-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Versorgung einer elektrischen Spule, insbesondere
der Spule eines Magnetventils, mit einem vorbestimmten
Betriebsstrom aus einer Spannungsquelle mit
unterschiedlichen Betriebsspannungen, bei der die Spule in
Reihe mit einem ersten steuerbaren Schaltelement und
einem Stromfühler liegt und das Meßsignal des
Stromfühlers durch einen ersten Komparator mit einem Bezugswert
verglichen wird und durch das Ausgangssignal des
Komparators bei Überschreitung des Bezugswerts durch das
Meßsignal ein Zeitschalter auslösbar ist, durch dessen
Ausgangssignal das durch ein Betriebssignal
eingeschaltete erste Schaltelement ausschaltbar ist, bis das
Meßsignal den Bezugswert erneut überschreitet.
-
Die folgenden Dokumente zeigen Aspekte vom Stand der
Technik: US 5,237,262; US 5,675,240; JP 55097601; US 5,627,459.
-
Eine im Handel erhältliche Schaltungsanordnung dieser
Art hat den in Fig. 3 dargestellten Aufbau. Sie dient
dazu, die Magnetspule eines Magnetventils mit
unterschiedlichen Betriebsspannungen, z. B. mit 12 Volt oder
24 Volt, bei gleichem Betriebsstrom betreiben zu
können, da es nicht immer möglich ist, die gleiche Spule
über einen größeren Betriebsspannungsbereich von
beispielsweise 9 bis 32 Volt zu betreiben: Die abgegebene
Leistung bei hoher Betriebsspannung könnte zu groß sein
(sie steigt mit dem Quadrat der Spannung). Um die
gleiche Spule in einem größeren Spannungsbereich von
beispielsweise 9 bis 32 Volt verwenden zu können, so daß
die Verwendung unterschiedlicher Spulen für die
verschiedenen Betriebsspannungen vermieden werden kann,
wird durch die bekannte Schaltungsanordnung der durch
die Spule L fließende Strom unabhängig von der
jeweiligen Betriebsspannung Ub konstant gehalten. Zu diesem
Zweck liegt in Reihe mit der Spule L ein als
Schaltelement betriebener Transistor T2 und ein Stromfühler in
Form eines Meßwiderstands R. Das Strommeßsignal in Form
des durch den Strom I am Widerstand R hervorgerufenen
Spannungsabfalls wird durch einen Komparator 1 mit
einem annähernd den Sollwert des Stroms bildenden
Bezugswert Uref verglichen. Das bei Überschreitung des
Bezugswerts durch das Strommeßsignal am Ausgang des
Komparators 1 auftretende Ausgangssignal A löst einen
Zeitschalter in Form eines monostabilen Multivibrators
2 aus, dessen Ausgangssignal mit einem Betriebssignal M
durch ein UND-Glied 3 verknüpft wird. Der Ausgang des
UND-Glieds 3 ist mit dem Steueranschluß des Transistors
T2 verbunden. Das Betriebssignal M tritt auf, solange
das Magnetventil in Betrieb gesetzt werden soll, d. h.
der Strom I fließen soll. Vor Betriebsbeginn liegt
mithin das Strommeßsignal unterhalb des Bezugswerts Uref,
so daß am umkehrenden Ausgang des Multivibrators 2 ein
hohes Signal auftritt und der Transistor T2
durchgeschaltet wird. Sobald der daraufhin nach einer
Exponentialfunktion ansteigende Strom I den Bezugswert
überschreitet, tritt am Ausgang des Komparators 1 ein hohes
Signal A auf, das den monostabilen Multivibrator 2
aus
löst und den Transistor T2 über das UND-Glied 3
ausschaltet (sperrt).
-
Die in Fig. 4 dargestellten Diagramme veranschaulichen
die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3.
Solange das Betriebssignal M andauert, fließt der Strom
I. Während der Zeit t1 steigt er exponentiell bis zum
Erreichen eines Spitzenwertes Ip an, bei dem der
Bezugswert Uref überschritten wird. Das dadurch
ausgelöste Signal A des Komparators 1 sperrt sofort wieder den
Transistor T2. Der Strom I in der Spule L fließt jedoch
über eine Freilaufdiode D&sub1; und einen antiparallel zur
Spule L und einer Z-Diode DZ1 geschalteten Transistor
T1 weiter, der ebenfalls während der Dauer des hohen
Betriebssignals M eingeschaltet (durchgesteuert) wird.
Dabei nimmt der Strom I jedoch ebenfalls nach einer
Exponentialfunktion während der Ausschaltdauer taus des
Transistors T2 sofort nach dem Verschwinden des
Ausgangssignals A ab. Der durch das Verschwinden des
Ausgangssignals A sofort wieder ausgelöste monostabile
Multivibrator 2 schaltet nach der durch seine Laufzeit
bestimmten Ausschaltdauer taus des Transistors T2 den
Transistor T2 sofort wieder ein. Danach wiederholt sich
der geschilderte Vorgang solange, bis das
Betriebssignal M verschwindet. Am Ende des Betriebssignals M
werden beide Transistoren T1 und T2 ausgeschaltet,
wonach der Strom I über die Freilaufdiode D1 und die Z-
Diode DZ1 fließt und sehr rasch verschwindet.
