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WO1998043266A1 - Electromagnetic control device - Google Patents

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Publication number
WO1998043266A1
WO1998043266A1 PCT/EP1998/001493 EP9801493W WO9843266A1 WO 1998043266 A1 WO1998043266 A1 WO 1998043266A1 EP 9801493 W EP9801493 W EP 9801493W WO 9843266 A1 WO9843266 A1 WO 9843266A1
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WO
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voltage
control
current
supplied
comparator
Prior art date
Application number
PCT/EP1998/001493
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German (de)
French (fr)
Inventor
Karl-Günter Herrmann
Rudolf SCHÄFFER
Helmut Kunkel
Original Assignee
Mannesmann Rexroth Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann Rexroth Ag filed Critical Mannesmann Rexroth Ag
Publication of WO1998043266A1 publication Critical patent/WO1998043266A1/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H47/00Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current
    • H01H47/22Circuit arrangements not adapted to a particular application of the relay and designed to obtain desired operating characteristics or to provide energising current for supplying energising current for relay coil
    • H01H47/32Energising current supplied by semiconductor device
    • H01H47/325Energising current supplied by semiconductor device by switching regulator

Definitions

  • the reference potential of the voltage U N is denoted by U N0 and the positive potential by U N + .
  • a capacitor 6 smoothes the voltage U N. With an AC voltage of z. B. 230 V, the rectified mains voltage is approximately 325 V.
  • the voltage U N serves as a supply voltage for the power unit 1. In addition, it is fed to a clocked power supply unit 7 as an input voltage. Since the circuit design of clocked power supplies is known to the person skilled in the art, the power supply 7 is only shown schematically here.
  • An integrated component 8 converts the voltage U N into an alternating voltage of high frequency, which is fed to the primary winding of a transformer 9 with a plurality of secondary windings which are electrically isolated from one another and from the primary winding.
  • the duty cycle approaches a value of 50%.
  • the duty cycle of the AC component has become zero, the duty cycle of the current flowing through one of the two field effect transistors 14 and 15 is 50%.
  • the duration of the flow phase of the current i flowing through the magnetic coil 18 can thus be chosen to be significantly shorter than the minimum on-time of an individual field effect transistor.
  • the amplitude of the AC component of the current i is determined by the frequency of the triangular voltage u d . The higher this frequency is selected, the smaller the amplitude of the AC component of the current i.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

The invention relates to an electromagnetic control device. A control circuit supplies a power element with pulse-width modulated control pulses whose pulse width repetition rate indicates control voltage intensity. The power element applies distribution voltage to an electromagnet arranged between electronic switches according to said control pulses. The control device is simplified for applications wherein the current flowing via the magnet coil should be adjusted between 0 and a maximum volume. To this end, the output pulses of a first comparator are supplied to the control input of a first electronic switch by means of a first optocoupler and the output pulses of a second comparator are supplied to the control output of a second electronic switch by means of a second optocoupler. The control voltage and a periodic voltage with a triangular course are supplied to a comparator. The other comparator is supplied with an inverted control voltage and a periodic voltage with a triangular course. The allocation of voltages supplied to the comparator inputs is adjusted in such a way that their output pulses have the same pulse width repetition rate. Output pulse overlapping time determines the duration of current flow via the electromagnet. The control device is chiefly intended for electrically controlled proportional valves. The inventive device is particularly suitable for control devices wherein the power element is supplied with power from the rectified line voltage.

Description

Beschreibungdescription
Elektromagnetischer StellantriebElectromagnetic actuator
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb mit einem Leistungsteil, dem von einer vorgeschalteten Steuerschaltung pulsweitenmodulierte Steuerimpulse zugeführt sind, deren Tastverhältnis ein Maß für die Höhe einer Steuerspannung ist, und das einen Elektromagneten in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt, insbesondere für ein Proportionalventil, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electromagnetic actuator with a power unit, to which pulse-width-modulated control pulses are fed from an upstream control circuit, the pulse duty factor of which is a measure of the level of a control voltage, and which applies a supply voltage to an electromagnet as a function of the control pulses, in particular for a proportional valve, according to the preamble of claim 1.
