DE3415649A1

DE3415649A1 - Schaltungsanordnung zur betaetigung eines elektromagnetischen ventils

Info

Publication number: DE3415649A1
Application number: DE19843415649
Authority: DE
Inventors: Alfred 4320 Hattingen Adam; Karl 4630 Bochum Geske; Wolfgang 4630 Bochum Triesch
Original assignee: Tiefenbach & Co Dr H; DR H TIEFENBACH GmbH AND Co
Current assignee: Tiefenbach & Co Dr H; DR H TIEFENBACH GmbH AND Co
Priority date: 1984-04-27
Filing date: 1984-04-27
Publication date: 1985-11-07
Also published as: DE3415649C2

Description

"Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Ventils"
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Ventils, also eines Ventils, das eine Betätigungsspule aufweist, mit der der Betätigungsspule in der Anzugsphase der Anzugsstrom und in der Haltephase der niedrigere Haltestrom zugeführt wird.
Es ist seit langem bekannt, daß Betätigungsspulen von elektromagnetischen Ventilen, von Schützen und von anderen elektromagnetisch betätigten Geräten einerseits zum Anziehen - in der Anzugsphase - einen bestimmten Anzugsstrom benötigen, andererseits aber nach dem Anziehen - in der Haltephase - nur einen Haltestrom benötigen, der wesentlich geringer ist als der Anzugsstrom der Haltestrom liegt häufig bei ca. 10 bis 20 Prozent des Anzugs stromes.
(Eingangs ist gesagt worden, daß die Erfindung eine Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Ventils, also eines Ventils, das eine Betätigungsspule aufweist, betrifft, also eine Schaltungsanordnung betrifft, mit der der Betätigungsspule in der Anzugsphase der Anzugsstrom und in der Haltephase der niedrigere Haltestrom zugeführt wird. Aus dem zuvor Gesagten wird unmittelbar deutlich, daß hier elektromagnetisches Ventil nur als ein Beispiel für elektromagnetisch betätigte Geräte steht.) Im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird zumeist nach dem Anziehen in Reihe zu der Betätigungsspule ein Vorwiderstand geschaltet und damit der durch die Betätigungsspule fließende Strom auf den nur benötigten Haltestrom begrenzt. Das ist jedoch insoweit nachteilig, als der Vorwiderstand elektrische Leistung verbraucht, - bekanntlich das Produkt aus dem Quadrat des Haltestromes und aus dem Widerstandswert des Vorwiderstandes.
Elektromagnetische Ventile werden u. a. im untertägigen Bergbau eingesetzt, insbesondere auch als Vorsteuerventile in Verbindung mit hydraulischen Ventilen. Insbesondere beim Einsatz im untertägigen Bergbau, aber auch bei anderen Anwendungsfällen ist es wichtig, daß die elektromagnetischen Ventile insgesamt nur die elektrische Leistung verbrauchen, die sie funktionsnotwendig benötigen. Für elektromagnetische Ventile im untertägigen Bergbau gilt dies beispielsweise auch deshalb, weil diese an Netzgeräte mit eigensicherem Ausgang angeschlossen werden.
Für die Verwendung von elektromagnetischen Ventilen im untertägigen Bergbau gehört bereits zum Stand der Technik (vgl. die DE-OS 32 29 835), nach dem Anziehen der Betätigungsspule nur noch eine abgesenkte Spannung zur Verfügung zu stellen, so daß daraus der Haltestrom resultiert. Wie und mit welchem Aufwand dabei die Spannung abgesenkt werden soll, gehört nicht zum Stand der Technik.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der in Rede stehenden Art anzugeben, die weitgehend sicherstellt, daß insgesamt nur die funktionsnotwendig benötigte elektrische Leistung bzw. elektrische Energie verbraucht wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die zuvor hergeleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Betätigungsspule ein elektronischer Einschalter liegt und der Einschalter während der Anzugsphase dauernd leitend gesteuert ist und während der Haltephase taktweise - mit einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis - leitend gesteuert ist.