-
Der Ist-Wert des Stroms 1 liegt dann nur geringfügig
unterhalb des Spitzenwertes Ip = Uref/R und entspricht
dem Mittelwert des etwa sägezahnförmigen Verlaufs des
Stroms I in Fig. 4.
-
Die Anstiegszeit des Stroms I hängt jedoch von der Höhe
der Betriebsspannung Ub ab. Da die Anstiegszeit t1 die
Ansprechgeschwindigkeit des Magnetventils bestimmt,
hängt die Funktion des Magnetventils ebenfalls von der
Höhe der Betriebsspannung ab.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art
anzugeben, bei der die Anstiegsgeschwindigkeit des durch die
Spule nach Betriebsbeginn fließenden Stroms unabhängig
von der Betriebsspannung ist.
-
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
das Meßsignal des Stromfühlers durch einen zweiten
Komparator mit einem unabhängig von einer Änderung der
Betriebsspannung nach einer vorbestimmten Funktion stetig
ansteigendem Signal verglichen wird, das ebenfalls
durch das Betriebssignal auslösbar ist, und daß der
Zeitschalter durch das Ausgangssignal des zweiten
Komparators auslösbar ist, wenn das Meßsignal das stetig
ansteigende Signal überschreitet, bevor das Meßsignal
den Bezugswert überschreitet.
-
Bei dieser Lösung ist die Anstiegszeit des Spulenstroms
unmittelbar nach Betriebsbeginn bis zum Erreichen des
Bezugswerts durch eine konstante Anstiegszeit des
stetig ansteigenden Signals bestimmt und ist daher
konstant.
-
Bei dem stetig ansteigenden Signal kann es sich auf
einfache Weise um das Ausgangssignal eines Integrators
mit konstantem Eingangssignal handeln.
-
So kann der Integrator einen Kondensator am Ausgang
eines Konstantstromgenerators aufweisen.
-
Parallel zum
Kondensator kann ein zweites Schaltelement
liegen, das beim Auftreten des Betriebssignals
ausschaltbar ist, und umgekehrt.
-
Ferner kann dafür gesorgt sein, daß die Ausgänge der
Komparatoren über ein ODER-Glied mit dem Eingang des
Zeitschalters verbunden sind und das Ausgangssignal des
Zeitschalters mit dem Betriebssignal durch ein UND-
Glied verknüpft ist, dessen Ausgang mit einem
Steueranschluß des Schaltelements verbunden ist.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird
nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 näher
beschrieben.
-
Die Fig. 3 und 4 stellen den Aufbau und die Funktion
der bekannten Schaltungsanordnung dar.
-
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung unterscheidet
sich von der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 3
dadurch, daß das Meßsignal des als ohmscher Widerstand
R ausgebildeten Stromfühlers durch einen zweiten
Komparator 4 mit einem unabhängig von einer Änderung der
Betriebsspannung Ub stetig nach einer vorbestimmten
Funktion, hier mit konstanter Geschwindigkeit, d. h. linear
ansteigenden Signal Uc verglichen wird, das ebenfalls
durch das Betriebssignal M auslösbar ist, und daß der
als monostabiler Multivibrator ausgebildete
Zeitschalter 2 durch das Ausgangssignal B des zweiten
Komparators 4 auslösbar ist, wenn das Meßsignal, der
Spannungsabfall I · R, das linear ansteigende Signal Uc
überschreitet, bevor das Meßsignal den Bezugswert Uref
überschreitet. Der Komparator 4 vergleicht mithin das
seinem nicht umkehrenden Eingang (+) zugeführte
Meßsignal mit dem linear ansteigenden Signal Uc, und die
Ausgänge beider Komparatoren 1, 4 sind über ein ODER-
Glied 5 mit dem Eingang des Zeitschalters 2 verbunden,
dessen an einem invertierenden Ausgang auftretendes
Ausgangssignal mit dem Betriebssignal M wiederum durch
das UND-Glied 3 verknüpft wird, wobei dessen Ausgang
wiederum mit dem Steueranschluß des als Transistor
ausgebildeten Schaltelements T2 verbunden ist.
-
Das linear ansteigende Signal Uc ist das Ausgangssignal
eines durch einen Kondensator C gebildeten Integrators,
dem ein konstantes Eingangssignal durch einen
Konstantstromgenerator 6 in Form eines den Kondensator C
aufladenden Stroms zugeführt wird. Parallel zu dem
Kondensator C liegt ein weiteres Schaltelement T3 in Form eines
Transistors, das beim Auftreten des Betriebssignals M
über einen Umkehrverstärker oder ein NICHT-Glied 7
ausschaltbar ist, und umgekehrt.
