DE102014005809A1

DE102014005809A1 - Schaltung zur Temperaturkompensation

Info

Publication number: DE102014005809A1
Application number: DE102014005809.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Heinrich; Daniel Koch; Diether Hoppner
Original assignee: Eagle Actuator Components GmbH and Co KG
Current assignee: Eagle Actuator Components GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-24
Filing date: 2014-04-24
Publication date: 2015-10-29
Also published as: DE112015001965A5; DE112015001965B4; US20180094591A1; WO2015161910A1

Abstract

Eine Schaltung zur Verwendung in Aktoren, elektromotorischen Antrieben oder Ventilen, umfassend einen elektrischen Leiter (1a) mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand (6), welcher mit einem elektrischen Vorwiderstand (3) in Reihe geschaltet ist, wobei der elektrische Vorwiderstand (3) eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand (4) und einem NTC-Widerstand (5) umfasst, ist im Hinblick auf die Aufgabe, eine Schaltung anzugeben, mit welcher der Einfluss der Temperatur auf einen elektrischen Leiter bei einfachem Aufbau minimiert werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (4) nur oder überwiegend durch einen Draht (4a) gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verwendung in Aktoren, elektromotorischen Antrieben oder Ventilen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 100 17 661 C2 ist bereits eine Schaltung bekannt, bei welcher eine Spule mit einem temperaturabhängigen NTC-Widerstand in Reihe geschaltet ist. Hierdurch kann einer Änderung des elektrischen Widerstands der Spule aufgrund von Temperatureinflüssen entgegengewirkt werden.
Es ist auch bereits bekannt, zur Kompensierung von Temperatureinflüssen elektrische Schaltungen in Ventilen zu verwenden.
Eine solche Schaltung ist in der DE 196 46 986 A1 offenbart.
Die dort beschriebenen Ventile finden bevorzugt in Kraftfahrzeugen Verwendung und weisen elektromagnetische Spulen auf, die getaktet betrieben werden können. Solche Spulen betätigen durch Magnetkräfte metallische Anker. Die metallischen Anker verschließen Dichtsitze oder geben diese frei, um einen Materialfluss durch eine Leitung zuzulassen oder zu unterbinden.
Die Magnetkraft einer Spule hängt vom elektrischen Strom ab. Bei spannungsgesteuertem Betrieb der Spule hängt der Strom vom elektrischen Widerstand ihres gewickelten Drahtes ab. Mit zunehmender Temperatur steigt der elektrische Widerstand an, so dass sich der Strom verringert und die Magnetkraft der Spule geschwächt wird.
Da diese Ventile oft in Motorräumen von Kraftfahrzeugen verbaut werden, herrschen je nach Umgebungs- und Betriebsbedingung sehr unterschiedliche Umgebungstemperaturen, welche den elektrischen Widerstand des Drahtes der Spule beeinflussen.
Um dem zu begegnen, wird in der DE 196 46 986 A1 vorgeschlagen, eine Hauptspule und eine Nebenspule zu betreiben.
Mit der Nebenspule ist ein temperaturabhängiger NTC-Widerstand in Reihe geschaltet, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Hierdurch wird die Spannung an der Nebenspule erhöht und deren Magnetkraft gesteigert.
Die Nebenspule kann mit ihrer zunehmenden Magnetkraft die mit steigender Temperatur schwindende Magnetkraft der Hauptspule kompensieren.
Hierbei ist nachteilig, dass das Ventil mit zwei Spulen versehen wird, die gewickelt und geeignet verbaut werden müssen. Hiermit geht ein aufwendiger apparativer Aufbau einher.
Aus der FR 2 893 756 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher ein temperaturunabhängiger Widerstand mit einem NTC-Widerstand parallel geschaltet ist und beide Widerstände einen Vorwiderstand bilden. Beide Widerstände sind in einer Einrichtung aufgenommen, die einen Basiskörper aus Plastik und eine Abdeckung mit Kontaktflügeln aufweist. An diese Einrichtung kann eine Spule angeschlossen werden, um mit dem Vorwiderstand in Reihe geschaltet zu werden.