Ein derartiger Stellantrieb ist aus der DE 42 01 652 AI bekannt. Der Stellantrieb besitzt ein Leistungsteil, das als Brückenschaltung ausgebildet ist. In jedem der vier Brückenzweige ist ein Transistor angeordnet . Der einen Brücken- diagonale ist eine Versorgungsspannung zugeführt und an die andere Brückendiagonale ist die Reihenschaltung eines Hall- sensors und eines Elektromagneten angeschlossen. Parallel zu jedem Transistor ist eine Diode angeordnet, deren Flußrichtung der Versorgungsspannung des Leistungsteils entgegen- gesetzt ist. Dem Leistungsteil ist eine Steuerschaltung vorgeschaltet, die eine analoge Steuerspannung in pulsweitenmodulierte Steuerimpulse umformt. Die Steuerschaltung weist einen ersten Vergleicher auf, dem die Steuerspannung und eine periodische Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zugeführt sind. Einem zweiten Vergleicher der Steuerschaltung sind die über einen Invertierer geführte Steuerspannung und die periodische Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zugeführt . Am Ausgang der beiden Vergleicher stehen impulsför ige Spannungen an. Das Tastverhältnis der Impulse ist ein Maß für die Höhe der Steuerspannung. Die Ausgangsimpulse der beiden Vergleicher sind zusammen mit weiteren Impulsen, die durch Invertierung aus den Ausgangsimpulsen der beiden Vergleicher gebildet sind, einem als Signalaufbereitungsschaltung bezeichneten integrierten Baustein zugeführt, dessen Aufbau nicht beschrieben ist. In welcher Weise die der Signalauf - bereitungsschaltung zugeführten Signale aufbereitet werden, ist in der DE 42 01 652 AI ebenfalls nicht beschrieben. Der integrierte Baustein besitzt vier Ausgänge, deren Impulse den Transistoren des Leistungsteils über Optokoppler zugeführt sind. In welcher Reihenfolge und wie lange die Transistoren angesteuert werden, ist nicht beschrieben. Damit ein von der Versorgungsspannung getriebener Strom über den Elektromagneten fließen kann, müssen jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Transistoren leiten. Da jeweils zwei in Reihe geschalteten Transistoren direkt mit der Versorgungsspannung des Leistungsteils beaufschlagt sind, besteht die Gefahr, daß ein Stromfluß über zwei in Reihe geschaltete Transistoren erfolgt. Ein derartiger Stromfluß würde zu einer Zerstörung dieser Transistoren führen und den Stellantrieb unbrauchbar machen. Um zu verhindern, daß zwei in Reihe geschaltete Transistoren gleichzeitig leitend sind, sind daher besondere schaltungstechnische Maßnahmen zu ergreifen. Der bekannteSuch an actuator is known from DE 42 01 652 AI. The actuator has a power section that is designed as a bridge circuit. A transistor is arranged in each of the four bridge branches. A supply voltage is fed to one bridge diagonal and the series connection of a Hall sensor and an electromagnet is connected to the other bridge diagonal. A diode is arranged in parallel with each transistor, the direction of flow of which is opposite to the supply voltage of the power section. A control circuit is connected upstream of the power section, which converts an analog control voltage into pulse-width-modulated control pulses. The control circuit has a first comparator, to which the control voltage and a periodic voltage with a triangular shape are supplied. A second comparator of the control circuit is supplied with the control voltage, which is conducted via an inverter, and the periodic voltage with a triangular shape. Impulse voltages are present at the output of the two comparators. The pulse duty factor is a measure of the level of the control voltage. The output pulses of the two comparators are together with further pulses, which are made by inverting the output pulses of the two comparators are formed, fed to an integrated module called a signal conditioning circuit, the structure of which is not described. The manner in which the signals supplied to the signal conditioning circuit are processed is also not described in DE 42 01 652 AI. The integrated module has four outputs, the pulses of which are fed to the transistors of the power section via optocouplers. The order in which and for how long the transistors are activated is not described. So that a current driven by the supply voltage can flow through the electromagnet, two diagonally opposite transistors must conduct. Since two transistors connected in series are each directly supplied with the supply voltage of the power section, there is a risk that a current will flow through two transistors connected in series. Such a current flow would destroy these transistors and render the actuator unusable. To prevent two transistors connected in series from being conductive at the same time, special circuitry measures must therefore be taken. The known
