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DE29715925U1 - Schaltungsvorrichtung - Google Patents

Schaltungsvorrichtung

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DE29715925U1
DE29715925U1 DE29715925U DE29715925U DE29715925U1 DE 29715925 U1 DE29715925 U1 DE 29715925U1 DE 29715925 U DE29715925 U DE 29715925U DE 29715925 U DE29715925 U DE 29715925U DE 29715925 U1 DE29715925 U1 DE 29715925U1
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Festo SE and Co KG
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Description

G 17 960 - rets 01.09.1997
FESTO AG & Co, 73734 Esslingen Schaltungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur Regelung eines durch eine Magnetspulenanordnung fließenden Spulenstromes, mit einer Regeleinrichtung, die eine Meßanordnung zum Messen des Spulenstromes ,aufweist und die den Spulenstrom in Abhängigkeit von der gemessenen Spulenstromstärke regelt, mit Mitteln zur Erzeugung eines durch die Magnetspul enanordn.xmg fließenden Anzugsstromes und mit einer Umschalteinrichtung zur Absenkung des Spulenstromes nach Ablauf einer Anzugszeitdauer auf einen geringeren, bis zum Ende;e'ines Schältsignales fließenden, getakteten Haltestrom.
Bei derartigen Schaltvorrichtungen wird der während der Anzugszeitdauer anliegende Anzugsstrom nach Ablauf dieser Anzugszeitdauer heruntergetaktet, wobei in den Taktpausen, das heißt bei abgetrennter Spannungsversorgung, in der Magnetspulenanordnung ein Frei 1 aufstrom induziert wird," der durch die Meßanordnung fließt, wodurch eine große Verlustleistung erzeugt wird. Ferner muß die die Schaltungsvorrichtung versorgende Eingangsspannung dem gewünschten Stromwert des Anzugsstromes angepaßt sei &eegr; und somit in
Form einer einen bestimmten Spannungswert aufweisenden Gleichspannung vorliegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Schaltungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine wesentlich geringere Verlustleistung erzeugt und gleichzeitig von einer weitgehend beliebigen Spannung versorgt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auch der Anzugsstrom durch Taktung geregelt ist und daß die Meßanordnung außerhalb des Frei 1 aufstromkreises geschaltet ist, in dem während des in den Taktpausen vorliegenden Frei 1 aufzustands der Magnetspulenanordnung der Frei 1 aufstrom fließt.
Auf Grund der Taktung des Anzugsstromes kann die zur Versorgung der Schaltungsvorrichtung dienende Eingangsspannung auch größere als den gewünschten Spannungswert annehmen, da durch die Taktung der Effektivwert der Eingangsspannung abgesenkt werden kann. Der Spannungswert der Eingangsspannung muß deshalb nicht wie bisher an den gewünschten Anzugsstrom angepaßt sein. Dadurch, daß die Meßanordnung außerhalb des Frei 1 aufstromkreises geschaltet ist, fließt in den Taktpausen, in denen die Magnetspulenanordnung ihren Frei 1 aufzustand einnimmt und nicht an der
Versorgungsspannung anliegt, der von der Magnetspulenanordnung induzierte Frei 1 aufstrom nicht durch die Meßanordnung. Dies hat zur Folge, daß der Frei 1 aufstrom keine Verlustleistung in der Meßanordnung erzeugt. Die insgesamt anfallende Verlustleistung ist somit wesentlich reduziert und bietet meßtechnische Vorteile.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstands der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zweckmäßigerweise ist eine Gleichrichteranordnung vorgesehen, die eine Eingangsspannung in eine z.ur Spannungsversorgung der Vorrichtung dienende Versorgungsgleichspannung umformt. Auf diese Weise kann die Schaltungsvorrichtung an eine Gleich- oder Wechselspannung als Eingangsspannung angelegt werden.