Der bauchige, temperaturunabhängige Widerstand ist in einer Ausnehmung des Basiskörpers eingelegt. Diese Einrichtung nimmt relativ viel Bauraum ein und ist konstruktiv ebenfalls relativ aufwendig. Daher ist sie für den Einsatz in Ventilen, insbesondere in kompakten Ventilen, nur bedingt geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung anzugeben, mit welcher der Einfluss der Temperatur auf einen elektrischen Leiter bei einfachem Aufbau minimiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist der ohmsche Widerstand nur oder überwiegend durch einen Draht gebildet. Der Widerstand eines Drahtes kann problemlos über dessen Länge eingestellt werden. Ein Draht ist überdies ein kostengünstiger, leichter und bauraumsparender Widerstand. Ein Draht kann äußerst bauraumsparend in eine Schaltung integriert werden, welche einen elektrischen Leiter mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand umfasst, welcher mit einem elektrischen Vorwiderstand in Reihe geschaltet ist, wobei der elektrische Vorwiderstand eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einem NTC-Widerstand (Heißleiter) umfasst. Es ist erkannt worden, dass durch eine Parallelschaltung eines rein ohmschen Widerstands, der durch einen Draht gebildet ist, und eines NTC-Widerstands konstruktiv einfach eine Kompensation einer temperaturbedingten Widerstandsänderung eines Leiters erzielt werden kann. Die Zunahme des elektrischen Widerstands des Leiters wird durch die Abnahme des elektrischen Widerstands des Vorwiderstands kompensiert. Hierdurch wird erreicht, dass der Gesamtwiderstand aus elektrischem Leiter und Vorwiderstand über einen bestimmten Temperaturbereich näherungsweise konstant gehalten werden kann. Dadurch ergibt sich bei spannungsgesteuerten Bauelementen ein temperaturunabhängiger Betriebsstrom. Insoweit ist eine kompakte Schaltung angegeben, mit welcher der Einfluss der Temperatur auf einen elektrischen Leiter bei einfachem Aufbau minimiert werden kann.
Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
Der Draht könnte einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen, dessen Wert bei 600°C höchstens 20%, bevorzugt höchstens 10%, besonders bevorzugt höchstens 5% über dessen Wert bei 20°C liegt. Hierdurch ist der elektrische Widerstand des ohmschen Widerstands nahezu temperaturunabhängig.
Der Draht könnte aus Konstantan gefertigt sein oder Konstantan aufweisen. Konstantan ist eine Legierung, deren spezifischer elektrischer Widerstand in höchstem Maße temperaturunabhängig ist. Konstantan ist ein Markenname. Er bezeichnet eine Legierung, die üblicherweise ca. 53–57% Kupfer, ca. 43–45% Nickel und ca. 0,5–1,2% Mangan aufweist. Diese Legierung zeigt einen über große Temperaturintervalle näherungsweise konstanten spezifischen elektrischen Widerstand.
Der Draht könnte zusätzlich auf eine Spule aufgewickelt sein, welche als elektrischer Leiter den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand zeigt. Hierdurch kann der Draht besonders platzsparend in der Schaltung angeordnet werden. Außerdem trägt der Draht zum Magnetfeld der Spule bei und kann dieses verstärken. Der Draht kann unter, über oder neben einem Kupferdraht der Spule aufgewickelt sein, sofern dieser auf der Spule nur elektrisch von diesem isoliert ist.
Der elektrische Leiter könnte einen Kupferdraht aufweisen. Durch den Vorwiderstand lässt sich die temperaturbedingte Widerstandsänderung von Kupfer sehr gut kompensieren. Dieser Effekt lässt sich bei allen elektromotorischen Antrieben nutzen, die spannungsgesteuert, also nicht stromgeregelt, betrieben werden.
Konkret ist denkbar, mit der hier beschriebenen Schaltung nicht nur Ventile sondern auch andere Linearantriebe, Motoren und andere Aktoren auszurüsten und zu betätigen. Vor diesem Hintergrund könnte die hier beschriebene Schaltung daher in einem Aktor, einem elektromotorischen Antrieb oder in einem Ventil verwendet werden.
