Title:
Ladeschaltung, Schaltungsanordnung und Verfahren zum Bestromen einer Spule
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft eine Ladeschaltung (130) zur Verwendung mit einer Schaltungsanordnung (100) zum Bestromen einer Spule (140), die einen Gleichrichter (110), der über Eingangsanschlüsse (111, 112) mit einer Wechselspannungsquelle (120) verbindbar ist, und die Spule (140), die mit Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters verbunden (110) ist, aufweist, wobei die Ladeschaltung (130) parallel zu der Spule (140) schaltbar und mit den Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters (110) verbindbar ist, wobei die Ladeschaltung (130) eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem Halbleiterschalter (150) aufweist, und wobei ein Steueranschluss (153) des Halbleiterschalters (150) derart zur Verbindung mit einem ersten (115) der Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters (110) vorgesehen ist, dass der Steueranschluss (153) über den Gleichrichter (110) mit Spannung versorgbar ist, sowie eine solche Schaltungsanordnung (100) und ein Verfahren zum Bestromen einer Spule (140). embedded image




Inventors:
Kirchner, Tobias (71642, Ludwigsburg, DE)
Application Number:
DE102016224677A
Publication Date:
06/14/2018
Filing Date:
12/12/2016
Assignee:
Robert Bosch GmbH, 70469 (DE)
International Classes:



Claims:
Ladeschaltung (130) zur Verwendung mit einer Schaltungsanordnung (100) zum Bestromen einer Spule (140), die einen Gleichrichter (110), der über Eingangsanschlüsse (111, 112) mit einer Wechselspannungsquelle (120) verbindbar ist, und die Spule (140), die mit Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters verbunden (110) ist, aufweist,
wobei die Ladeschaltung (130) parallel zu der Spule (140) schaltbar und mit den Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters (110) verbindbar ist,
wobei die Ladeschaltung (130) eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem Halbleiterschalter (150) aufweist, und
wobei ein Steueranschluss (153) des Halbleiterschalters (150) derart zur Verbindung mit einem ersten (115) der Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters (110) vorgesehen ist, dass der Steueranschluss (153) über den Gleichrichter (110) mit Spannung versorgbar ist.

Ladeschaltung (130) nach Anspruch 1, weiterhin mit einem zweiten Kondensator (C2), über den der Steueranschluss (153) des Halbleiterschalters (150) zur Verbindung mit dem ersten Ausgangsanschluss (115) des Gleichrichters (110) vorgesehen ist.

Ladeschaltung (130) nach Anspruch 2, weiterhin mit einem ersten Widerstand (R1), der in Reihe mit dem zweiten Kondensator (C2) geschaltet ist, und auf einer dem Steueranschluss (153) des Halbleiterschalters (150) abgewandten Seite des zweiten Kondensators (C2) vorgesehen ist.

Ladeschaltung (130) nach Anspruch 2 oder 3, weiterhin mit einem zweiten Widerstand (R2), über den der Steueranschluss (153) des Halbleiterschalters (150) zur Verbindung mit einem zweiten (116) der Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters (116) vorgesehen ist.

Ladeschaltung (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einer Zenerdiode (Z), die parallel zu dem Halbleiterschalter (150) geschaltet ist.

Ladeschaltung (130) nach Anspruch 5, in Rückbezug zumindest auf Anspruch 3, wobei die Zenerdiode (Z) zwischen dem zweiten Kondensator (C2) und dem ersten Widerstand (R1) angebunden ist.

Ladeschaltung (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Halbleiterschalter (150) als MOSFET, als bipolarer Transistor oder als Triac ausgebildet ist.

Ladeschaltung (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Ausgangsanschluss (115) des Gleichrichters (110) als positiver Anschluss und der zweite Ausgangsanschluss (116) des Gleichrichters (110) als negativer Anschluss ausgebildet sind, oder wobei der erste Ausgangsanschluss des Gleichrichters als negativer Anschluss und der zweite Ausgangsanschluss des Gleichrichters als positiver Anschluss ausgebildet sind.

