DE1281012B - Schaltungsanordnung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer an ein Gleichstromnetz geschalteten Spule fuer Schaltgeraete, Relais, Magnete oder Regler - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES WÄ^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 02k

H 02p
Deutsche Kl.: 21 dl - 34

Nummer: 1281012

Aktenzeichen: P 12 81 012.7-32 (O 9917)

Anmeldetag: 28. Januar 1964

Auslegetag: 24. Oktober 1968

Schaltungsanordnung zum schnellen Ein- und
Ausschalten einer an ein Gleichstromnetz
geschalteten Spule für Schaltgeräte, Relais,
Magnete oder Regler

Anmelder:

Borg-Warner Corporation,

Chicago, JIl. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

2000 Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:

Vernon Z. Smith, Wayne, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 29. Januar 1963 (254 623)

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer mit einer Kapazität zur Stoßerregung und einem Halbleiterschalter in Reihe an ein Gleichstromnetz geschalteten Spule für Schaltgeräte, Relais, Magnete oder Regler, bei der parallel zu der Kapazität ein erster Widerstand geschaltet ist und bei der zur Schnellentregung der Abbau der in der Spule gespeicherten Energie in einer Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand und einem Gleichrichter erfolgt.

Die Ein- und Ausschaltung induktivitätsbehafteter Stromkreise brachte bisher Probleme mit sich, insbesondere in Systemen mit Bauteilen, die eine große Zahl von Bewegungen zwischen der Arbeits- und Ruhelage in einer kurzen Zeit ausführen mußten. 15 Beim Schalten eines Relais oder einer Magnetspule wirkt die Spule als Induktivität und verzögert den Stromanstieg. Ebenso versucht die Induktivität, den Stromfluß durch die Spule aufrechtzuerhalten, nachdem der Energiekreis unterbrochen wurde. Ein manch- 20 mal benutzter Ausweg zur Beschleunigung des Ansprechvorganges einer solchen Anlage besteht darin, einen Energiespeicher, wie etwa eine Kapazität, parallel zum Gleichstromweg zu schalten, der normalerweise nach Erreichen eines stationären Betriebs- 25

zustandes den Gleichstrom nicht hindurchläßt. Wenn -

daher ein Halbleiter oder ein anderer Schalter in *

Serie mit der Spule und der Kapazität geschaltet ist, Schaltkreises zu erreichen, und wirkt daher einer wird beim Schließen des Stromkreises ein Stromstoß schnellen Bewegung der durch die Spule betätigten durch den Schalter, die Spule und die Kapazität 30 mechanischen Vorrichtungen entgegen, fließen. Dieser Stromstoß zu Beginn bewirkt eine Zum Schutz von Schalttransistoren vor Überlastunschnelle Betätigung der Anordnung, die bei statio- gen ist es bereits bekannt, parallel zu einer Spule eine närem Betrieb durch den über den zur Kapazität par- Schutzdiode anzuordnen, so z. B. aus den AEG-Mitallelgeschalteten Widerstand fließenden Strom in Be- teilungen 1960, Heft 8/9, Seite 424. Dabei ist die trieb ist und bleibt. In einigen Schaltaufgaben ist es 35 Diode so geschaltet, daß sie für die beim Abschalten jedoch erwünscht, in einem Zeitraum von 1 Sekunde des Stromes entstehende gegenphasige Spannung eine große Zahl von Start- und Stopp- und Ein- und Ausschaltvorgängen an einer Anlage vorzunehmen. Wenn aber ein schneller Start einer Periode erreicht wird, müssen Maßnahmen getroffen werden, durch 4° welche die in der Kapazität und in dem magnetischen Feld der Spule gespeicherte Energie schnell aufgezehrt wird, wenn der Stromfluß im Schaltkreis durch Öffnen des Schalters unterbrochen worden ist.

In der Praxis ist es erforderlich, daß der parallel zu 45 31 und 32, und der österreichischen Patentschrift der Kapazität liegende Widerstand groß genug ist, 196 021.

um die Spule und ein als Schalter wirkendes Halb- Dabei ist der Kondensator parallel zu der aufzu-

leiterelement während der Erregung und Entregung ladenden Induktivität gelegt. Diese Parallelschaltung der Spule vor Schaden zu bewahren. Diese Bedingung ermöglicht zwar, die Verlustleistung kleiner als bei ergibt jedoch eine zu große Zeitkonstante, um eine 50 einer Reihenschaltung zu halten, wie es beim Angenügend schnelle Aufzehrung der in der Kapazität meldungsgegenstand erfolgt, doch muß dafür eine gespeicherten Energie nach der Unterbrechung des geringere Schaltgeschwindigkeit in Kauf genommen

