CH664232A5 - Verfahren und schaltungsanordnung zur steuerung eines elektromagneten. - Google Patents
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren auf eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromagneten gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.
Aus der CH-PS 532 827 ist eine Schaltungsanordnung zur Erregung eines Elektromagneten bekannt. Es ist bekannt, die Dauer der Steuerimpulse des Elektromagneten genügend lang zu wählen, damit der Anker des Elektromagneten unter Berücksichtigung aller Toleranz- und Temperatureinflüssen genügend Zeit hat, mit Sicherheit anzuziehen. Daraus resultieren Energieverluste, die in bestimmten Anwendungen nicht zulässig sind, wie z.B. in Münztelephonstationen, in denen die Elektromagne-te über Telephonleitungen gespeist werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu finden und eine Schaltungsanordnung aufwandsökonomisch zu realisieren, die es ermöglichen, bei der Steuerung von Elektromagneten unnötige Energieverluste optimal zu vermeiden und, unter Berücksichtigung aller Randbedingungen, wie z.B. mechanischen und elektromagnetischen Toleranzeinflüssen sowie Temperatureinflüssen, ein sicheres Ansprechen des Elektromagneten zu gewährleisten.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Elektromagneten,
Fig. 2 ein Schaltbild eines Differentiators,
Fig. 3 ein Schaltbild eines Verstärkers,
Fig. 4 ein Schaltbild eines Verzögerungsgliedes und Fig. 5 Kennlinien der verschiedenen in der Schaltungsanordnung vorkommenden Spannungen.
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren der Zeichnung gleiche Teile.
Die in der Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung 1 zur Steuerung einer Magnetspule 2 des Elektromagneten besteht aus einem Strom/Spannungs-Wandler-Widerstand 3, einem steuerbaren Schalter 4, einem Differentiator 5, einem Verstärker 6, einem Speicher 7, einem Freigabe-Gatter 8, einem Verzögerungsglied 9 und einem Spannungsschalter 10.
Ein positiver Speisepol + Va ist in der angegebenen Reihenfolge über die Magnetspule 2, den Strom/Spannungs-Wandler-Widerstand 3 und die Schaltstrecke des steuerbaren Schalters 4 mit der Masse verbunden. Eine Rückflussdiode D ist der Magnetspule 2 in Sperrichtung parallel geschaltet. Der gemeinsame Pol der Magnetspule 2, der Rückflussdiode D und des Strom-Spannungs-Wandler-Widerstandes 3 ist mit dem Eingang des Differentiators 5 verbunden, dessen Ausgang seinerseits über den Verstäker_6 auf einen Setz-Eingang S des Speichers 7 geführt ist. Ein Q-Ausgang des Speichers 7 ist mit einem ersten Eingang des Freigabe-Gatters 8 verbunden, während an dessen Ausgang der Steuereingang des steuerbaren Schalters 4 angeschlossen ist. Ein Steuereingang 11 der Schaltungsanordnung 1 ist einerseits direkt mit dem zweiten Eingang des Freigabe-Gatters 8 und anderseits über das Verzögerungsglied 9 mit dem Rückstell-Eingang R des Speichers 7 verbunden. Ein Steuereingang des z.B. zweipoligen Spannungsschalters 10 ist ebenfalls am Steuereingang 11 angeschlossen.
Die Schaltstrecken des Spannungsschalters 10 sind zwischen einer Speisespannung + V' Dd; -V' ss der Schaltungsanordnung 1 und Speisespannungs-Anschlüssen + Vdd, —Vss der Bauelemente der Schaltungsanordnung 1 geschaltet.
Der Speicher 7 ist z.B. ein Flip Flop. Der steuerbare Schalter 4 ist z.B. ein N-Kanal MOS-Transistor, dessen «Gate» der Steuereingang des steuerbaren Schalters 4 ist und dessen Substrat und dessen «Source» miteinander verbunden sind. Die «Drain-Source»-Strecke des MOS-Transistors ist dann die Schaltstrecke des steuerbaren Schalters 4.
Der Differentiator 5 und der Verstärker 6 können gemäss der Fig. 2 bzw. der Fig. 3 mit Hilfe je eines Operationsverstärkers 12 aufgebaut werden, die jeweils von der Speisespannung + Vdd; -Vss gespeist sind.