Besonders bevorzugt kann ein Ventil eine Schaltung der zuvor beschriebenen Art umfassen. Das Ventil kann als elektrischen Leiter eine elektromagnetische Spule und einen Anker umfassen, wobei der Anker bei Bestromung der Spule durch die Magnetkraft der Spule betätigbar ist und wobei die Spule mit einem elektrischen Vorwiderstand in Reihe geschaltet ist. Es könnte vorgesehen sein, dass der elektrische Vorwiderstand eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand und einem NTC-Widerstand umfasst. Durch eine Parallelschaltung eines rein ohmschen Widerstands und eines NTC-Widerstands kann eine Kompensation einer temperaturbedingten Widerstandsänderung der Spule erzielt werden.
Vorteilhaft kann z. B. im Bereich 0–140°C eine Widerstandsänderung der Spule sehr gut kompensiert werden, wobei sich der Temperaturbereich durch geeignete Wahl der Bauelemente des Vorwiderstands verändern lässt. Der elektrische Widerstand der Spule steigt in diesem Temperaturbereich nahezu linear an, wohingegen der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung aus Spule und Vorwiderstand in diesem Temperaturbereich nahezu konstant bleibt. Die Zunahme des elektrischen Widerstands der Spule wird durch die Abnahme des elektrischen Widerstands des Vorwiderstands kompensiert. In der Summe bleibt der Gesamtwiderstand in etwa gleich, so dass der resultierende Spulenstrom konstant bleibt und kein wesentlicher Verlust der Magnetkraft der Spule auftritt. Durch die Verwendung nur zweier elektrischer Bauteile für den Vorwiderstand ist ein Ventil realisiert, bei welchem der Einfluss der Temperatur auf die Magnetkraft der Spule möglichst gering ist, wobei das Ventil möglichst wenig elektrische Bauelemente aufweist.
Es könnte nur eine Spule vorgesehen sein. Hierdurch ist ein teilearmer Aufbau des Ventils sicher gestellt. Aufwendige Wicklungsarbeiten an mehreren Spulen entfallen.
Das Ventil könnte als AKF-Regenerierventil zur Dosierung von Kraftstoffdämpfen verwendet werden.
Aus der EP 0 754 269 B1 sind ähnliche Ventile bekannt, die als AKF-Ventile in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Solche Ventile sollen die vom Tank bzw. einem Aktivkohlefilter der Tankentlüftung kommenden Benzindämpfe steuern.
Kohlenwasserstoffe verdampfen im Tank eines Kraftfahrzeugs, welches mit einem Ottomotor betrieben wird. Um einen Druckanstieg im Kraftstofftank zu verhindern, müssen überschüssige Luft und Kraftstoffdämpfe in die Umgebung abgeleitet werden. Hierbei können die Kraftstoffdämpfe in einem Aktivkohlebehälter (AKF) zwischengespeichert werden, wo die Kohlenwasserstoffe absorbiert werden.
Zur Reinigung des Aktivkohlebehälters können die Kohlenwasserstoffe periodisch durch Einstellung geeigneter Druckverhältnisse wieder aus dem Aktivkohlebehälter abgesaugt und dem Motor gemeinsam mit der Ansaugluft zur Verbrennung zugeführt werden.
Zur Dosierung der Kohlenwasserstoffe in der Ansaugluft kann ein Ventil der hier beschriebenen Art verwendet werden, da dieses relativ temperaturunabhängig und daher sehr genau und reproduzierbar arbeitet.
Bei Ventilen werden bevorzugt Linearantriebe eingesetzt.
In der Zeichnung zeigen
1 eine Schaltung, bei welcher eine Spule mit einer Parallelschaltung aus ohmschem Widerstand und NTC-Widerstand in Reihe geschaltet ist,
2 eine schematische Darstellung eines Ventils, in welchem die Schaltung gemäß 1 realisiert ist,
3 ein Diagramm, in welchem die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Spule und des elektrischen Gesamtwiderstands aus Spule und Parallelschaltung dargestellt sind, und
4 eine schematische Ansicht einer Spule, auf welcher zusätzlich zu einem Kupferdraht ein Draht aus Konstantan aufgewickelt ist, wobei der Kupferdraht und der Draht aus Konstantan auf der Spule voneinander elektrisch isoliert sind.