Erfindungsgemäß wird die an sich seit langem bekannte Tatsache ausgenutzt, daß eine Betätigungsspule eines elektromagnetischen Ventils, die den Haltestrom führt, damit auch Energie gespeichert hat, nämlich die Hälfte des Produktes aus dem Quadrat des Haltestromes und aus der Induktivität der Betätigungsspule. Diese Energie steht also zur Verfügung, um dann, wenn in der Haltephase der Einschalter sperrend gesteuert ist, weiter einen Strom durch die Betätigungsspule fließen zu lassen, der - zusammen mit der mechanischen Trägheit - für eine begrenzte Zeit verhindert, daß das elektromagnetische Ventil in die Ausgangsstellung zurückschaltet. Das Puls-Pausen-Verhältnis, mit dem der Einschalter in der Haltephase nur taktweise leitend gesteuert ist, muß selbstverständlich so gewählt sein, daß die erforderliche Haltekraft nicht unterschritten wird, das elektromagnetische Ventil also nicht in die Ausgangsstellung zurückschaltet; beispielsweise kann das Puls-Pausen-Verhältnis 2 : 3 betragen.
Im einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Das wird im folgenden in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert; es zeigt Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Fig. 2 einen Stromlaufplan einer besonders bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und Fig. 3 grafische Darstellungen zur Erläuterung der Funktion der Schaltungsanordnung nach Fig. 2.
Die in den Fig, 1 und 2 dargestellte Schaltungsanordnung dient zur Betätigung eines elektromagnetischen Ventils, also eines Ventils, das eine Betätigungsspule 1 aufweist; nur diese Betätigungsspule 1 ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnung wird der Betätigungsspule 1 in der Anzugsphase A der Anzugsstrom und in der Haltephase H der niedrigere Haltestrom zugeführt.
Wie die Fig 1 und 2 zeigen, liegt in Reihe zu der Betätigungsspule 1 ein elektronischer Einschalter 2. Dieser elektronische Einschalter 2 ist Bestandteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das gilt nicht für den in Fig. 1 dargestellten Hauptschalter 3, mit dem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung an eine nicht dargestellte Spannungsquelle, beispielsweise an ein Netzgerät mit eigensicherem Ausgang, angeschaltet wird. Der Einschalter 2 ist während der Anzugsphase A dauernd leitend gesteuert und während der Haltephase H taktweise - mit einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis -leitend gesteuert.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist als Einschalter 2 ein Transistor vorgesehen, im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein Feldeffekttransistor.
Weiter oben ist bereits gesagt worden, daß erfindungsgemäß die Tatsache ausgenutzt wird, daß die Betätigungsspule 1 dann, wenn in ihr der Haltestrom fließt, Energie gespeichert hat. Diese Energie läßt dann, wenn in der Haltephase H der Einschalter 2 sperrend gesteuert ist, weiter einen Strom durch die Betätigungsspule 1 fließen. Damit dieser Strom fließen kann, ist parallel zu der Betätigungsspule 1 eine Freilaufdiode 4 geschaltet.
In den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine Logikschaltung 5 auf, mit der realisiert wird, daß der Einschalter 2 während der Anzugsphase A dauernd leitend gesteuert ist und während der Haltephase H taktweise leitend gesteuert ist. Im einzelnen weist die Logikschaltung 5 zunächst ein NAND-Gatter 6 auf. (Statt eines NAND-Gatters können auch andere logische Verknüpfungsglieder verwendet werden, insbesondere kann auch ein UND-Gatter verwendet werden. Die folgende, auf das Vorhandensein eines NAND-Gatters abgestellte Beschreibung stellt also keine Beschränkung dar.) Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, sind an den ersten Eingang 7 des NAND-Gatters 6 ein die Anzugsphase A realisierendes Zeitglied 8 und an den zweiten Eingang 9 des NAND-Gatters 6 ein Taktgenerator 10 angeschlossen.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Zeitglied 8 nur schematisch dargestellt. Im Gegensatz dazu zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eine konkrete Realisierung des Zeitgliedes 8. Hier besteht das Zeitglied 8 aus einem ersten Schmitt-Trigger 11, aus einem dem ersten Schmitt-Trigger 11 nachgeschalteten Verzögerungsglied 12 mit einem Verzögerungskondensator 13 und einem Verzögerungswiderstand 14 und aus einem an die Verbindung 15 von Verzögerungskondensator 13 und Verzögerungswiderstand 14 angeschlossenen zweiten Schmitt-Trigger 16.