Schaltungsanordnung (100) zum Bestromen einer Spule (140), mit einem Gleichrichter (110), der über Eingangsanschlüsse (111, 112) mit einer Wechselspannungsquelle (120) verbindbar ist, und der Spule (140), die mit Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters (110) verbunden ist, mit einer Ladeschaltung (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die parallel zu der Spule (140) geschaltet und mit den Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters (110) verbunden ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, weiterhin mit einer Ladungspumpe, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung an der Spule (140) bereitzustellen, die höher als eine am Gleichrichter (110) bereitgestellte Spannung ist.

Schaltungsanordnung (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Spule (140) als Teil eines Magnetventils ausgebildet ist.

Verfahren zum Bestromen einer Spule (140), wobei die Spule über Eingangsanschlüsse (111, 112) eines Gleichrichters (110) mit einer Wechselspannungsquelle (120) verbunden wird, wobei anschließend ein erster Kondensator (C1) parallel zu der Spule (140) geschaltet und mit Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters (110) verbunden wird.

Verfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Kondensator (C1) anschließend und während der Bestromung wieder von den Ausgangsanschlüssen (115, 116) des Gleichrichters (110) getrennt wird.

Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, welches unter Verwendung einer Ladeschaltung (130) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Schaltungsanordnung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 durchgeführt wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Bestromen der Spule (140) während eines Betriebs eines Magnetventils, als ein Teil dessen die Spule (140) ausgebildet ist, durchgeführt wird.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeschaltung zur Verwendung mit einer Schaltungsanordnung zum Bestromen einer Spule, eine solche Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Bestromen einer Spule.

Stand der Technik

Als Gleichspannungsmagnete können auch Spulen oder Magnetspulen, die für Wechselspannung, beispielsweise mit 220/230 V, ausgelegt sind, verwendet werden. Hierzu kann dann ein Gleichrichter mit üblicherweise vier entsprechend verschalteten Dioden verwendet werden, um aus der Wechselspannung die benötigte Gleichspannung zu erzeugen.

Solche Spulen bzw. Magnetspulen haben oftmals eine hohe Induktivität, teils zwischen 10 und 30 H, wodurch sich der Strom in der Spule nach Anlegen bzw. Einschalten der Spannung nur verhältnismäßig langsam aufbauen kann. Wenn eine solche Spule nun beispielsweise für ein Magnetventil verwendet wird, bedeutet dies in der Regel, dass das Magnetventil entsprechend langsam schaltet.

Bei schnell schaltenden Magnetventilen kann man, insbesondere in der Niederspannungstechnik, das Magnetventil zunächst mit einer höheren Spannung beaufschlagen. Die Spannung kann dann anschließend zurückgenommen oder gepulst werden, so dass sich ein gewisser Haltestrom einstellt. Hierzu ist jedoch eine Endstufe nötig, worüber eine solche Regelung vorgenommen werden kann.

Bei Bestromung der Spule mit gleichgerichteter Wechselspannung ist diese Vorgehensweise jedoch in der Regel nicht möglich, da die vom Gleichrichter bereitgestellte Spannung meist aus Sinus-Halbwellen besteht und zudem bei gepulster Ansteuerung Probleme mit der EMV-Kompatibilität bestehen und große Schaltungsverluste auftreten können.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden eine Ladeschaltung, eine Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Bestromen einer Spule mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Eine erfindungsgemäßes Ladeschaltung dient zur Verwendung mit einer Schaltungsanordnung zum Bestromen einer Spule, welche Schaltungsanordnung einen Gleichrichter, insbesondere umfassend (z.B. vier) Gleichrichtelemente, z.B. Dioden, der über Eingangsanschlüsse mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar ist, und die Spule, die mit Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden ist, aufweist. Bei dem Gleichrichter können die Gleichrichtelemente auf übliche Weise derart verschaltet sein, dass an einem Ausgangsanschluss des Gleichrichters unabhängig von der aktuellen Polarität der an den Eingangsanschlüssen des Gleichrichters anliegenden Spannung, immer eine positive Spannung anliegt, an dem anderen Ausgangsanschluss entsprechend eine negative Spannung. Die Ladeschaltung ist nun parallel zu der Spule schaltbar und mit den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbindbar. Weiterhin weist die Ladeschaltung eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einem Halbleiterschalter auf, wobei ein Steueranschluss des Halbleiterschalters derart zur Verbindung mit einem ersten der Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters vorgesehen ist, dass der Steueranschluss über den Gleichrichter mit Spannung versorgbar ist. Bei dem Halbleiterschalter kann es sich insbesondere um einen MOSFET, einen bipolaren Transistor oder einen Triac handeln.