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einen Kurzschluß darstellt. Auch ist es bekannt, in Reihe zu dieser Schutzdiode noch einen Widerstand zu legen, so z. B. aus der USA-Patentschrift 1 966 077. Es ist auch bekannt, zur Stoßerregung eines Stromkreises mit Induktivitäten eine Kapazität vorzusehen, die zur Aufrechterhaltung des Stromes im stationären Zustand mit einem Widerstand überbrückt ist, so z. B. aus dem »Elektro-Anzeiger« 1960, Heft 3/4, Seiten

werden. Bei Anordnungen, bei denen es dagegen auf hohe Schaltgeschwindigkeiten verhältnismäßig geringer Leistungen ankommt, wie z. B. bei einer Abtasteinrichtung für ein Lochstreifen-Lesegerät, spielt die etwas höhere Verlustleistung der Reihenschaltung praktisch keine Rolle, wenn damit eine wesentliche Steigerung der Schaltgeschwindigkeit erzielt werden kann.

Schließlich ist die Verwendung von Halbleiter-Dioden für solche Zwecke ebenfalls bekannt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schaltung zum Schutz des Halbleiterschalters zu schaffen, die zugleich durch Stoßerregung und Schnellentregung der Spule hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Schaltung bewirkt eine schnelle Vernichtung der in der Kapazität und in der Spule gespeicherten Energie, wobei gleichzeitig der Halbleiterschalter vor der Einwirkung einer schäd-

Praxis kann zwischen den Klemmen 10 und 12 eine Spannung angelegt werden, so daß entsprechend der Leitung des Transistors 13 ein schneller Stromstoß durch die Kapazität 14 und die Spule 15 fließt, die Kontakte 17 betätigt.

Die erforderliche Betriebsstärke des Stromes in der Spule 15 wird demgemäß schnell erreicht, und danach ist der Stromfluß von der Klemme 12 durch den Widerstand 18, die Spule 15, den Transistor 13 zur ίο Erde an Klemme 10 gerichtet. Wenn aber ein Stromkreis durch Öffnen des Transistors 13 unterbrochen und durch schnell darauffolgendes Schließen desselben wieder betätigt werden soll, hat die in der Kapazität 14 gespeicherte elektrische Energie möglicherweise nicht genügend Zeit zur Aufzehrung in dem Widerstand 18. Die Kontakte 17 (oder eine andere mechanische Anordnung) werden nach Vernichtung der elektrischen Energie geöffnet. Entsprechend der Erfindung ist eine dem Schutz und der Energiever-

lichen Spannung geschützt ist; und die Erfindung be- ao wicklung dienende Schutzschaltung 20 zwischen den steht darin, daß die aus dem zweiten Widerstand und Klemmen 11 und 12 angefügt. Sie gewährleistet eine dem Gleichrichter bestehende Reihenschaltung par- schnelle und wirksame Vernichtung der elektrischen allel zu der Kapazität und der Spule liegt. Energie, die in der Kapazität 14 und dem magneti-

Durch diese erfindungsgemäße Schaltungsanord- sehen Feld der Spule 15 gespeichert ist und bei Unternung ergibt sich der Vorteil, daß nur noch die Rest- 35 brechung des Schaltkreises durch Öffnen des Halbenergie, die nicht bereits durch Schwingungen in leiterschalters 13 frei wird.

dem aus Spule und Kapazität gebildeten Stromkreis In F i g. 2 ist der Emitter, die Basis und der KoI-

vemichtet wird, infolge der über der Reihenschal- lektor des Transistorschalters 13 mit 13 e, 13 b bzw. tung aus Spule und Kapazität auftretenden Potential- 13 c bezeichnet. Es können auch andere Schalterdifferenz und des dadurch hervorgerufenen Stromes 30 oder Transistortypen Verwendung finden, wenn die in dem Gleichrichter vernichtet wird. Es ergeben sich Erregungs- und Steuerpotentiale für die Elektroden dabei außerordentlich kurze Schaltzeiten. die geeigneten Vorzeichen haben.