In beiden dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Taktgenerator 10 aus einem Oszillator 17 und aus einem eine Einstellung des Puls-Pausen-Verhältnisses ermöglichenden Zählglied 18.
Für die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die Fig. 2 zeigt, gilt weiter, daß die Logikschaltung 5 ein zweites NAND-Gatter 19 aufweist und an den ersten Eingang 20 des zweiten NAND-Gatters 19 der Ausgang 21 des ersten Schmitt-Triggers 11 des Zeitgliedes 8, an den zweiten Eingang 22 des zweiten NAND-Gatters 19 der Ausgang 23 des Zählgliedes 18 des Taktgenerators 10 und der Ausgang 24 des zweiten NAND-Gatters 19 an den zweiten Eingang 9 des ersten NAND-Gatters 6 angeschlossen sind.
Im übrigen zeigt die Fig. 2 insoweit eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, als eingangsseitig ein Verzögerungsglied 25 aus einem Verzögerungswiderstand 26 und einem Verzögerungskondensator 27 vorgesehen ist und der Eingang 28 des Zeitgliedes 8 und der Versorgungsspannungsanschluß 29 des Zählgliedes 18 des Taktgenerators 10 an die Verbindung 30 von Verzögerungswiderstand 26 und Verzögerungskondensator 27 angeschlossen sind. Dem Verzögerungskondensator 27 des Verzögerungsgliedes 25 ist die Reihenschaltung aus einer Entladediode 31 und einem Entladewiderstand 32 parallelgeschaltet. Die Verbindung 33 von Entladediode 31 und Entladewiderstand 32 ist an das der Verbindung 30 von Verzögerungswiderstand 26 und Verzögerungskondensator 27 ferne Ende des Verzögerungswiderstandes 26 angeschlossen.
Das eingangsseitig vorgesehene Verzögerungsglied 25 führt dazu, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erst nach einer - relativ kurzen - Verzögerungszeit aktiv wird.
Besondere Bedeutung kommt einer Maßnahme zu, die bei beiden dargestellten Ausführungsformen verwirklicht ist. Diese Maßnahme besteht darin, daß eingangsseitig die Reihenschaltung aus einem Speicherkondensator 34 und einem Ladewiderstand 35 vorgesehen ist. Dabei ist dem Ladewiderstand 35 ein elektronischer Entladeschalter 36, im Ausführungsbeispiel ein Feldeffekttransistor, parallelgeschaltet. Der Entladeschalter 36 ist während der Haltephase H dauernd leitend gesteuert, und zwar mit Hilfe der Logikschaltung 5.
Das ist im einzelnen dadurch realisiert, daß die Logikschaltung 5 zwei weitere NAND-Gatter 37, 38 aufweist, an den ersten Eingang 39 des ersten weiteren NAND-Gatters 37 der Ausgang 21 des ersten Schmitt-Triggers 11 des Zeitgliedes 8 und an den zweiten Eingang 40 des ersten weiteren NAND-Gatters 37 der Ausgang 41 des zweiten Schmitt-Triggers 16 des Zeitgliedes 8 angeschlossen sind und der Ausgang 42 des ersten weiteren NAND-Gatters 37 an die beiden Eingänge 43, 44 des zweiten weiteren NAND-Gatters 38 angeschlossen ist.