Bei Verwendung einer solchen Ladeschaltung wird nun, wenn die Wechselspannungsquelle mit dem Gleichrichter verbunden und damit eine Spannung an die Spule angelegt wird, der Halbleiterschalter leitend geschaltet, da durch die entsprechende Anbindung des Steueranschlusses des Halbleiterschalters dort eine entsprechende Spannung anliegt. Auf diese Weise wird also kurz nach Verbindung der Wechselspannungsquelle mit dem Gleichrichter der erste Kondensator parallel zu der Spule geschaltet und mit den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden. Durch diesen ersten Kondensator erhöht sich die an der Spule anliegende Spannung von einem Effektivwert der Wechselspannung, also beispielsweise 230 V, auf den Spitzenwert, also beispielsweise 320 V. Auf diese Weise wird die Spule schneller geladen und die Magnetkraft der Spule kann schneller aufgebaut werden.

Eine solche Ladeschaltung kann besonders preiswert hergestellt werden. Zudem kann eine solche Ladeschaltung auch als Zwischenstecker hergestellt werden, der einfach zwischen den Gleichrichter und die Spule - auch nachträglich - eingebracht werden kann, sodass die Spule schneller geladen werden kann. Schaltverluste oder EMV-Probleme bei gepulstem Betrieb treten mit der vorgeschlagenen Ladeschaltung nicht auf.

Vorzugsweise weist die Ladeschaltung weiterhin einen zweiten Kondensator auf, über den der Steueranschluss des Halbleiterschalters zur Verbindung mit dem ersten Ausgangsanschluss des Gleichrichters vorgesehen ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Ladeschaltung nur eine bestimmte Zeitdauer nach Verbindung der Wechselspannungsquelle mit dem Gleichrichter aktiv ist, da durch diesen zweiten Kondensator der Steueranschluss des Halbleiterschalters nur solange mit Spannung versorgt wird, bis der zweite Kondensator geladen ist. Durch entsprechende Wahl der Kapazität des zweiten Kondensators kann somit auch die Zeitdauer, für welche die Ladeschaltung aktiv ist, eingestellt werden.

Vorteilhafterweise weist die Ladeschaltung weiterhin einen ersten Widerstand (Bauelement) auf, der in Reihe mit dem zweiten Kondensator geschaltet ist, und auf einer dem Steueranschluss des Halbleiterschalters abgewandten Seite des zweiten Kondensators vorgesehen ist. Weiterhin kann ein zweiter Widerstand (Bauelement) vorgesehen sein, über den der Steueranschluss des Halbleiterschalters zur Verbindung mit einem zweiten der Ausgangsanschlüsse des Gleichrichters vorgesehen ist. Auf diese Weise kann die am Steueranschluss anliegende Spannung eingestellt werden.

Es ist von Vorteil, wenn die Ladeschaltung weiterhin eine Zenerdiode aufweist, die parallel zu dem Halbleiterschalter geschaltet ist. Wenn der erste Widerstand vorgesehen ist, kann die Zenerdiode insbesondere zwischen dem zweiten Kondensators und dem ersten Widerstand angebunden sein. Damit kann die am Steueranschluss anliegende Spannung begrenzt werden. Zweckmäßig ist hier beispielsweise eine Durchbruchspannung von 10 V.