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Die Schutzschaltung nach F i g. 2 ist durch die Zahl

Schaltungsanordnung besteht darin, daß in Reihe mit 21 bezeichnet und besteht aus einem Gleichrichter 22 der aus dem zweiten Widerstand und dem Gleich- 35 in Serie mit einem Widerstand 23.
richter bestehenden Reihenschaltung ein Transistor Unter der Annahme, daß eine geeignete Potentialgeschaltet ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke unter differenz zwischen den Klemmen 10. und 12 liegt und Zwischenschaltung eines dritten Widerstandes par- daß das über die Leitung 24 an den Transistor anallel zu der Kapazität liegt und daß der Verbindungs- gelegte Potential in bezug auf das Potential der punkt zwischen der Basis des Transistors und der 40 Klemme 10 einen so hohen positiven Wert hat, daß Reihenschaltung über einen vierten Widerstand mit der Transistor den Strom sperrt, ist kein Stromfluß dem Verbindungspunkt zwischen der Spule und einem
mit der Kapazität in Reihe geschalteten fünften
Widerstand verbunden ist.

Damit ergibt sich als weiterer Vorteil, daß der der 45
Kapazität parallelgeschaltete Widerstand nicht mehr
so groß bemessen sein muß, daß er einerseits den
Ladestrom führen muß und andererseits dennoch
eine schnelle Entregung gewährleistet. Diese Aufgabe wird von dem dritten Widerstand übernommen. 50 schaltung 21 in der Durchlaßrichtung der Diode als Die Steuerung des Transistors erfolgt zum richtigen eine im wesentlichen offene Leitung, d. h. von hohem

Widerstand. Der Widerstand 18 setzt dem Stromfluß nur geringen Widerstand entgegen. Die Kapazität 14 bietet jedoch einem von Klemme 12 durch die Spule 15 und den Transistor 13 zur Klemme 10 laufenden Stromstoß den geringsten Widerstand. Demgemäß fließt der Stromstoß durch diesen Zweig. Der Betriebswert der Stromstärke in Spule 15 wird schnell erreicht und bewirkt die gewünschte Betäti-

F i g. 2 ein detailliertes Schaltbild der Schaltungs- 60 gung der damit verbundenen mechanischen, nicht geanordnung nach F i g. 1 und zeigten Schaltkontakte. Wenn sich an der Kapazität

F i g. 3 ein Schaltbild einer verbesserten Ausfüh- 14 eine Ladung oder Spannung aufbaut, nimmt der rung der Erfindung. Stromstoß ab, und gleichzeitig nimmt der durch den

In F i g. 1 ist eine schnell wirkende Schaltung zur Widerstand 18 fließende Strom schnell bis auf einen Betätigung einer Induktionsspule 15 oder eines ahn- 65 stationären Wert zu, wobei dann der Strom von

von Klemme 12 durch die Schutzschaltung 21, durch die Kapazität 14 oder durch den Widerstand 18 möglich.

Beim Anlegen einer geeigneten Spannung über Leitung 24 wird der Transistor 13. sogleich geöffnet und läßt nun Strom hindurch. Wenn man die verschiedenen, vom Spannungspunkt 12 ausgehenden Zweigleitungen in Fig. 2 verfolgt, erscheint die Schutz-

Zeitpunkt, nämlich durch den Spannungsabfall über dem fünften Widerstand.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher beschrieben. Darin zeigt

F i g. 1 ein vereinfachtes schematisches, teilweise in Blockform gehaltenes Schaltbild einer bekannten Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Zuschaltung der Schutzschaltung,

liehen Bauteiles angegeben. Die Schaltung enthält eine erste Klemme 10, die Erde, eine zweite Klemme und eine dritte Klemme 12. Nach der üblichen

Klemme 12 durch den Widerstand 18, die Spule 15 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 13 zur Erde fließt.

Wenn nun ein Sperrsignal mit positivem Vorzeichen über die Leitung 24 den Transistor 13 sperrt, wird dessen Leitfähigkeit aufgehoben, so daß sich die Stromstärke durch die Spule 15 verringert. Nach den bekannten Grundsätzen versucht diese Spule die Stromstärke aufrechtzuerhalten, wobei die in dem magnetischen Feld in der Umgebung der Spule während des Stromanstiegs von Null auf den stationären Wert gespeicherte Energie in den Stromkreis zurückgegeben wird, wenn das magnetische Feld zusammenbricht. Dabei ist zu beachten, daß das zusammenbrechende magnetische Feld in der Spule eine Spannung induziert, deren Vorzeichen entgegengesetzt dem Vorzeichen der Spannung ist, die während des stationären Stromflusses an der Spule erschien. Diese induzierte Spannung ist entgegengesetzt zu der an der Kapazität 14 liegenden Spannung. Die resultierende Potentialdifferenz (die algebraische Summe der an der Spule 15 erscheinenden induzierten Spannung und der Spannung an der Kapazität 14) liegt an der Schutzschaltung 21. Diese Potentialdifferenz verursacht eine Stromleitung durch die Schaltung 21 von Klemme 11 über die Diode 22, den Widerstand 23, den Widerstand 18 und die Spule 15 zurück zur Klemme 11. Gleichzeitig wird die auf der Kapazität 14 angesammelte Ladung schnell über die den Widerstand 18 enthaltende Leitung abgeleitet.