Vorteilhafterweise ist zur Spannungs- bzw. Stromversorgung der Regeleinrichtung eine getaktete Spannungs- bzw. Stromquelle vorhanden, deren Versorgungsspannung der Versorgungsspannung der Magnetspulenanordnung entspricht. Aus der zur Versorgung der Magnetspulenanordnung dienenden '* Versorgungsspannung wird demnach mittels der getakteten Spannungs- bzw. Stromquelle die Regeleinrichtung gespeist, so daß keine zusätzliche Eingangsspannung zur Versorgung der Regeleinrichtung notwendig ist.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsvorri chtung,
Fig. 2a einen beispielhaft gewählten Spannungsverlauf der Eingangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 2b den Verlauf des getakteten Spulenstromes in Abhängigkeit von der Zeit und
Fig. 2c den Verlauf der getakteten Spulenspannung in Abhängigkeit von der Zeit.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsvorrichtung 1. Die Schaltungsvorrichtung 1 verfügt über zwei Eingangsklemmen 2, 3, an die von außen eine Eingangsspannung UO anlegbar ist. Die Eingangsklemmen 2, 3 sind mit einer Gieichrichteranordnung 6 verbunden, die beispielsgemäß von einer Diodenbrückenschaltung 7 gebildet ist. Mittels der von der Diodenbrückenschaltung 7 gebildeten Gieichrichteranordnung wird die Eingangsspannung UO in eine Versorgungsgleichspannung UG umgeformt. Der Pluspol der Versorgungsgleichspannung UG liegt an einem positiven Ausgang 8 der Gieichrichteranordnung 6 an, der mit einer Versorgungsleitung 9 verbunden ist, und ein negativer Ausgang 10 der
Gleichrichteranordnung 6, an dem der Minuspol der Versorgungsgleichspannung anliegt, ist auf Massepotential GND gelegt (0 Volt). Zwischen der Versorgungsleitung 9 und Massepotential GND liegt die Versorgungsgleichspannung UG an.
In Abwandlung zur bevorzugten Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist es möglich, einen Glättungskondensator vorzusehen.
Die Schaltungsvorrichtung 1 verfügt ferner über eine Magnetspulenanordnung 14, die einerseits mit der Versorgungsleitung 9 verbunden ist und andererseits über eine Reihenschaltung aus einer Leuchtdiode 13, der Schaltstrecke zwischen Eingang E und Ausgang A "eines gesteuerten Schalters 15 und einen Meßwiderstand 16 mit Masse GND verbunden ist.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Magnetspulenanordnung 14 von einer einzigen Magnetspule gebildet, deren Ersatzschaltbild aus einer Reihenschaltung einer idealen Spule 22 und einem Ohmschen Spulenwiderstand 23* gebildet ist.
Parallel zur Magnetspulenanordnung 14 und der Leuchtdiode 13 ist eine Frei 1 aufdiode 17 geschaltet, deren Kathode mit
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der Versorgungsleitung 9 verbunden ist und deren Anode somit in Verbindung mit dem Eingang E des gesteuerten Schalters 15 steht. Die Magnetspulenanordnung 14, die Leuchtdiode 13 und die Frei 1 aufdiode 17 bilden zusammen einen Frei 1 aufStromkreis 18. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die Leuchtdiode 13 optional ist und für die Funktion der Schaltungsvorrichtung 1 nicht benötigt wird. Sie kann des weiteren durch andere Anzeigeelemente ersetzt oder ergänzt werden, falls dies wünschenswert sein sollte. In der beispielsgemäßen Schaltungsvorrichtung 1 dient die Leuchtdiode 13 dazu, einen durch die Magnetspulenanordnung 14 fließenden Spulenstrom IS optisch anzuzeigen. Sobald ein Spulenstrom IS fließt, leuchtet die Leuchtdiode 13 (Statusanzeige).
Ein zum Ein- und Ausschalten des gesteuerten Schalters dienende Steuereingang S ist über eine Steuerleitung 19 mit einem Steuerausgang AS einer Steuereinheit 20 verbunden. Die Steuerleitung 19 verbindet des weiteren den Steuerausgang AS der Steuereinheit 20 mit einem weiteren Steuereingang S eines gesteuerten Meßschalters 21, dessen Schaltstrecke zwischen einem Eingang E und einem Ausgang A in eine Meßleitung 24 eingeschaltet ist, die die der Masse GND abgewandte Anschlußseite des Meßwiderstandes 16 mit einem Meßeingang M der Steuereinheit 20 verbindet. Bei eingeschaltetem Meßschalter 21 liegt demnach die am Meßwiderstand 16 abfallende Meßspannung UM am Meßeingang M
der Steuereinheit 20 an.
Der gesteuerte Schalter 15 und der gesteuerte Meßschalter 21 können beispielsweise als Halbleiterschalter und hierbei insbesondere als MOS-FETs ausgebildet sein. Selbstverständlich könnten auch andere Halbleiterarten als gesteuerte Schalter eingesetzt werden.