Stellantrieb erlaubt es zwar grundsätzlich, die Richtung des über den Elektromagneten fließenden Stromes umzukehren. In vielen Anwendungsfällen wird aber eine Umkehrung des Stromflusses nicht benötigt. Es genügt, den Strom zwischen null und einem Maximalwert zu verändern.Actuator basically allows the direction of the current flowing through the electromagnet to be reversed. In many applications, however, a reversal of the current flow is not required. It is sufficient to change the current between zero and a maximum value.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stellantrieb der eingangs genannten Art für Anwendungsfälle, in denen der über die Magnetspule fließende Strom zwischen null und einem Maximalwert verändert werden soll, zu vereinfachen.The invention has for its object to simplify an actuator of the type mentioned for applications in which the current flowing through the solenoid is to be changed between zero and a maximum value.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Da jeweils ein elektronischer Schalter und eine in Sperrichtung beaufschlagte Diode hintereinander geschaltet sind, ist ein Stromfluß über zwei mit der Versorgungsspannung für das Leistungsteil beaufschlagte hintereinander geschaltete Brückenzweige nicht möglich. Dies gilt auch dann, wenn im Fehlerfall ein elektronischer Schalter ständig leiten sollte. Der erfindungsgemäße Stellantrieb erlaubt nur dann einen Stromfluß von der Versorgungsspannung für das Leistungsteil über denThis object is achieved by the features characterized in claim 1. Since in each case an electronic switch and a diode in the reverse direction are connected in series, a current flow through two is supplied with the supply voltage for the power unit bridge branches connected in series not possible. This also applies if an electronic switch should always be on in the event of a fault. The actuator according to the invention only allows a current to flow from the supply voltage for the power section via the
Elektromagneten, wenn beide elektronischen Schalter leitend sind. Ist nur ein elektronischer Schalter leitend und der andere gesperrt, ist der Elektromagnet über den leitenden elektronischen Schalter und die in dem gegenüberliegenden Brückenzweig angeordnete Diode kurzgeschlossen. Sind beide elektronischen Schalter gesperrt, wird der Elektromagnet über die beiden Dioden mit Gegenspannung beaufschlagt . In diesem Betriebszustand wird der über den Elektromagneten fließende Strom schneller abgebaut, als wenn nur ein elektronischer Schalter gesperrt ist. Der über die Spule fließende Strom kann daher mit unterschiedlicher Geschwindigkeit abgebaut werden. Die Einschaltdauer eines elektronischen Schalters läßt sich nicht beliebig verringern. Durch die zeitversetzte Ansteuerung der beiden elektronischen Schalter ist es möglich, die Dauer des Stromflusses über den Elektromagneten gegenüber der Mindesteinschaltdauer des elektronischen Schalters wesentlich zu verkürzen. Es ist daher möglich, für die Pulsweitenmodulation eine hohe Frequenz vorzusehen. Durch Vergrößerung der Frequenz läßt sich die Amplitude der dem Mittelwert des über den Elektromagneten fließenden Stromes überlagerten Schwingung entsprechend verringern.Electromagnets when both electronic switches are conductive. If only one electronic switch is conductive and the other is blocked, the electromagnet is short-circuited via the conductive electronic switch and the diode arranged in the opposite branch of the bridge. If both electronic switches are blocked, the electromagnet is acted on with counter voltage via the two diodes. In this operating state, the current flowing through the electromagnet is broken down more quickly than when only one electronic switch is locked. The current flowing through the coil can therefore be reduced at different speeds. The duty cycle of an electronic switch cannot be reduced arbitrarily. The time-delayed activation of the two electronic switches makes it possible to significantly shorten the duration of the current flow through the electromagnet compared to the minimum on-time of the electronic switch. It is therefore possible to provide a high frequency for the pulse width modulation. By increasing the frequency, the amplitude of the vibration superimposed on the mean value of the current flowing through the electromagnet can be reduced accordingly.