Es ist wichtig, daß der Kollektor 13 c des Transistors 13 während der Vernichtung der in der Kapazität 14 und dem magnetischen Feld in der Umgebung der Spule 15 gespeicherten elektrischen Energie geschützt ist. Das beruht darauf, daß die in den beiden Bauteilen gespeicherten Ladungen entgegengesetzte Vorzeichen haben. Bei dieser Anordnung erreicht das Relais oder der Magnet mit der Spule 15 schneller den Ausschaltungspunkt, als wenn die Schutzschaltung 21 direkt an der Spule 15 läge. Wenn die Schutzschaltung an die Klemme 12 angeschlossen ist und die in der Spule 15 induzierte Spannung sich gegen die Spannung an der Kapazität 14 abschwächt, liegt beim Zusammenbruch des Stromes nicht der volle induzierte Spannungsstoß an dem Kollektor 13 c des Transistors, wodurch dieser wichtige Halbleiter in der Schaltung geschützt wird.

Es können somit zweckmäßig Transistoren mit geringerer Betriebsspannung in dem Schaltkreis verwendet werden.

In der in Fig. 3 gezeigten Ausführung ist die Schutzschaltung durch die Zahl 25 bezeichnet. Diese Schaltung besteht aus einem Widerstand oder einem anderen von Gleichstrom durchflossenen Widerstand 26, das in den Stromkreis zwischen der Kapazität 14 und der Spule 15 eingefügt ist. Ferner besteht die Schutzschaltung selbst aus einer Serienanordnung eines Transistors 27 und einem energieverbrauchenden Widerstand 28, die beide parallel zu der Kapazität 14 liegen. Der Halbleiterschalter oder Transistor 27 enthält einen Kollektor 27 c, eine Basis 27 b und einen Emitter 27 e.

Die Basis 27 b ist über eine erste, einen Widerstand 29 enthaltende Leitung mit der Verbindung zwischen dem Widerstand 26 und der Spule 15, und über eine zweite, einen Widerstand 30 und einen Gleichrichter 31 oder eine Diode enthaltende Leitung mit der gemeinsamen Verbindung zwischen Spule 15 und Kollektor 13 c des Halbleiterschalters 13 verbunden. Widerstand 30 und Gleichrichter 31 sind mit anderen Bezugszeichen versehen als die in der Ausführung nach Fig. 2, um den unterschiedlichen Ort in der Schaltung und die unterschiedliche Wirkungsweise des Widerstandes 30 und des Gleichrichters 31 in der Ausführung der F i g. 3 zu betonen.
S Es wird angenommen, daß das passende Erregerpotential zwischen den Klemmen 10 und 12 liegt, und daß die über Leitung 24 (in bezug auf die Klemme 10) an die Basis 13 b des Transistors 13 angelegte Steuerspannung diesen Transistor sperrt, so

ίο daß kein Strom durch den die Spule 15 enthaltenden Stromkreis fließt. Beim Eintreffen eines negativen Signals über Leitung 24 wird der Transistor 13 geöffnet, und ein Stromstoß fließt von dem Spannungspunkt 12 durch die Kapazität 14, den Widerstand 26, die Spule 15 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 13 zur Klemme 10. Mit diesem Stromstoß erreicht die Stromstärke in der Spule 15 in sehr kurzer Zeit den Betriebsendwert und bewirkt die gewünschte Betätigung von Kontakten, einer Bremse

ao oder anderen nicht gezeigten mechanischen Anlagen. In dem Maße, wie sich in der Kapazität 14 die Ladung aufbaut, nimmt der Stromfluß durch die Kapazität ab. Jedoch fließt ein stationärer Gleichstrom durch die Parallelleitung mit dem Widerstand 18, so daß der Stromfluß durch die Betriebsleitung aufrechterhalten bleibt und die durch die Spule 15 gesteuerte Betriebsanlage im erregten Zustand bleibt. Soweit ist der Vorgang praktisch derselbe wie bei der Schaltung nach der F i g. 2.

Wenn ein Strom im wesentlichen konstanter Höhe durch den Stromkreis fließt, hat das an der Spule 15 liegende Potential die durch das Plus- und Minuszeichen in der Zeichnung angezeigte Polarität. Sie ist so beschaffen, daß die Diode 31 nicht leitet. Bei dem gleichen Stromfluß erteilt die Polarität des Spannungsabfalles an dem Widerstand 26 der Basis-Emitter-Strecke andererseits eine Vorspannung, wodurch der Transistor 27 während der Zeit, in welcher der Strom in dem Stromkreis fließt, gesperrt bleibt.