Die Steuereinheit 20 verfügt außerdem über einen Umschalteingang UE, der mit einer Umschalteinrichung 25 verbunden ist. Die Steuereinheit 20, der gesteuerte Schalter 15, der gesteuerte Meßschalter 21, der Meßwiderstand 16 und die Umschalteinrichtung 25 bilden zusammen eine Regeleinrichtung 26. Zur Spannungsversorgung der Regeleinrichtung 26 ist beispielsgemäß eine getaktete Spannungsquelle 29 vorgesehen, die an ihrem Ausgang eine Regeleinrichtungsversorgungsspannung UR einprägt, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der Steuereinheit 20 und der Umschalteinrichtung 25 zu deren Versorgung verbunden ist. Gespeist wird die getaktete Spannungsquelle 29 von der Versorgungsgleichspannung UG. Grundsätzlich könnte anstatt der getakteten Spannungsquelle 29 auch eine getaktete Stromquelle vorgesehen werden.
Die Funktion der Schaltungsvorrichtung 1 wird im folgenden anhand der Fig. 2a - c im einzelnen erläutert.
Die Magnetspulenanordnung 14 kann beispielsweise von einer Magnetspule eines Magnetventils gebildet sein, wobei zum Anziehen des Venti 1 schiebers zunächst ein hoher Anzugsstrom IA erforderlich ist, der anschließend zum Halten des angezogenen Zustands in einen geringeren Haltestrom IH abgesenkt werden kann. Demnach fließt zunächst durch die Magnetspulenanordung 14 während einer Anzugszeitdauer TA der Anzugsstrom IA, der nach Ablauf der Anzugszeitdauer TA in den Haltestrom IH abgesenkt wird.
Im Ruhezustand der Schaltungsvorrichtung 1 ist der gesteuerte Schalter 15 geöffnet. Sobald von außen die Eingangsspannung UO angelegt wird,.weist die Versorgungsgleichspannung UG eine steigende Flanke 32 auf und die Anzugszeitdauer TA beginnt zu laufen. Außerdem erzeugt die getaktete Spannungsquelle 29 die Regel einrichtungsversorgungsspannung UR. Die Steuereinheit 20 veranlaßt dann das Schließen des Schalters 15.
Auf Grund der Versorgungsgleichspannung UG fällt an der Magnetspulenanordnung 14 eine Spulenspannung US ab, die einen im wesentlichen gemäß einer e-Funktion ansteigenden Spulenstrom IS verursacht. Proportional zum Spulenstrom IS steigt die am Meßwiderstand 16 abfallende Meßspannung UM an. Da der Meßschalter 21 wie auch der gesteuerte Schalter 15 mittels des Steuerausgangs AS der Steuereinheit 20
angesteuert wird, ist dieser ebenfalls geschlossen, so daß die Meßspannung UM am Meßeingang M der Steuereinheit 20 anliegt. Der Spulenstrom IS fließt fast vollständig durch den Meßwiderstand 16. Vorteilhafterweise ist der Meßeingang M hochohmig, so daß der über die Meßleitung 24 in die Steuereinheit 20 fließende Strom gering ist.
Es wäre in Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels auch möglich, den gesteuerten Schalter 15 un.d den gesteuerten Meßschalter 21 über separate Ansteuerausgänge der Steuereinheit 20 anzusteuern.
Eine Auswerteeinrichtung der Steuereinheit 20 vergleicht nun den gemessenen Wert der Meßspannung UM mit einer internen Vergleichsspannung, wobei der gesteuerte Schalter 15 in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis geöffnet bzw. wieder geschlossen wird.
Bei geöffnetem Schalter 15 liegt am Meßwiderstand 16 kein gültiges Meßsignal an, da dieser stromlos ist, obwohl im Freilaufstromkreis 18 ein von der Magnetspulenanordnung 14 induzierter Freilaufstrom fließt. Aus diesem Grund ist der Meßschalter 21 ebenfalls geöffnet, so daß am Meßeingang M der Steuereinheit 20 kein Signal anliegt. Beim Ausführungsbeispiel verfügt der Meßschalter 21 über von einem sogenannten sample-and-hold-Glied gebildete Meßwertspeichermittel,
&iacgr;&ogr;
die den dem Meßeingang M der Steuereinheit 20 zugeführten Spannungswert so lange halten, bis der Meßschalter 21 und damit auch der gesteuerte Schalter 15 wieder geschlossen
sind und der nächste gültige Meßwert anliegt und damit der Meßeingang M der Steuereinheit 20 vom Meßschalter 21
ständig einen gültigen Meßwert erhält. Es versteht sich,
daß die Meßwertspeichermittel alternativ auch in der
Steuereinheit 20 ingetriert sein könnten.