Ein elektromagnetischer Stellantrieb, dessen Leistungsteil als Brückenschaltung ausgebildet ist, ist aus der DE 39 27 972 AI bekannt. In dem Leistungsteil dieses Stellantriebes sind zwei Transistoren unterschiedlichenAn electromagnetic actuator, the power section is designed as a bridge circuit, is known from DE 39 27 972 AI. In the power section of this actuator, two transistors are different
Leitfähigkeitstyps in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen angeordnet. Der erste der beiden Transistoren ist mit Massepotential verbunden und der zweite mit dem positiven Anschluß der Versorgungsspannung für das Leistungsteil. In den anderen beiden Brückenzweigen ist jeweils eine Diode angeordnet, deren Flußrichtung der Versorgungsspannung für das Leistungsteil entgegengesetzt ist. Die Ansteuerung des ersten Transistors erfolgt durch pulsweitenmodulierte Steuer- impulse, deren Frequenz durch eine periodische Spannung mit dreieckförmigem Verlauf vorgegeben ist. Das Tastverhältnis der Steuerimpulse ist ein Maß für die Höhe einer Steuerspannung. Es ergibt sich durch einen Vergleich der dreieck- förmigen Spannung mit der Steuerspannung. Der Istwert des über den Elektromagneten fließenden Stromes wird mit zwei Grenzwerten verglichen. Der zweite Transistor wird in den leitenden Zustand geschaltet, wenn der über den Elektromagneten fließende Strom den unteren Grenzwert unterschreitet, und gesperrt, wenn der über den Elektromagneten fließende Strom den oberen Grenzwert überschreitet. Während der Einschaltdauer des ersten Transistors ergibt sich so eine Schwingung um einen oberen Strommittelwert, der zwischen den beiden Grenzwerten liegt. Die Frequenz und das Tastverhältnis dieser Schwingung stellen sich entsprechend den beiden Grenzwerten für den Strom und entsprechend der Anstiegs- geschwindigkeit sowie der Abfallgeschwindigkeit des Stromes ein. Die Frequenz dieser Schwingung beträgt ein Mehrfaches der Frequenz der dreieckförmigen Spannung. Um Funktionsstörungen zu vermeiden, darf die resultierende Einschaltzeit des zweiten Transistors die durch den Aufbau des Transistors vorgegebene Mindestdauer nicht unterschreiten. Der Mittelwert des über den Elektromagneten fließenden Stromes ergibt sich aus dem Produkt aus dem oberen Strommittelwert und dem Tastverhältnis der dem ersten Transistor zugeführten Steuerimpulse. Einer Grundschwingung mit niedriger Frequenz ist während der Einschaltdauer des ersten Transistors eine Schwingung mit höherer Frequenz überlagert.Conductivity type arranged in diagonally opposite bridge branches. The first of the two transistors is connected to ground potential and the second to the positive connection of the supply voltage for the power section. In the other two bridge branches each have a diode whose direction of flow is opposite to the supply voltage for the power section. The first transistor is controlled by pulse-width-modulated control pulses, the frequency of which is predetermined by a periodic voltage with a triangular shape. The duty cycle of the control pulses is a measure of the level of a control voltage. It results from a comparison of the triangular voltage with the control voltage. The actual value of the current flowing through the electromagnet is compared with two limit values. The second transistor is switched into the conductive state when the current flowing through the electromagnet falls below the lower limit value and blocked when the current flowing through the electromagnet exceeds the upper limit value. During the on period of the first transistor, this results in an oscillation around an upper average current value which lies between the two limit values. The frequency and the duty cycle of this oscillation are set in accordance with the two limit values for the current and in accordance with the rate of rise and the rate of fall of the current. The frequency of this vibration is a multiple of the frequency of the triangular voltage. In order to avoid malfunctions, the resulting switch-on time of the second transistor must not be less than the minimum duration specified by the structure of the transistor. The mean value of the current flowing through the electromagnet results from the product of the upper mean current value and the pulse duty factor of the control pulses supplied to the first transistor. A fundamental frequency with a low frequency is superimposed on an oscillation with a higher frequency during the on period of the first transistor.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Aufgrund der galvanischen Trennung der Versorgungsspannungen für die Steuereingänge der elektronischen Schalter voneinander und von der Versorgungsspannung für das Leistungsteil ist die Verwendung von zwei gleichen Transistoren möglich. Es können somit Transistoren desjenigen Leitfähigkeitstyps verwendet werden, der die günstigeren technischen Eigenschaften besitzt. Durch die Verwendung gleicher Transistoren vereinfacht sich die Lagerhaltung. Die Verwendung selbstsperrender Transistoren erhöht die Sicherheit im Störungsfall. Eine galvanische Trennung der Versorgungsspannung für die Steuerschaltung von den Versorgungsspannungen für die Steuereingänge und von der Versorgungsspannung für das Leistungsteil ermöglicht eine Auslegung der Steuerschaltung unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung für das Leistungsteil. Wird die gleich- gerichtete Netzspannung direkt als Versorgungsspannung für das Leistungsteil verwendet, ist kein gesondertes Netzteil - insbesondere kein Transformator - für das Leistungsteil erforderlich. Durch den Einsatz eines Stromreglers, dessen Stellgröße als Steuerspannung für den Stellantrieb dient, lassen sich Schwankungen der Versorgungsspannung für dasAdvantageous developments of the invention are characterized in the subclaims. Because of the galvanic Separation of the supply voltages for the control inputs of the electronic switches from one another and from the supply voltage for the power section allows the use of two identical transistors. Transistors of the conductivity type which have the more favorable technical properties can thus be used. Warehousing is simplified by using the same transistors. The use of self-blocking transistors increases safety in the event of a fault. Galvanic isolation of the supply voltage for the control circuit from the supply voltages for the control inputs and from the supply voltage for the power section enables the control circuit to be designed independently of the level of the supply voltage for the power section. If the rectified mains voltage is used directly as the supply voltage for the power unit, no separate power supply unit - in particular no transformer - is required for the power unit. By using a current regulator, whose manipulated variable serves as a control voltage for the actuator, fluctuations in the supply voltage for the
Leistungsteil, z. B. aufgrund der zulässigen Abweichungen der Netzspannung von ihrem Nennwert, ausgleichen. Ein Glättungs- glied im Istwerteingang des Stromreglers verbessert das Regelverhalten. Das Überschreiten eines maximal zulässigen Wertes des über den Elektromagneten fließenden Stromes läßt sich durch eine UND-Verknüpfung der pulsweitenmodulierten Steuerimpulse mit einem Freigabesignal auf einfache Weise verhindern. Anstelle der Spannung mit dreieckförmigem Verlauf kann den beiden ersten Vergleichern eine Spannung mit sinus- förmigem Verlauf zugeführt werden. Dies ist zulässig, da das Tastverhältnis bei einer hohen Versorgungsspannung für das Leistungsteil sehr klein ist. Bei einem kleinen Tastverhältnis liegt der Schnittpunkt zwischen der Steuerspannung und der sinusförmigen Spannung im Bereich der Nulldurchgänge, also in einem Bereich, in dem eine sinusförmige Spannung den gleichen zeitlichen Verlauf wie eine dreieckförmige Spannung besitzt. Ist der Stellantrieb Bestandteil eines überlagerten Positionsregelkreises mit einem induktiven Weggeber, kann die Primärwicklung des Weggebers von demselben Oszillator wie die Steuerschaltung des Stellantriebes mit einer sinusförmigen Spannung versorgt werden. Diese Maßnahme spart einen Oszillator ein. Außerdem entfällt die Gefahr der gegenseitigen Beeinflussung von zwei Oszillatoren, deren Frequenz in der gleichen Größenordnung liegt.Power section, e.g. B. due to the permissible deviations of the mains voltage from their nominal value. A smoothing element in the current value input of the current controller improves the control behavior. Exceeding a maximum permissible value of the current flowing through the electromagnet can be prevented in a simple manner by ANDing the pulse-width-modulated control pulses with an enable signal. Instead of the voltage with a triangular shape, a voltage with a sinusoidal shape can be supplied to the first two comparators. This is permissible because the duty cycle is very small for a high supply voltage for the power section. With a small duty cycle, the point of intersection between the control voltage and the sinusoidal voltage lies in the region of the zero crossings, that is to say in a region in which a sinusoidal voltage has the same time profile as a triangular voltage. If the actuator is part of a superimposed position control loop with an inductive displacement sensor, the primary winding of the displacement sensor can be supplied with a sinusoidal voltage by the same oscillator as the control circuit of the actuator. This measure saves an oscillator. In addition, there is no risk of mutual interference between two oscillators whose frequency is of the same order of magnitude.
Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained in more detail below with its further details using an exemplary embodiment shown in the drawings. Show it
Figur 1 ein Prinzipschaltbild eines Stellantriebes gemäß der Erfindung,FIG. 1 shows a basic circuit diagram of an actuator according to the invention,
Figur 2 ein Prinzipschaltbild des Netzteils des in der Figur 1 dargestellten Stellantriebes,FIG. 2 shows a basic circuit diagram of the power supply unit of the actuator shown in FIG. 1,
Figur 3 den zeitlichen Verlauf der pulsweitenmodulierten Steuerimpulse bei positiver Steuerspannung undFigure 3 shows the time course of the pulse width modulated control pulses with positive control voltage and
Figur 4 den zeitlichen Verlauf der pulsweitenmodulierten Steuerimpulse bei negativer Steuerspannung.Figure 4 shows the time course of the pulse width modulated control pulses with a negative control voltage.
Gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.The same parts are provided with the same reference numerals.