-
Bevor mithin das Betriebssignal M auftritt, ist das
Schaltelement T2 ausgeschaltet, weil seinem
Steueranschluß durch das UND-Glied 3 ein niedriges Signal
zugeführt wird. Dementsprechend fließt durch die Spule L
kein Strom I, so daß auch das Meßsignal niedrig (null)
und die Ausgangssignale A und B der Komparatoren 1 und
4 niedrig sind. Das Ausgangssignal des
Umkehrverstärkers 7 ist dagegen hoch, so daß das Schaltelement T3
eingeschaltet (durchgesteuert) ist. Das Eingangssignal
des Integrators C ist mithin ebenfalls niedrig, weil
der Ausgang des Stromgenerators 6 kurzgeschlossen ist.
Das in dieser Phase niedrige Ausgangssignal des ODER-
Glieds 5 ergibt ein hohes Ausgangssignal des
Zeitschalters 2. Dennoch ist bis zum Auftreten des
Betriebssignals M das Ausgangssignal des UND-Glieds 3 und
mit
hin das Steuersignal am Steueranschluß des
Schaltelements T2 weiterhin niedrig. Auch das als Transistor
ausgebildete Schaltelement T1 ist ausgeschaltet.
-
Wenn jetzt das Betriebssignal M auftritt, um das
Magnetventil einzuschalten, werden die Schaltelemente T1
und T2 eingeschaltet und das Schaltelement T3
ausgeschaltet. Daraufhin beginnt der Strom I durch die Spule
L zu fließen und nach einer e-Funktion anzusteigen.
Desgleichen steigt das Signal Uc (die Spannung) am
Kondensator C linear an, weil er nunmehr durch den
konstanten Ausgangsstrom des Konstantstromgenerators 6
linear aufgeladen wird. Die Ausgangssignale beider
Komparatoren A und B bleiben jedoch zunächst weiterhin
niedrig und mithin das Ausgangssignal des Zeitschalters 2
hoch Sobald das Strommeßsignal dann erstmals das
lineare Signal Uc überschreitet, erzeugt der Komparator 4
ein hohes Ausgangssignal B. Dadurch wird die Laufzeit
des Zeitschalters 2 ausgelöst, während der sein
Ausgangssignal niedrig ist, so daß das Schaltelement T2
bei dem ersten hohen Ausgangssignal B des Komparators 4
wieder ausgeschaltet wird. Der Strom I fließt dagegen
über die Freilaufdiode D1 und das Schaltelement T1
weiter. Dabei nimmt er jedoch ab, wie es in dem Diagramm
für den Verlauf des Stroms I dargestellt ist. Im selben
Augenblick, in dem das Schaltelement T2 ausgeschaltet
wird, geht dagegen das Strommeßsignal auf null zurück.
Am Ausgang des Komparators 4 tritt daher nur ein
kurzzeitiger Nadelimpuls als Ausgangssignal B auf. Wenn die
Laufzeit des Zeitschalters 2 abgelaufen ist, geht sein
Ausgangssignal wieder hoch, so daß das Schaltelement T2
wieder eingeschaltet wird. Dieser Vorgang wiederholt
sich, bis der Strom I den Spitzenwert Ip erreicht, bei
dem das Strommeßsignal IR den Bezugswert Uref
überschreitet. In diesem Augenblick geht auch das
Ausgangs
signal A des Komparators 1 hoch, so daß der
Zeitschalter 2 wieder ausgelöst wird, der das Schaltelement T2
während seiner Laufzeit für die Dauer taus ausschaltet.
Danach hält sich der Mittelwert des durch die Spule L
fließenden Stroms I geringfügig unterhalb des
Spitzenwerts Ip.
-
Wenn das Betriebssignal M wieder ausgeschaltet wird,
werden die Schaltelemente T1 und T2 ausgeschaltet und
das Schaltelement T3 wieder eingeschaltet. Der
Spulenstrom fließt dann über die Freilaufdiode D1 und die
Z-Diode DZ1 zwar weiter, nimmt jedoch sehr rasch auf
null ab:
-
Die mittlere Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms I
während der Zeit bis zum Erreichen des Bezugswerts Uref
bzw. des Spitzenstroms Ip ist jedoch proportional der
Anstiegsgeschwindigkeit des Signals Uc und damit
konstant, so daß auch die Anstiegsdauer t1 des Stroms I
konstant und unabhängig von der Betriebsspannung Ub
ist. Dementsprechend ist auch die
Ansprechgeschwindigkeit des Magnetventils mit der Spule L bis zum
Erreichen des geringfügig unterhalb des Spitzenstroms Ib
liegenden Sollwerts des Stroms I unabhängig von der
Betriebsspannung Ub konstant.
-
Zu beachten wäre lediglich, daß die
Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms I während der Einschaltzeit des
Schaltelements T2 stets größer als die des Signals Uc
ist, um das Signal Uc überschreiten zu können, solange
der Spitzenwert Ip noch nicht erreicht ist.