In der Darstellung der Fig. 2 ist der Ausgang des Operationsverstärkers 12 des Differentiators 5 über ein Rückkopplungsglied Rk; Ck auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 rückgekoppelt, wobei dieser invertierende Eingang noch zusätzlich über eine Eingangs-Reihenschaltung Rì; Cj mit dem Eingang des Differentiators 5 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 12 liegt über einen Symmetrierungs-Widerstand Rs an Masse. Das Rückkopplungsglied Rk; Ck besteht aus der Parallelschaltung eines Rückkopplungs-Widerstandes Rk und eines Rückkopplungs-Kondensators Ck. Die Eingangs-Reihenschaltung Rj; Ci enthält einen Eingangs-Widerstand Ri und einen Eingangs-Kondensator Ci. Die Werte der Widerstände Rk und Rs sollten aus Gründen der Gleichstrom-Symmetrie annähernd gleich gross sein.
In der Darstellung der Fig. 3 ist der Ausgang des Operationsverstärkers 12 des Verstärkers 6 über ein Rückkopplungsglied Rk; Dk auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 rückgekoppelt, wobei dieser invertierende Eingang diesmal zusätzlich über einen Eingangs-Widerstand Ri an Masse liegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers
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12 ist über den Symmetrierungs-Widerstand Rs mit dem Eingang des Verstärkers 6 und sein Ausgang über einen Inverter 13 mit dem Ausgang des Verstärkers 6 verbunden. Das Rückkopplungsglied Rk; Dk besteht diesmal aus der Parallelschaltung des Rückkopplungs-Widerstandes Rk und einer Rückkopplungs-Diode Dk, deren Kathode sich auf der Seite des Ausgangs des Operationsverstärkers 12 befindet. Der Wert des Symmetrie-rungs-Widerstandes Rs sollte diesmal aus Gründen der Gleichstrom-Symmetrie annähernd gleich dem Widerstandswert der Parallelschaltung der beiden Widerstände Rk und Ri gewählt werden.
Das in der Fig. 4 dargestellte Verzögerungsglied 9 besteht aus der Kaskadenschaltung eines weiteren Inverters 14 und eines nachfolgenden RC-Gliedes R; C. Das RC-Glied R; C enthält einen Widerstand R, der zwischen- dem Ausgang des weiteren Inverters 14 und dem Ausgang des Verzögerungsgliedes 9 angeordnet ist, und einen Kondensator C, der zwischen dem Ausgang des Verzögerungsgliedes 9 und der Masse liegt.
Die beiden Inverter 13 und 14 sind wegen der begrenzten Steilheit ihrer Eingangssignale vorzugsweise invertierende Schmitt-Trigger. Um Energie zu sparen, sind für den Speicher 7, das Freigabe-Gatter 8, den Spannungsschalter 10 und die beiden Inverter 13 und 14 vorzugsweise Bauelemente in CMOS-Technologie zu verwenden, die alle von der Speisespannung + Vdd," —Vss gespeist werden. Dabei ist + Vdd z.B. 5 Volt und —Vss z.B. —5 Volt. Der Speicher 7 ist z.B. ein D-Flip Flop vom Typ MC 14013, dessen D-Eingang am Logikwert «1» liegt und dessen Takt-Eingang der Setz-Eingang S des Speichers 7 ist. Das Freigabe-Gatter 8 und der Spannungsschalter 10 sind z.B. Analog-Multiplexer vom Typ MC 14053, die sowohl als Und-Gatter als auch als Schalter verwendet werden können. Die beiden Inverter 13 und 14 sind z.B. Schmitt-Trigger vom Typ MC 14584. Die Bauelemente der Reihe MC 14 . . . werden unter anderem von der Firma Motorola, Phoenix, USA hergestellt und sind in deren Datenbuch beschrieben.
Der zeitliche Verlauf des Steuerimpulses Vp am Steuereingang 11 der Schaltungsanordnung 1,. der Spannung Vr am Rückstell-Eingang R des Speichers 7, der Eingangsspannung v des Differentiators 5, der Eingangsspannung Vd des Verstärkers 6, der Eingangsspannung VE des Inverters 13 (siehe Fig. 3), der Spannung Vs am Setz-Eingang S des Speichers 7, der Ausgangsspannung Vf am Q-Ausgang des Speichers 7 und der Steuerspannung Vg des steuerbaren Schalters 4 sind in der Fig. 5 dargestellt.
Im Augenblick t = 0 beim Startbeginn des Steuerimpulses Vp ist der Kondensator C des Verzögerungsgliedes 9 (siehe Fig. 4) geladen und der Speicher 7 auf Null zurückgestellt, so dass an dessem (^-Ausgang ein Logikwert «1» ansteht, der das Freigabe-Gatter 8 freigibt für den nachfolgenden Teil des positivgehenden Steuerimpulses Vp der Dauer tp. Der Steuerimpuls Vp erreicht somit den Steuereingang des steuerbaren Schalters 4 und schaltet dessen Schaltstrecke durch, so dass ein Spulenstrom i vom Speisepol + Va über die Magnetspule 2, den Strom/Spannungs-Wandler-Widerstand 3 und der Schaltstrecke des steuerbaren Schalters 4 gegen Masse fliesst.