Die Figur 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Stellantriebes gemäß der Erfindung. Einem Leistungsteil 1 ist eine Steuerschaltung 2 vorgeschaltet . Die Steuerschaltung 2 formt eine Steuerspannung uy in pulsweitenmodulierte Steuerimpulse zur Ansteuerung des Leistungsteils 1 um. Das Tastverhältnis der pulsweitenmodulierten Steuerimpulse, d. h. das Verhältnis der Einschaltzeit zu der Summe aus der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit, ist ein Maß für die Höhe der Steuerspannung Uy. Die Figur 2 zeigt das Prinzipschaltbild eines Netzteils zur Erzeugung der Versorgungsspannungen für den Stellantrieb. Die Netzwechselspannung ist über Leitungen 3 und 4 einem Brückengleichrichter 5 zugeführt . Die gleichgerichtete Netzspannung ist mit UN bezeichnet. Das Bezugspotential der Spannung UN ist mit UN0 und das positive Potential mit UN+ bezeichnet. Ein Kondensator 6 glättet die Spannung UN. Bei einer Netzwechselspannung von z. B. 230 V beträgt die gleichgerichtete Netzspannung ca. 325 V. Die Spannung UN dient als Versorgungsspannung für das Leistungsteil 1. Zusätzlich ist sie einem getakteten Netzteil 7 als Eingangsspannung zugeführt . Da der schaltungstechnische Aufbau getakteter Netzteile dem Fachmann bekannt ist, ist das Netzteil 7 hier nur schematisch dargestellt. Ein integrierter Baustein 8 formt die Spannung UN in eine Wechselspannung hoher Frequenz um, die der Primärwicklung eines Übertragers 9 mit mehreren galvanisch voneinander und von der Primärwicklung getrennten Sekundärwicklungen zugeführt ist. Durch Gleichrichtung und Glättung werden drei weitere galvanisch voneinander und von der Spannung UN getrennte Versorgungsspannungen UL, UH und UB gebildet. Das Bezugspotential der Spannung UL ist mit UL0 und das positive Potential mit UL+ bezeichnet. Das Bezugspotential der Spannung UH ist mit UH0 und das positive Potential mit UH+ bezeichnet. Das Bezugspotential der Spannung UB ist mit UB0 , ihr positives Potential ist mit UB+ und ihr negatives Potential ist mit UB_ bezeichnet. Die Spannungen UL und UH dienen als Versorgungsspannungen für die Steuereingänge von elektronischen Schaltern des Leistungsteils 1. Die Spannung UB dient als Versorgungsspannung für die Steuerschaltung 2. Durch galvanisch getrennte Rückführung einer der Ausgangsspannungen des Netzteils 7, z. B. des positiven Anteils der als Versorgungsspannung für die Steuerschaltung 2 dienenden Spannung UB, auf einen hierfür vorgesehenen Eingang des integrierten Bausteins 8 und Vergleich mit einem Sollwert läßt sich in an sich bekannter Weise eine Spannungsregelung realisieren.FIG. 1 shows the basic circuit diagram of an actuator according to the invention. A power circuit 1 is preceded by a control circuit 2. The control circuit 2 converts a control voltage u y into pulse-width-modulated control pulses for controlling the power section 1. The pulse duty factor of the pulse width modulated control pulses, ie the ratio of the switch-on time to the sum of the switch-on time and the switch-off time, is a measure of the level of the control voltage Uy. FIG. 2 shows the basic circuit diagram of a power supply unit for generating the supply voltages for the actuator. The AC line voltage is fed via lines 3 and 4 to a bridge rectifier 5. The rectified mains voltage is designated U N. The reference potential of the voltage U N is denoted by U N0 and the positive potential by U N + . A capacitor 6 smoothes the voltage U N. With an AC voltage of z. B. 230 V, the rectified mains voltage is approximately 325 V. The voltage U N serves as a supply voltage for the power unit 1. In addition, it is fed to a clocked power supply unit 7 as an input voltage. Since the circuit design of clocked power supplies is known to the person skilled in the art, the power supply 7 is only shown schematically here. An integrated component 8 converts the voltage U N into an alternating voltage of high frequency, which is fed to the primary winding of a transformer 9 with a plurality of secondary windings which are electrically isolated from one another and from the primary winding. Rectification and smoothing form three further supply voltages U L , U H and U B which are galvanically separated from one another and from the voltage U N. The reference potential of the voltage U L is denoted by U L0 and the positive potential by U L + . The reference potential of the voltage U H is designated U H0 and the positive potential U U + . The reference potential of the voltage U B is U B0 , its positive potential is U B + and its negative potential is U B _. The voltages U L and U H serve as supply voltages for the control inputs of electronic switches of the power section 1. The voltage U B serves as supply voltage for the control circuit 2. By electrically isolated feedback of one of the output voltages of the power pack 7, for. B. the positive portion of the voltage serving as supply voltage for the control circuit 2 U B , to a dedicated input of the integrated module 8 and A voltage control can be implemented in a manner known per se in comparison with a setpoint.