Entsprechend der Lehre nach der Erfindung wird der Halbleiterschalter 13 und damit der Stromfluß in dem Stromkreis unterbrochen, wenn ein positives oder Sperrsignal über Leitung 24 an die Basis 13 b des Halbleiterschalters gelangt. Das Vorzeichen der durch das zusammenbrechende magnetische Feld an der Spule 15 induzierten Spannung ist entgegengesetzt dem Vorzeichen der Spannung, die in dem Zeitraum an der Wicklung liegt, in dem der stationäre Strom hindurchfließt. Dieses Potential mit umgekehrtem Vorzeichen hat zur Folge, daß der Gleichrichter 31 leitet und der Strom durch die Leitung mit der Spule 15, dem Gleichrichter 31 und den Widerständen 30 und 29 fließt. Das Vorzeichen der an dem Widerstand 29 liegenden Spannung ist so, daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 27 in Durchtrittsrichtung eine Vorspannung erhält, so daß dieser Transistor schnell geöffnet wird und den energieverbrauchenden Stromweg von einer Platte der Kapazität 14 durch den energie verbrauch enden Widerstand 28 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 27 zur anderen Platte der Kapazität 14 schließt. Die in diesem Kreis gespeicherte elektrische Energie wird schnell und wirksam verbraucht, wobei die Zeitkonstante für die Entladung der Kapazität praktisch durch die Werte der Kapazität 14 und des Widerstandes 28 bestimmt ist. Das bedeutet einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem Erfordernis, daß sich die Kapazität über den Widerstand 18 entlädt, der aus

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praktischen Erwägungen groß genug sein muß, damit er den Gleichstrom durch den Stromkreis begrenzt und die Spule 15 und den Transistor 13 schützt.

Der Transistor 27 kann deshalb nicht zufällig stromdurchlässig werden, weil der normale Betriebsstrom an der Spule 15 einen Spannungsabfall hervorruft, so daß kein Strom durch den Gleichrichter 31 an die Basis 27 & gelangt, wenn der Halbleiterschalter 13 leitet. Diese Schaltung erwies sich in der Praxis als sehr wirkungsvoll und spricht in einer Zeitspanne von der Größenordnung 3 m/sec oder weniger an, in der auch die durch den Zusammenbruch des Stromes in der Spule 15 gesteuerte mechanische Betätigung einsetzt und die Kapazität 14 im wesentlichen entladen ist, so daß die Anlage bereit ist, auf den nächsten Steuerimpuls anzusprechen und einen Stromstoß in entgegengesetzter Richtung durch den Stromkreis zu schicken, worauf abermals die erforderliche Stärke des Betriebsstromes in der Spule 15 erreicht wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum schnellen Ein- und Ausschalten einer mit einer Kapazität zur Stoßerregung und einem Halbleiterschalter in Reihe an ein Gleichstromnetz geschalteten Spule für Schaltgeräte, Relais, Magnete oder Regler, bei der parallel zu der Kapazität ein erster Widerstand geschaltet ist und bei der zur Schnellentregung der Abbau der in der Spule gespeicherten Energie in einer Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand und einem Gleich-

ao richter erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem zweiten Widerstand (23; 30) und dem Gleichrichter (22; 31) bestehende Reihenschaltung parallel zu der Kapazität (14) und der Spule (15) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der aus dem zweiten Widerstand (30) und dem Gleichrichter (31) bestehenden Reihenschaltung ein Transistor (27) geschaltet ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke unter Zwischenschaltung eines dritten Widerstandes (28) parallel zu der Kapazität (14) liegt, und daß der Verbindungspunkt zwischen der Basis (27 b) des Transistors (27) und der Reihenschaltung (30, 31) über einen vierten Widerstand (29) mit dem Verbindungspunkt zwischen der Spule (15) und einem mit der Kapazität (14) in Reihe geschalteten fünften Widerstand (26) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichrichter (22; 31) in der aus diesem und dem zweiten Widerstand bestehenden Reihenschaltung eine Halbleiter-Diode verwendet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift E 5516 IX/35 a (bekanntgemacht am 2. 8.1956);
österreichische Patentschrift Nr. 196 021;
USA.-Patentschrift Nr. 1966 077;
»AEG-Mitteilungen«, 1960, Heft 8/9, S. 424.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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