Es gilt die Gleichung:
i = VA [1 - e"(R' + R")t/L] / (R' + R"),
wobei R' der Wert des Wicklungswiderstandes der Magnetspule
2, R' ' der Wert des Strom/Spannung-Wandler-Widerstandes
3, L die Induktivität der Magnetspule 2 und t die Zeit darstellt. R' ' ist sehr klein, z.B. in der Grössenordnung von 1 Ohm. Der Strom/Spannungs-Wandler-Widerstand 3 wandelt den Spulenstrom i um in eine proportionale Spannung, die gleichzeitig die Eingangsspannung v des Differentiators 5 ist und die über diesen Differentiator 5 den Setz-Eingang S des Speichers 7 steuert. Der Speicher 7 arbeitet wie ein RS-Flip Flop.
Im Augenblick t = 0 steigt der Spulenstrom i vom Nullwert nach einer exponentiellen Funktion an. Gleichzeitig invertiert der Inverter 14 im Verzögerungsglied 9 (siehe Fig. 4) den Steuerimpuls Vp, so dass der Kondensator C sich exponentiell mit der Zeitkonstante RC über den Widerstand R entladen kann.
Die Eingangsspannung v des Differentiators 5 ist annähernd gleich dem im Strom/Spannungs-Wandler-Widerstand 3 durch den Spulenstrom i erzeugten Spannungsabfall. Im Augenblick t = 0 springt die Eingangsspannung v somit plötzlich, von ihrem Anfangswert + Va auf den Wert Null, um anschliessend mit der Zeitkonstante des Spulenstroms i anzusteigen (siehe Fig. 5). Der im Augenblick t = 0 zustandekommende negative Sprung der Eingangsspannung v führt zu einem positiven Signal am Ausgang des Differentiators 5, dessen Ausgangsspannung gleich Vd = -Kd * (dv/dt) ist. Dabei ist Kd eine Konstante. Das positive Signal am Ausgang des Differentiators 5 im Augenblick t = 0 hat dank der Verzgerungsschaltung 9 keinen Ein-fluss auf den steuerbaren Schalter 4. Am Ausgang des Differentiators 5 erscheint somit im Augenblick t = 0 eine kurze positive Spannungsspitze, die beim Nullwert beginnt und nach Erreichen des Spitzenwertes sehr schnell abklingt, dabei gegen negative Spannungswerte überschwingt, um anschliessend mit einer Zeitkonstante gegen Null abzuklingen.
Der Verstärker 6 ist so ausgelegt, dass er nur positive Werte seiner Eingangsspannung VD, z.B. mit einem Verstärkungsfaktor 100, verstärkt, während er die negativen Werte seiner Eingangsspannung VD praktisch unterdrückt und seine Ausgangsspannung mit Hilfe der Rückkopplungs-Diode Dk (siehe Fig. 3) auf —0,6 Volt beschränkt. Die Eingangsspannung Ve (siehe Fig. 3) des Inverters 13 besitzt somit im Augenblick t = 0 ebenfalls eine kurze positive Spannungsspitze (siehe Fig. 5), die vom In-verter 13 invertiert und auf einen Binärpegel begrenzt wird.
Dies ist der erste in der Fig. 5 dargestellte negativgehende Impuls der Spannung Vs am Setz-Eingang S des Speichers 7. Da seit dem Augenblick t = 0 während dieser sehr kurzen Impulszeit die Spannung Vr am Rückstell-Eingang R des Speichers 7 wegen der Zeitkonstante RC noch nicht nennenswert im Wert abfallen konnte, steht am Rückstell-Eingang R des Speichers 7 praktisch noch der Logikwert «1» an, so dass der erste negativgehende Impuls am Setz-Eingang S des Speichers 7 wirkungslos bleibt und der Speicher 7 im zurückgestellten Zustand verharrt. In der Fig. 5 ist die Zeit schraffiert dargestellt, nach deren Ablauf die Spannung Vr am Rückstell-Eingang R des Speichers 7 so weit abgeklungen ist, dass der Setz-Eingang S des Speichers 7 wirksam werden kann.