Bevorzugt sind der erste Ausgangsanschluss des Gleichrichters als positiver Anschluss und der zweite Ausgangsanschluss des Gleichrichters als negativer Anschluss ausgebildet. Alternativ können der erste Ausgangsanschluss des Gleichrichters als negativer Anschluss und der zweite Ausgangsanschluss des Gleichrichters als positiver Anschluss ausgebildet sein. Die Anschlüsse der übrigen Bauteile der Schaltungsanordnung sowie der Ladeschaltung können dann entsprechend ausgerichtet werden. Bei der ersten Variante kann als Halbleiterschalter insbesondere ein N-Kanal-MOSFET verwendet werden, bei der zweiten Variante ein P-Kanal-MOSFET.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dient zum Bestromen einer Spule und weist einen Gleichrichter, der über Eingangsanschlüsse mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar ist, und die Spule, die mit Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden ist, auf. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung eine erfindungsgemäße Ladeschaltung auf, die parallel zu der Spule geschaltet und mit den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden ist.

Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung weiterhin eine Ladungspumpe auf, die dazu eingerichtet ist, eine Spannung an der Spule bereitzustellen, die höher als eine am Gleichrichter bereitgestellte Spannung ist. Damit kann eine noch höhere Spannung zum Laden der Spule erreicht werden.

Die Spule kann vorzugsweise als Teil eines Magnetventils ausgebildet sein. Gerade bei Magnetventilen ist ein schnelles Laden der Spule oftmals gewünscht, um schnelle Schaltvorgänge vornehmen zu können.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Bestromen einer Spule, wobei die Spule über Eingangsanschlüsse eines Gleichrichters mit einer Wechselspannungsquelle verbunden wird. Anschließend wird ein erster Kondensator parallel zu der Spule geschaltet und mit Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters verbunden. Vorzugsweise wird der erste Kondensator anschließend und während der Bestromung wieder von den Ausgansanschlüssen des Gleichrichters getrennt.

Für das Verfahren wird vorzugsweise eine erfindungsgemäßes Ladeschaltung oder Schaltungsanordnung verwendet. Vorzugsweise wird das Bestromen der Spule während eines Betriebs eines Magnetventils, als ein Teil dessen die Spule ausgebildet ist, durchgeführt.

Bezüglich der Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zur erfindungsgemäßen Ladeschaltung verwiesen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.

Figurenliste

  • 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung, jeweils in einer bevorzugten Ausführungsform.
  • 2 zeigt schematisch einen Stromverlauf bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform im Vergleich zu einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren.

Ausführungsform(en) der Erfindung

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Schaltungsanordnung 100 weist einen Gleichrichter 110 auf, der über einen ersten Eingangsanschluss 111 und einen zweiten Eingangsanschluss 112 mit einer Wechselspannungsquelle 120 verbindbar ist und hier auch verbunden ist. Die Wechselspannungsquelle kann hier beispielhaft mittels eines Schaltelements 121 von dem Gleichrichter 110 getrennt werden. Die Wechselspannungsquelle 120 kann beispielsweise eine Spannung von effektiv 230 V bereitstellen.

Der Gleichrichter 110 weist nun vier Dioden D1, D2, D3 und D4 auf, die beispielhaft derart angeordnet sind, dass an einem ersten Ausgangsanschluss 115 des Gleichrichters 110 immer eine positive Spannung anliegt, an einem zweiten Ausgangsanschluss 116 des Gleichrichters 110 hingegen immer eine negative Spannung.

Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 100 eine Spule 140 auf, die über einen ersten Anschluss 141 mit dem ersten Ausgangsanschluss 115 des Gleichrichters 110 verbunden ist. Über einen zweiten Anschluss 142 ist die Spule 140 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 116 des Gleichrichters 110 verbunden.

Weiterhin ist nun eine erfindungsgemäße Ladeschaltung 130 in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen - hier als Teil der Schaltungsanordnung 100. Die Ladeschaltung 130 weist einen ersten Kondensator C1 und einen dazu in Reihe geschalteten Halbleiterschalter 150 auf. Bei dem Halbleiterschalter 150 handelt es sich hier beispielhaft um einen selbstsperrenden N-Kanal-MOSFET mit einem hier als Gate-Anschluss ausgebildeten Steueranschluss 153. Der ersten Kondensator C1 und der Halbleiterschalter 150 sind nun parallel zur Spule 140 geschaltet und mit dem ersten bzw. zweiten Ausgangsanschluss 115 bzw. 116 des Gleichrichters 110 verbunden.