1 zeigt eine Schaltung zur Verwendung in einem Aktor, elektromotorischen Antrieb oder Ventil, umfassend einen elektrischen Leiter 1a mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand 6, welcher mit einem elektrischen Vorwiderstand 3 in Reihe geschaltet ist.
Der elektrische Vorwiderstand 3 umfasst eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand 4 und einem NTC-Widerstand 5.
Der ohmsche Widerstand 4 ist nur oder überwiegend durch einen Draht 4a gebildet, der in 4 gezeigt ist.
Der elektrische Leiter 1a weist einen Kupferdraht 1b auf. Der Kupferdraht 1b ist gewickelt und Teil einer elektromagnetischen Spule 1.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Schaltung zur Verwendung in Aktoren, elektromotorischen Antrieben oder Ventilen, welche in einem Ventil gemäß 2 verwendet wird.
Das Ventil gemäß 2 umfasst als elektrischen Leiter 1a eine elektromagnetische Spule 1. Das Ventil umfasst weiter einen Anker 2, wobei der Anker 2 bei Bestromung der Spule 1 durch die Magnetkraft der Spule 1 betätigbar ist und wobei die Spule 1 mit einem elektrischen Vorwiderstand 3 gemäß 1 in Reihe geschaltet ist.
Im Ersatzschaltbild gemäß 1 ist dargestellt, dass der elektrische Vorwiderstand 3 eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand 4, nämlich einem passiven elektrischen Widerstand, und einem NTC-Widerstand 5 ist.
Der passive, ohmsche Widerstand 4 ist nur oder überwiegend durch einen Draht 4a gebildet, der in 4 gezeigt ist. Der Draht 4a weist einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, dessen Wert bei 600°C höchstens 5% über dessen Wert bei 20°C liegt. Der Draht 4a ist aus Konstantan (Markenname) gefertigt.
Konkret wird der Vorwiderstand 3 durch die Parallelschaltung des ohmschen Widerstands 4 und des NTC-Widerstands 5 gebildet. Der elektrische Widerstand des NTC-Widerstands 5 nimmt mit steigender Temperatur ab.
Es ist nur eine einzige Spule 1 vorgesehen. Es könnten aber auch mehrere in Reihe geschaltete Spulen vorgesehen sein. Die einzige Spule 1 ist mit dem Vorwiderstand 3 in Reihe geschaltet. Im Ersatzschaltbild ist die Spule 1 durch ihren elektrischen Widerstand 6, nämlich den elektrischen Widerstand 6 eines elektrischen Leiters 1a, stellvertretend dargestellt.
In 2 ist lediglich schematisch dargestellt, dass der Anker 2 einen Dichtsitz 7 verschließt oder frei gibt, um einen Materialfluss durch eine Leitung 8 zuzulassen oder zu unterbinden.
Der Anker 2 kann eine Auf- und Abbewegung durchführen. Dies ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Üblicherweise wird der Anker 2 durch eine Feder auf den Dichtsitz 7 gepresst. Durch die Magnetkraft der bestromten Spule 1 wird der Anker 2 gegen die Kraft der Feder vom Dichtsitz 7 abgehoben. Sobald kein Strom mehr durch die Spule 1 fließt, wird der Anker 2 durch die Feder wieder auf den Dichtsitz 7 gepresst. Dieser Ablauf ist auch umgekehrt denkbar, dann wäre das Ventil ein Schließer statt ein Öffner.
3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands 6 der Spule 1 bzw. des elektrischen Leiters 1a durch kreisförmige Symbole dargestellt ist. Mit steigender Temperatur nimmt der unkompensierte elektrische Widerstand 6 der Spule 1 bzw. des elektrischen Leiters 1a zu.