Nach Ablauf einer Zeit tR ist die auf den Anker des Elektromagneten ausgeübte Kraft genügend gross, um diesen Anker zu bewegen. Dadurch wird der Luftspalt des Elektromagneten kleiner und die Induktivität L seiner Magnetspule 2 grösser, so dass die Eingangsspannung v des Differentiators 5 im Augenblick tR einen Maximalwert Vm besitzt (siehe Fig. 5), um anschliessend im Wert abzunehmen. Der Maximalwert Vm der Eingangsspannung v entspricht einem Nullwert der Ausgangsspannung Vd des Differentiators 5, da bekanntlich bei einem Maximum der Eingangsspannung v die Gleichung (dv/dt) = 0 erfüllt ist.
Während der nachfolgenden Zeit tc sinkt die Eingangsspannung v des Differentiators 5 bis auf einen Wert Vc ab und die Eingangsspannung Vd des Verstärkers 6 steigt auf einen positiven Wert an (siehe Fig. 5). In diesem Augenblick (tR + tc) ist das Anziehen des Elektromagneten vollständig beendet und sein Anker befindet sich in der Endlage. Ab diesem Augenblick behält die Induktivität L der Magnetspule 2 wieder einen konstanten Wert, so dass die Eingangsspannung v des Differentiators 5 relativ plötzlich die Richtung ihrer Spannungsänderung wechselt und ihre Kennlinie im Augenblick (tR + tc) eine Diskontinuität aufweist, die einem Wechsel in der Polarität der Steil-
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heit des in der Magnetspule 2 fliessenden Spulenstromes i entspricht. Dieser tritt, wie bereits erwähnt, dann auf, wenn der Anker des Elektromagneten beim Anzug seine Endstelle erreicht. Dieser Wechsel in der Polarität wird mit Hilfe des Differentiators 5 ermittelt, indem im Augenblick (tR + tc) wegen der Diskontinuität in der Kennlinie der Eingangsspannung v des Differentiators 5 dessen Ausgangsspannung Vd plötzlich von einem positiven auf einen negativen Wert springt, d.h. der positiven Spannungspitze vor dem Augenblick (tR + tc) folgt eine negative Spannungsspitze nach dem Augenblick (tR + tc). Der Verstärker 6 verstärkt wiederum nur die positive Spannungsspitze und wandelt sie mit Hilfe des Inverters 13 (siehe Fig. 3) um in einen negativgehenden Impuls. Dies ist der zweite negativgehende Impuls im zeitlichen Ablauf der Spannung Vs am Setz-Eingang S des Speichers 7. Da inzwischen die Spannung Vr am Rückstell-Eingang R dieses Speichers 7 genügend abgeklungen ist, ist dieser Rückstell-Eingang R nicht mehr wirksam und der zweite negativgehende Impuls am Setz-Eingang S des Speichers 7 bringt dessen Flip Flop zum Kippen. Damit die positive Flanke des zweiten negativen Impulses der Spannung Vs das Flip-Flop des Speichers 7 im Augenblick (tR + tc) umkippt, muss zum Aufbau des Speichers 7 ein D-Flip Flop verwendet werden. Seine Ausgangsspannung VF am Q-Ausgang nimmt einen Logikwert «0» an, das Freigabe-Gatter 8 wird dadurch gesperrt und die Steuerspannung Vq des steuerbaren Schalters 4 ist gleich Null. Der Schalter 4 schaltet somit in diesem Augenblick (tR + tc) die Magnetspule 2 ab. Der noch eine kurze Zeit fliessende Spulenstrom i fliesst auf bekannte Weise über die Rückflussdiode D an und erzeugt so im Strom/Spannungs-Wandler-Widerstand 3 keinen Spannungsabfall mehr. Die Speisung der Magnetspule 2 ist somit nur während der Zeit (tR + tc) vorhanden, d.h. sie ist, unabhängig von der Dauer tp des Steuerimpulses Vp, nur genau so lange vorhanden, bis dass der Anker des Elektromagneten voll umgeschaltet hat. Durch das Abschalten der Magnetspule 2 im Augenblick (tR + tc) nimmt die Eingangsspannung v des Differentiators 5 nicht mehr expo-nentiell zu (siehe gestrichelte Kennlinie A in der Fig. 5), sondern sie springt im Augenblick (tR + tc) plötzlich auf ihren usprünglichen Wert +VA (siehe Kennlinie B in der Fig. 5),
während die Ausgangsspannung VD des Differentiators 5 und die Eingangsspannung VE des Inverters 13 (siehe Fig. 3) wieder auf den Nullwert abklingen.