Der Steueranschluss 153 des Halbleiterschalters 150 ist hier über einen zweiten Kondensator C2 und einen ersten Widerstand R1 mit dem ersten Ausgangsanschluss 115 des Gleichrichters 110 verbunden. Über einen zweiten Widerstand R2 ist der Steueranschluss 153 mit dem zweiten Ausgangsanschluss 116 des Gleichrichters 110 verbunden.

Weiterhin weist die Ladeschaltung 130 Zenerdiode Z auf, die an den zweiten Ausgangsanschluss 116 des Gleichrichters 110 und zwischen dem zweiten Kondensator C2 und dem ersten Widerstand R1 angebunden ist. Die Durchlassrichtung ist dabei vom zweiten Ausgangsanschluss 116 des Gleichrichters 110 in Richtung des Steueranschlusses 153 des Halbleiterschalters 150. Entsprechend umgekehrt verhält es sich mit der Sperrrichtung der Zenerdiode Z.

Wenn nun die Schaltungsanordnung 100 mit der Ladeschaltung 130 verwendet wird, um die Spule 140 zu bestromen, so kann der Schalter 121 geschlossen werden. Zunächst wird die Spule regulär mit der vom Gleichrichter 110 bereitgestellten Spannung versorgt. Über den ersten Ausgangsanschluss 115 des Gleichrichters 110, den ersten Widerstand R1 und den zweiten Kondensator C2 wird zudem eine Spannung an den Steueranschluss 153 des Halbleiterschalters 150 bzw. zwischen den Steueranschluss 153 und einen Source-Anschluss des Halbleiterschalters 150 angelegt. Damit wird der Halbleiterschalter 150 leitend und der erste Kondensator C1 wird parallel zur Spule 140 geschaltet, sodass insgesamt eine höhere Spannung an der Spule 140 anliegt.

Der zweite Kondensator C2 sorgt nun dafür, dass die Spannungsversorgung für den Steueranschluss 153 nach einer gewissen Zeitdauer, welcher von der Kapazität des zweiten Kondensators C2 abhängig ist, unterbrochen wird. Damit wird der Halbleiterschalter 150 geöffnet und Ladeschaltung 130 damit inaktiv.

Wie eingangs bereits erwähnt, kann die Polarität der Schaltungsordnung 100 und insbesondere des Gleichrichters 110 auch umgekehrt werden, dann beispielsweise unter Verwendung eines P-Kanal-MOSFETs als Halbleiterschalter 150 und entsprechender Anpassung übriger Bauteile, insbesondere der Ladeschaltung 130.

In 2 ist schematisch ein Stromverlauf bei Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugter Ausführungsform im Vergleich zu einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt. Hierzu ist ein Strom I über der Zeit t aufgetragen.

Hier ist zunächst ein Beginn des Bestromens der Spule zu sehen. Der Strom steigt langsam an. Während des Bestromens bleibt der Strom dann zumindest im Mittel konstant. Mit I1 ist dabei ein Verlauf dargestellt, wie er ohne Verwendung einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung bzw. Schaltungsanordnung auftritt, wenn die Spule nur über den Gleichrichter geladen wird. Der Strom steigt hier verhältnismäßig langsam an.

Mit I2 ist nun ein Verlauf bei Verwendung der Schaltungsanordnung, wie sie mit Bezug auf die 1 beschrieben wurde, gezeigt. Hier ist zu sehen, dass durch die entsprechende Schaltungsanordnung und insbesondere die Ladeschaltung der Strom deutlich schneller ansteigt, da eine höhere Spannung anliegt.

Es versteht sich, dass der Verlauf hier nur schematisch dargestellt ist und dass der genaue Verlauf je nach konkreter Ausgestaltung der Ladeschaltung auch unterschiedlich ausfallen kann.