Wie in der Figur 1 dargestellt, ist das Leistungsteil 1 als Brückenschaltung mit den Schaltungspunkten 10 bis 13 ausgebildet. Die Spannung UN ist dem Leistungsteil 1 alsAs shown in FIG. 1, the power section 1 is designed as a bridge circuit with the circuit points 10 to 13. The voltage U N is the power section 1 as
Versorgungsspannung zugeführt. Der Schaltungspunkt 10 liegt auf dem Potential UN0 und der Schaltungspunkt 11 liegt auf dem Potential UN+ . Die Schaltungspunkte 10 und 11 bilden die eine Diagonale der Brückenschaltung. Zwischen den Schaltungs- punkten 10 und 12 ist ein erster Feldeffekttransistor 14 angeordnet. Ein zweiter Feldeffekttransistor 15 desselben Typs ist zwischen den Schaltungspunkten 13 und 11 angeordnet. Die Feldeffekttransistoren 14 und 15 dienen als elektronische Schalter. Die Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 14 und 15 sind in üblicher Weise mit G für GATE, D für DRAIN und S für SOURCE bezeichnet. Die Ansteuerung der Feldeffekttransistoren 14 und 15 erfolgt jeweils über die Anschlüsse G und S. Zwischen den Schaltungspunkten 10 und 13 sowie zwischen den Schaltungspunkten 12 und 11 ist je eine Diode 16 bzw. 17 angeordnet. Die Dioden 16 und 17 sind bezüglich der Spannung UN in Sperrichtung angeordnet. Zwischen den Schaltungspunkten 12 und 13, die die andere Diagonale der Brückenschaltung bilden, sind ein Elektromagnet 18 und ein Stromsensor angeordnet. Der Stromsensor ist in dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Hallsensor 19 ausgebildet. Der Hallsensor 19 formt das von dem über den Elektromagneten 18 fließenden Strom i verursachte Magnetfeld in eine Spannung uH um, die ein Maß für den über den Elektromagneten 18 fließenden Strom ist. Die Spannung uH ist von dem Strom i galvanisch getrennt. Anstelle des Hallsensors 19 ist auch eine Strommessung durch einen Strommeßwiderstand mit nachgeschalteter galvanischer Trennung der an ihm abfallenden Spannung, z. B durch einen Optoübertrager , möglich. Die Spannung uH des Hallsensors 19 ist der Steuerschaltung 2 als Istwert für den über den Elektromagneten 18 fließenden Strom i zugeführt. Eine Pegelanpassungsschaltung 20 setzt die Spannung uH in eine Spannung u^x um. In diesem Ausführungs- beispiel wird die Pegelanpassung so vorgenommen, daß eine Spannung von 1 V einem Strom von 1 A entspricht.Supply voltage supplied. The node 10 is at the potential U N0 and the node 11 is at the potential U N + . The circuit points 10 and 11 form the one diagonal of the bridge circuit. A first field effect transistor 14 is arranged between the circuit points 10 and 12. A second field effect transistor 15 of the same type is arranged between the circuit points 13 and 11. The field effect transistors 14 and 15 serve as electronic switches. The connections of the field effect transistors 14 and 15 are designated in the usual way with G for GATE, D for DRAIN and S for SOURCE. The field effect transistors 14 and 15 are each controlled via the connections G and S. A diode 16 and 17 is arranged between the circuit points 10 and 13 and between the circuit points 12 and 11. The diodes 16 and 17 are arranged with respect to the voltage U N in the reverse direction. An electromagnet 18 and a current sensor are arranged between the circuit points 12 and 13, which form the other diagonal of the bridge circuit. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the current sensor is designed as a Hall sensor 19. The Hall sensor 19 converts the magnetic field caused by the current i flowing through the electromagnet 18 into a voltage u H , which is a measure of the current flowing through the electromagnet 18. The voltage u H is galvanically isolated from the current i. Instead of the Hall sensor 19 is also a current measurement by a current measuring resistor with subsequent electrical isolation of the voltage drop across it, for. B possible with an opto-transmitter. The voltage u H of the Hall sensor 19 is the control circuit 2 as Actual value for the current i flowing through the electromagnet 18 is supplied. A level adjustment circuit 20 converts the voltage u H into a voltage u ^ x . In this embodiment, the level adjustment is carried out so that a voltage of 1 V corresponds to a current of 1 A.