Nach Ablauf seiner Dauer tp endet der Steuerimpuls Vp. Da-5 durch springt die Ausgangsspannung des Inverters 14 (siehe Fig. 4) auf den Logikwert «1» und lädt den Kondensator C mit der Zeitkonstante RC auf, so dass nach einer gewissen Zeit die Spannung VR wieder einen Logikwert «1» annimmt und den Speicher 7 auf Null zurückstellt. D.h. am Q-Ausgang des Spei-lo chers 7 erscheint wieder der Logikwert «1», der das Freigabe-Gatter 8 für einen möglicherweise nachfolgenden neuen Steuerimpuls Vp freigibt.
Um zusätzlich Energie zu sparen, werden die Bauelemente der Schaltungsanordnung 1 nicht dauernd, sondern mit Hilfe i5 des Spannungsschalters 10 nur während der Dauer tp des Steuerimpulses Vp mit der Speisespannung VDd; —Vss gespeist. Während den Ruhepausen zwischen den Steuerimpulsen Vp wird somit keine Energie durch die Schaltungsanordnung 1 verbraucht.
20 Die Arbeitsweise des in der Fig. 2 dargestellten Differentiators 5 ist an sich bekannt. Der Eingangs-Kondensator Ci und der Rückkopplungs-Widerstand Rk bilden das an sich bekannte Differentiations-Netzwerk.
Die Arbeitsweise des in der Fig. 3 dargestellten Verstärkers 25 6 ist ebenfalls an sich bekannt. Wenn seine Eingangsspannung Vd > 0 ist, dann besitzt der Verstärker 6 einen mit Hilfe der Widerstände R, und Rk eingestellten Verstärkungsfaktor. Damit die Eingangsspannung Ve des Inverters 13 möglichst nur positive Werte annehmen kann, ist die Rückkopplungs-Diode Dk vor-30 handen, die die Spannung VE auf den im Absolutwert relativ kleinen negativen Wert von —0,6 Volt festhält, wenn die Eingangsspannung VD < 0 ist. Theoretisch könnte die Aufgabe des Inverters 13 — Inversion und Begrenzung auf Binärpegeln — auch vom Operationsverstärker 12 direkt mit übernommen und 35 so der Inverter 13 eingespart werden. Im vorliegenden Fall hat der Inverter 13 folgende Funktionen: Invertierung des Ausgangssignals VE des Verstärkers 12, Begrenzung des Signals Vs auf Binärpegeln und Erzeugung der nötigen Flankensteilheit des Signals Vs zum Kippen des D-Flip Flop.
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2 Blätter Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Steuerung eines Elektromagneten mit Hilfe eines steuerbaren Schalters (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel in der Polarität der Steilheit des in einer Magnetspule (2) fliessenden Spulenstromes (i), der dann auftritt, wenn der Anker des Elektromagneten beim Anzug seine Endstelle erreicht, ermittelt wird, um die Magnetspule (2) dann anschliessend abzuschalten.
2. Schaltungsanordnung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Spulenstrom (i) proportionale Spannung (v) über einen Diffe-rentiator (5) einem Setz-Eingang (S) eines Speichers (7) zugeführt ist, dessen Ausgang mit einem ersten Eingang eines Freigabe-Gatters (8) verbunden ist, an dessen Ausgang der Steuereingang des steuerbaren Schalters (4) angeschlossen ist, während ein Steuereingang (11) der Schaltungsanordnung (1) einerseits direkt mit dem zweiten Eingang des Freigabe-Gatters (8) und anderseits über ein Verzögerungsglied (9) mit dem Rückstell-Eingang (R) des Speichers (7) verbunden ist.
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PATENTANSPRÜCHE
3. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Differentiator (5) und dem Setz-Eingang (S) des Speichers (7) ein Verstärker (6) vorhanden ist.
4. Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungsglied (9) mindestens ein RC-Glied (R; C) enthält.
5. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (7) ein Flip Flop ist.
6. Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Spannungsschalter (10) enthält, dessen Steuereingang mit dem Steuereingang (11) der Schaltungsanordnung (1) verbunden ist und dessen Schaltstrecken zwischen der Speisespannung ( +V'dd, —V'ss) der Schaltungsanordnung (1) und Speisespannungs-Anschlüssen ( +Vdd, —Vss) der Bauelemente der Schaltungsanordnung (1) geschaltet sind.
Priority Applications (2)
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| CH252784A CH664232A5 (de) | 1984-05-23 | 1984-05-23 | Verfahren und schaltungsanordnung zur steuerung eines elektromagneten. |
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3423505A1 (de) | 1985-11-28 |
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