondensator 23 ist durch den zweiten Ladewiderstand 24 aufgeladen, sodass
die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers 25, also das
Schaltsignal Us, zu null wird.
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Wenn
kein genügend
großer
Halte- oder Betriebsstrom durch Absinken der Betriebsspannung mehr
geregelt werden kann, besitzt das pulsweitenmodulierte Spannungssignal
Upwm keine Schaltfrequenz bzw. Taktung mehr, sondern ist ein Dauersignal,
das über
der Vergleichsspannung U1 liegt. Die erste
Entladediode 22 ist dadurch gesperrt, und der erste Kondensator 19 wird über den
ersten Ladewiderstand 20 mit einer bestimmten Zeitkonstanten aufgeladen.
Nach einer in Abhängigkeit
dieser Zeitkonstante stehenden Ladezeit t1 schaltet der als Komparator
eingesetzte erste Operationsverstärker 21 um, sodass
sein Ausgangssignal Uop1 zu null wird. Die zweite Entladediode 26 kann
nunmehr den zweiten Kondensator 23 entladen, sodass auch
der zweite Operationsverstärker 25 umschaltet
und das jetzt anliegende Ausgangssignal als Schaltsignal Us die
Umschaltung auf den höheren
Anzugsstrom bzw. die höhe re
Sollspannung Ua bewirken kann. Durch diese Ladezeit t1 wirkt die
aus den Bauteilen 19 bis 22 bestehende erste Schaltungsanordnung
praktisch als Zeitglied, das nach Ausbleiben einer Taktung des Spannungssignals
Upwm erst nach einer Zeitverzögerung
t1 die Umschaltung auf den höheren
Anzugsstrom bewirkt.
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Nach
Rückkehr
in den geregelten Stromzustand ist das pulsweitenmodulierte Spannungssignal Upwm
wieder getaktet, sodass der erste Kondensator 17 wieder
durch die erste Entladediode 22 regelmäßig entladen wird. Dadurch
schaltet der erste Operationsverstärker 21 wieder um,
und die zweite Entladediode 26 wird gesperrt. Der zweite
Kondensator 23 wird nun über den zweiten Ladewiderstand 24 mit
einer zweiten Zeitkonstanten aufgeladen, bis nach einer Ladezeit
t2 der zweite, als Komparator geschaltete Operationsverstärker 25 umschaltet,
sodass das Schaltsignal Us wieder zu null wird und die Umschaltung
auf den niedrigeren Halte- oder Betriebsstrom erfolgt. Durch dieses
um die Ladezeit t2 verzögerte
Umschaltung verbleibt die Stromregelung noch während der Zeit t2 im höheren geregelten
Zustand. Dies garantiert den sicheren Anzug des Magnetankers der
Magnetspulenanordnung 10 nach einem Unterstromzustand.
Auch die aus den Bauteilen 23 bis 26 bestehende
zweite Schaltungsanordnung wirkt dadurch als Zeitglied mit der verzögerungszeit t2.
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Falls
beispielsweise das verzögerte
Umschalten vom höheren
Anzugsstrom zum niedrigeren Halte- oder Betriebsstrom nicht erforderlich
oder gewünscht
ist, so kann die zweite, aus den Bauteilen 23 bis 26 bestehende
Schaltungsanordnung auch entfallen bzw. durch einen Inverter ersetzt
werden.
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Die
Frequenzdetektionsstufe 18 kann selbstverständlich auch
digital realisiert werden, also beispielsweise durch zwei digitale
Zeit- oder Verzögerungsglieder.
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In
nicht dargestellter Weise kann auch zusätzlich eine optische und/oder
akustische Meldevorrichtung zur Meldung eines unzulässigen Unterstroms
bzw. zur Meldung eines Aussetzens der Taktung des pulsweitenmodulierten
Spannungssignals Upwm vorgesehen sein. Diese Meldevorrichtung kann
beispielsweise durch das Schaltsignal Us oder durch die Spannung
Uop1 am Ausgang des ersten Operationsverstärkers 21 eingeschaltet
werden.