Die interne Vergleichsspannung der Steuereinheit 20 könnte beispielsweise einen dreieckförmigen Verlauf haben und mit der Differenzspannung aus Sollwert der Meßspannung UM
minus dem Istwert der Meßspannung UM verglichen werden. Bei jedem "Schnittpunkt" aus der Differenzspannung und der
Vergleichsspannung wird der gesteuerte Schalter 15
umgeschaltet. Ist die Differenzspannung größer als die
Vergleichsspannung, so wird der ,gesteuerte Schalter 15
geöffnet, im anderen Fall wird er geschlossen. Dieses
Prinzip ist aus der DE-29 60 0866 bekannt. Grundsätzlich
könnte hier auch ein beliebiges anderes Regelungsverfahren eingesetzt werden.
Bei geöffnetem Schalter 15 wird die Magnetspulenanordnung 14 in den Freilaufzustand umgeschaltet, wobei in der Spule 22 der Frei 1 aufstrom induziert wird, der im Frei 1 aufStromkreis 18 fließt. .Dadurch, daß der Meßwiderstand 16 mittels
- des geöffneten Schalters 15 vom Frei 1 aufstromkreis 18 abgetrennt ist, ist dieser stromlos, so daß an ihm keine Verlustleistung erzeugt wird. Des weiteren wird die Steuereinheit 20 der Regeleinrichtung 2 6 vor zu großen Spannungen geschützt, da beim 'Öffnen des Schalters 15 kurzzeitig Spannungsspitzen des induzierten Freilaufstromes möglich sind, die im Meßwiderstand 16 sehr hohe Meßspannungsspitzen erzeugen würden. Derartige Spannungsspitzen in der Meßspannung UM sind auf Grund der Abtrennung des Meßwiderstandes 16 vom Frei 1 aufstromkreis 18 vermieden.
Nach Ablauf der Anzugszeitdauer TA verursacht die Umschal tei nri chtung 25 am Umschalteingang UE der Steuereinheit 20 ein Umschaltsignal , wodurch der Spulenstrom IS von seinem Anzugsstromwert auf den dem HaTtestrom IH entsprechenden Wert reduziert wird. Die Regelung des Haltestromes IH erfolgt dabei analog ,zu der des Anzugsstromes IA durch Taktung mit dem Unterschied, daß der Sollwert der Meßspannung UM am Meßwiderstand 16 entsprechend geringer ist. Der Haltestrom IH fließt so lange durch die Magnetspulenanordnung 14, bis die Versorgungsgleichspannung UG durch ein Abschalten der Eingangsspannung U0 ebenfalls abgeschaltet wird und eine fallende Flanke 33 aufweist. Der Spulenstrom IS reduziert sich dann efunktionsähnlich bis zum Wert Null. Die Eingangsspannung UO bzw. die Versorgungsgi eichsspannung UG stellen somit
ein Schaltsignal dar, das beim Einschalten der Eingangsspannung UO bzw. der Versorgungsgleichspannung UG den Beginn der Anzugsphase und beim Abschalten der Eingangsspannung UO bzw. der Versorgungsgleichspannung UG das Ende der Haltephase bestimmt. Ein Abschalten der Eingangsspannung UO und damit der Versorgungsgleichspannung UG während der Anzugszeitdauer ist nicht sinnvoll, da dann ein gesichertes Anziehen des Venti1 Schiebers nicht erfolgen kann. Die Anzugszeitdauer TA ist vorzugsweise . gerade so lange gewählt, daß die Magnetspulenanordnung 14 des Magnetventiles den zugeordneten Ventilschieber sicher umschalten kann.
Auf Grund der Gleichrichteranordnung 6 können als Eingangsspannung UO Gleich- oder Wechsel spannungen verwendet werden. Die Größe der Eingangsspannung UO ist dabei so zu wählen, daß sie zumindest den während der Anzugszeitdauer durch die Magnetspulenanordnung 14 fließenden Anzugsstrom IA gewährleistet. Größere Eingangsspannungen UO als der geforderte Minimalwert sind bei der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung 1 ebenfalls möglich, da sowohl Anzugsstrom IA als auch Haltestrom IH durch Taktung abgesenkt werden können. Beispielsweise kann die Eingangsspannung UO im Bereich von 24 V bis 230 V Gleich- oder Wechselspannung liegen.