Dadurch, daß in der zuvor beschriebenen Weise bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 2 eingangsseitig die Reihenschaltung aus einem Speicherkondensator 34 und einem Ladewiderstand 35 mit parallelgeschaltetem Entladeschalter 36 vorgesehen ist, ist erreicht, daß der die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung speisenden Spannungsquelle in dem Augenblick, in dem die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung an die sie speisende Spannungsquelle gelegt wird, ein nach einer e-Funktion abnehmender Ladestrom entnommen wird, - während der durch die Betätigungsspule 1 fließende Anzugsstrom nach einer e-Funktion ansteigt.
Die Fig. 2 zeigt auch insoweit eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, als in Reihe zu der Betätigungsspule 1 ein elektronischer Ausschalter 45, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Feldeffekttransistor, liegt und der Ausschalter 45 während der Anzugsphase A und während der Haltephase H dauernd leitend gesteuert ist und nach der Haltephase H sperrend gesteuert wird, und zwar von der Logikschaltung 5. Dazu besteht der erste Schmitt-Trigger 11 des Zeitgliedes 8 aus zwei hintereinandergeschalteten invertierenden Triggerbausteinen 46, 47 und wird der Ausschalter 45 vom Ausgang 48 des ersten Triggerbausteines 46 gesteuert. Dabei sind parallel zu der Betätigungsspule 1 zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden 49, 50 geschaltet.
Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, daß dann, wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung von der sie speisenden Spannungsquelle getrennt wird, das elektromagnetische Ventil, zu dem die Betätigungsspule 1 gehört, besonders schnell in seine Ausgangsstellung zurückschaltet. Bei sperrend gesteuertem Ausschalter 45 wird nämlich die in der Betätigungsspule 1 gespeicherte elektrische Energie in sehr kurzer Zeit an den Zenerdioden 49, 50 verbraucht.
Schließlich sind bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung eingangsseitig noch weitere Maßnahmen verwirklicht. Einerseits ist eingangsseitig eine Brückenschaltung 51 vorgesehen, die aus vier Schottkydioden 52, 53, 54, 55 besteht. Weiter sind eingangsseitig zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden 56, 57 vorgesehen, die als überspannungsschutz dienen. An die Verbindung 58 der beiden Zenerdioden 56, 57 ist das Verzögerungsglied 25 angeschlossen.
Die grafischen Darstellungen in Fig. 3 zeigen, jeweils in Abhängigkeit von der Zeit, die Eingangsspannung UE, die Spannung U1 am Ausgang 59 des NAND-Gatters 6 der Logikschaltung 5, die Spannung U2 am Ausgang 60 des zweiten weiteren NAND-Gatters 38 der Logikschaltung 5, den Eingangsstrom IE, den Strom IL durch die Betätigungsspule 1 und den Strom IC durch den Speicherkondensator 34.
(Es ist darauf hinzuweisen, daß an den mit einem Pfeil markierten Stellen in den grafischen Darstellungen der Zeitmaßstab erheblich vergrößert ist.)

Claims

Patentansprüche: Schaltungsanordnung zur Betätigung eines elektromagnetischen Ventils, also eines Ventils, das eine Betätigungsspule aufweist, mit der der Betätigungsspule in der Anzugsphase der Anzugsstrom und in der Haltephase der niedrigere Haltestrom zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß in Reihe zu der Betätigungsspule (1) ein elektronischer Einschalter (2) liegt und der Einschalter (2) während der Anzugsphase (A) dauernd leitend gesteuert ist und während der Haltephase (H) taktweise - mit einem bestimmten Puls-Pausen-Verhältnis - leitend gesteuert ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Einschalter (2) ein Transistor, vorzugsweise ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Betätigungsspule (1) eine Freilaufdiode (4) geschaltet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschalter (2) von einer Logikschaltung (5) gesteuert wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (5) ein NAND-Gatter (6) aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den ersten Eingang (7) des NAND-Gatters (6) ein die Anzugsphase (A) realisierendes Zeitglied (8) und an den zweiten Eingang (9) des NAND-Gatters (6) ein Taktgenerator (10) angeschlossen sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (8) aus einem ersten Schmitt-Trigger (11), aus einem dem ersten Schmitt-Trigger (11) nachgeschalteten Verzögerungsglied (12) mit einem Verzögerungskondensator (13) und einem Verzögerungswiderstand (14) und aus einem an die Verbindung (15) von Verzögerungskondensator (13) und Verzögerungswiderstand (14) angeschlossenen zweiten Schmitt-Trigger (16) besteht.