In diesem Beispiel erhöht sich der elektrische Widerstand 6 bei einer Zunahme der Temperatur von 20°C auf 140°C um ca. 50% seines Ausgangswertes. Der elektrische Widerstand 6 der Spule 1 steigt von etwa 20 Ohm auf etwa 30 Ohm an.
Der temperaturkompensierte elektrische Gesamtwiderstand, der sich aus der Summe der elektrischen Widerstände der Spule 1 und des Vorwiderstands 3 der Parallelschaltung aus ohmschem Widerstand 4 und NTC-Widerstand 5 ergibt, ist im oben genannten Temperaturbereich etwa konstant. Der temperaturkompensierte Gesamtwiderstand schwankt nur um wenige Prozent, vorzugsweise maximal um 2%, um einen mittleren Wert. Der mittlere Wert beträgt hier in etwa 30 Ohm. Dies ist durch Dreieckssymbole dargestellt. Dieser Wert hängt sehr stark vom Temperaturbereich ab, für den der Vorwiderstand 3 ausgelegt wird.
Der Vorwiderstand R_V der Parallelschaltung berechnet sich nach folgender Formel, wobei R_Ω für den rein ohmschen Widerstand 4 und R_NTC für den NTC-Widerstand 5 steht.
Der temperaturkompensierte Gesamtwiderstand R_Gesamt aus Parallelschaltung und Spule 1 berechnet sich nach der folgenden Formel, wobei R_Spule für den elektrischen Widerstand 6 der Spule 1 bzw. des elektrischen Leiters 1a steht. R_Gesamt = R_V + R_Spule
4 zeigt in schematischer Ansicht als elektrischen Leiter 1a eine elektromagnetische Spule 1, welche einen gewickelten Kupferdraht 1b aufweist.
Neben dem Kupferdraht 1b ist ein Draht 4a aufgewickelt, der einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, dessen Wert bei 600°C höchstens 5% über dessen Wert bei 20°C liegt. Der Draht 4a ist aus Konstantan gefertigt.
Der Draht 4a ist zusätzlich auf die elektromagnetische Spule 1 aufgewickelt, welche als elektrischer Leiter 1a den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand 6 bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10017661 C2 [0002]
DE 19646986 A1 [0004, 0008]
FR 2893756 A1 [0012]
EP 0754269 B1 [0027]

Claims

Schaltung zur Verwendung in Aktoren, elektromotorischen Antrieben oder Ventilen, umfassend einen elektrischen Leiter (1a) mit einem temperaturabhängigen elektrischen Widerstand (6), welcher mit einem elektrischen Vorwiderstand (3) in Reihe geschaltet ist, wobei der elektrische Vorwiderstand (3) eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand (4) und einem NTC-Widerstand (5) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand (4) nur oder überwiegend durch einen Draht (4a) gebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (4a) einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, dessen Wert bei 600°C höchstens 20%, bevorzugt höchstens 10%, besonders bevorzugt höchstens 5% über dessen Wert bei 20°C liegt.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (4a) aus Konstantan gefertigt ist oder Konstantan aufweist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (4a) zusätzlich auf eine Spule (1) aufgewickelt ist, welche als elektrischer Leiter (1a) den temperaturabhängigen elektrischen Widerstand (6) zeigt.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (1a) einen Kupferdraht (1b) aufweist.
Verwendung einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Aktor, einem elektromotorischen Antrieb oder in einem Ventil.
Ventil, umfassend eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (1a) als elektromagnetische Spule (1) ausgestaltet ist, wobei ein Anker (2) vorgesehen ist, wobei der Anker (2) bei Bestromung der Spule (1) durch die Magnetkraft der Spule (1) betätigbar ist, wobei die Spule (1) mit einem elektrischen Vorwiderstand (3) in Reihe geschaltet ist und wobei der elektrische Vorwiderstand (3) eine Parallelschaltung aus einem ohmschen Widerstand (4) und einem NTC-Widerstand (5) ist.
Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine einzige Spule (1) vorgesehen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als AKF-Regenerierventil zur Dosierung von Kraftstoffdämpfen.