Die getaktete Spannungsquelle 29 wird ebenfalls aus der Versorgungsgleichspannung UG versorgt und liefert an ihrem Ausgang die getaktete, geregelte Regel einrichtungsversorgungsspannung UR, so daß auch für die Regeleinrichtung 26 keine gesonderte externe Spannungsversorgung notwendig ist. Die zur Versorgung der Regeleinrichtung 26 notwendige Regel einrichtungsversorgungsspannung UR wird mittels der getakteten Spannungsquelle 29 und der Gleichrichteranordnung 6 aus der Eingangsspannung UO gewonnen.

Claims (13)

G 17 960 - rets 01.09.1997 FESTO AG & Co, 73734 Essiingen Schaltungsvorrichtung Ansprüche
1. Schaltungsvorrichtung zur Regelung eines durch eine Magnetspulenanordnung (14) fließenden Spulenstromes (IS)5 mit einer Regeleinrichtung (26), die eine Meßanordnung (16, 21) zum Messen des Spulenstromes (IS) aufweist und die den Spulenstrom (IS) in Abhängigkeit von der gemessenen Spulenstromstärke regelt,.mit Mitteln zur Erzeugung eines durch die Magnetspulenanordnung (14) fließenden Anzugsstromes (IA) und mit ein'e'r Umschalteinrichtung (25) zur Absenkung des Spulenstromes (IS) nach Ablauf einer Anzugszeitdauer (TA) auf einen geringeren, bis zum Ende eines Schaltsignales (UG bzw. UO) fließenden, getakteten Haltestrom (IH), dadurch gekennzeichnet, daß auch der Anzugsstrom (IA) durch Taktung geregelt ist und daß die Meßanordnung (16, 21) außerhalb des Freilaufstromkreises (18) geschaltet ist, in dem während des in den * Taktpausen vorliegenden Frei 1 aufzustands der Magnetspulenanordnung (14) der Frei 1 aufstrom fließt.
2. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daS die Regeleinrichtung (26) einen insbesondere als Halbleiterschalter ausgebildeten gesteuerten Schalter (15) aufweist, dessen Schaltstrecke in Reihe mit der Magnetspulenanordnung (14) geschaltet ist, so daß der Spulenstrom (IS) mittels des Schalters (15) ein- und abschal tb ar ist.
3. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke des gesteuerten, Schalters (15) den Frei 1 aufstromkreis (18) und die Meßanordnung (16, 21) verbindet.
4. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frei 1 aufstromkreis (18) zumindest aus der Magnetspulenanordnüng (14) und einer Freilaufdiode (17) besteht.
5. . Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leuchtdiode (13) oder andere Anzeigeelemente in den Frei 1 auf stromkrei s (18) eingeschaltet sind.
6. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1» bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung (16, 21) einen Meßwiderstand (16) aufweist, der in Reihe zur Magnetspulenanordnung (14) schaltbar ist, so daß außerhalb der Taktpausen der Spulenstrom (IS) zumindest im wesent-
j &Ggr;! j·" '
lichen durch den Meßwiderstand (16) fließt.
7. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die am Meßwiderstand (16) abfallende Meßspannung (UM) Über eine Meßleitung (24) einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird, wobei ein insbesondere als Halbleiterschalteranordnung ausgebildeter Schalter (21) in die Meßleitung (24) eingeschaltet ist, so daß die Auswerteeinrichtung von der Meßspannung (UM) abtrennbar ist.
8. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichrichteranordnung (6) vorgesehen ist, die eine Eingangsspannung (UO) in eine zur Spannungsversorgung der Magnetspulenanordnung (14) dienende Versorgungsgi ei ch'spannung (UG) umformt.
9. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichteranordnung (6) eine Diodenbrückenschaltung (7) enthält.
10. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche lv bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungs- bzw. Stromversorgung der Regeleinrichtung (26) eine getaktete Spannungsquelle (29) bzw. Stromquelle vorhanden ist, die über die Versorgungsspannung (UG) der Magnetspulenanordnung
(14) gespeist wird.
11. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulenanordnung (14) von einer einzigen Magnetspule gebildet ist.
12. Schaltungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (26) über Meßwertspeichermittel zum Speichern des zuletzt gemessenen Meßwerts verfügt.
13. Schaltungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertspeichermittel von einem sample-and-hold-Glied gebildet sind.
DE29715925U 1997-09-05 1997-09-05 Schaltungsvorrichtung Expired - Lifetime DE29715925U1 (de)

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