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (10) aus einem Oszillator (17) und aus einem eine Einstellung des Puls-Pausen-Verhältnisses ermöglichenden Zählglied (18) besteht.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (5) ein zweites NAND-Gatter (19) aufweist und an den ersten Eingang (20) des zweiten NAND-Gatters (19) der Ausgang (21) des ersten Schmitt-Triggers (11) des Zeitgliedes (8), an den zweiten Eingang (22) des zweiten NAND-Gatters (19) der Ausgang (23) des Zählgliedes (18) des Taktgenerators (10) und der Ausgang (24) des zweiten NAND-Gatters (19) an den zweiten Eingang (9) des ersten NAND-Gatters (6) angeschlossen sind.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig ein Verzögerungsglied (25) aus einem Verzögerungswiderstand (26) und einem Verzögerungskondensator (27) vorgesehen ist und der Eingang (28) des Zeitgliedes (8) und der Versorgungsspannungsanschluß (29) des Zähigliedes (18) des Taktgenerators (10) an die Verbindung (30) von Verzögerungswiderstand (26) und Verzögerungskondensator (27) angeschlossen sind.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verzögerungskondensator (27) des Verzögerungsgliedes (25) die Reihenschaltung aus einer Entladediode (31) und einem Entladewiderstand (32) parallelgeschaltet ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (33) von Entladediode (31) und Entladewiderstand (32) an das der Verbindung (30) von Verzögerungswiderstand (26) und Verzögerungskondensator (27) ferne Ende des Verzögerungswiderstandes (26) angeschlossen ist.
13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig die Reihenschaltung aus einem Speicherkondensator (34) und einem Ladewiderstand (35) vorgesehen ist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ladewiderstand (35) ein elektronischer Entladeschalter (36), vorzugsweise ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, parallelgeschaltet ist und der Entladeschalter (36) während der Haltephase (H) dauernd leitend gesteuert ist.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladeschalter (36) von der Logikschaltung (5) gesteuert wird.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (5) zwei weitere NAND-Gatter (37, 38) aufweist, an den ersten Eingang (39) des ersten weiteren NAND-Gatters (37) der Ausgang (21) des ersten Schmitt-Triggers (11) des Zeitgliedes (8) und an den zweiten Eingang des ersten weiteren NAND-Gatters (37) der Ausgang (41) des zweiten Schmitt-Triggers (16) des Zeitgliedes (8) angeschlossen sind und der Ausgang (42) des ersten weiteren NAND-Gatters (37) an die beiden Eingänge (43, 44) des zweiten weiteren NAND-Gatters (38) angeschlossen ist.
17. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Betätigungsspule (1) ein elektronischer Ausschalter (45), vorzugsweise ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, liegt und der Ausschalter (45) während der Anzugsphase (A) und während der Haltephase (H) dauernd leitend gesteuert ist und nach der Haltephase (H) sperrend gesteuert wird.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausschalter (45) von der Logikschaltung (5) gesteuert wird.
19. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 7 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schmitt-Trigger (11) des Zeitgliedes (8) aus zwei hintereinandergeschalteten invertierenden Triggerbausteinen (46, 47) besteht und der Ausschalter (45) vom Ausgang (48) des ersten Triggerbausteines (46) gesteuert wird.
20 Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Betätigungsspule (1) zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden (49, 50) geschaltet sind.
21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig eine Brückenschaltung (51) vorgesehen ist.
22. Schaltungsanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (51) aus vier Schottkydioden (52, 53, 54, 55) besteht.
23. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Zenerdioden (56, 57) vorgesehen sind.
24. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 10 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (25) an die Verbindung (58) der beiden Zenerdioden (56, 57) angeschlossen ist.