Die Spannung Uix ist dem Istwerteingang eines Stromreglers 21 über ein Glättungsglied 22 zugeführt. Dem Sollwerteingang des Stromreglers 21 ist eine Sollwertspannung u^w zugeführt. Wie bei der Spannung u^x entspricht auch bei der Spannung u^w eine Spannung von 1 V einem Strom von 1 A. Die Stellgröße des Stromreglers 21 ist mit uy bezeichnet. Die Spannung uy ist die Steuerspannung für die Pulsweitenmodulation. In Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Spannungen u-j_w und Uj_x und unter Berücksichtigung des Zeitverhaltens des Stromreglers 21 nimmt die Spannung uy positive oder negative Werte an. Besitzt das Zeitverhalten des Stromreglers 21 einen I -Anteil, nimmt die Spannung uy im eingeschwungenen Zustand des Stromregelkreises, in dem der Istwert gleich dem Sollwert ist, einen konstanten Wert an, der dem über den Elektro- magneten 18 fließenden Strom i entspricht.The voltage Ui x is fed to the actual value input of a current regulator 21 via a smoothing element 22. A setpoint voltage u ^ w is supplied to the setpoint input of the current regulator 21. As with the voltage u ^ x , the voltage u ^ w also corresponds to a voltage of 1 V and a current of 1 A. The manipulated variable of the current regulator 21 is denoted by u y . The voltage u y is the control voltage for the pulse width modulation. Depending on the difference between the voltages u- j _ w and U j _ x and taking into account the time behavior of the current regulator 21, the voltage u y assumes positive or negative values. If the time behavior of the current regulator 21 has an I component, the voltage u y in the steady state of the current control circuit, in which the actual value is equal to the setpoint value, assumes a constant value which corresponds to the current i flowing through the electromagnet 18.
Die Spannung uy ist einem Invertierer 23 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Invertierers 23 ist mit uy_ bezeichnet. Das negative Vorzeichen zeigt an, daß es sich um die invertierte Steuerspannung handelt. Die nicht invertierte Steuerspannung ist im folgenden mit uy+ bezeichnet. Die Beträge der Spannungen uy+ und uy_ sind gleich groß. Die invertierte Steuerspannung uy_ ist negativ, wenn die mit uy+ bezeichnete Steuerspannung positiv ist. Ist dagegen die mit Uy+ bezeichnete Steuerspannung negativ, ist die invertierte Steuerspannung uy_ positiv. Die Steuerspannung uy+ ist dem nichtinvertierenden Eingang eines Vergleichers 24 zugeführt. Die invertierte Steuerspannung uy_ ist dem invertierenden Eingang eines weiteren Vergleichers 25 zugeführt. Dem invertierenden Eingang des Vergleichers 24 und dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 25 sind von einem Oszillator 26 eine periodische Spannung ud mit dreieckförmigem Verlauf zugeführt. Die Spannung u-j_x ist dem nichtinvertierenden Eingang eines dritten Vergleichers 27 zugeführt. Dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 27 ist eine einstellbare Spannung Uimax zugeführt. Die Spannung u.j_max ist ein Maß für den maximal zulässigen Wert imax des über den Elektromagneten 18 fließenden Stromes i. Wie bei der Spannung Uj_x entspricht auch bei der Spannung Uimax eine Spannung von 1 V einem Strom von 1 A. Je nachdem welche der beiden Eingangsspannungen eines Vergleichers positiver ist, steht einer von zwei verschiedenen Spannungswerten am Ausgang der Vergleicher an. Den Vergleichern 24, 25 und 27 sind als Schmitt-Trigger ausgebildete Trigger- Schaltungen 28, 29 bzw. 30 nachgeschaltet, die die Ausgangsspannungen der Vergleicher 24, 25 und 27 in Impulse umformen, die entweder den Wert „0" oder den Wert „1" annehmen. In diesem Ausführungsbeispiel ist dem Wert „0" das Bezugspotential UB0 der Spannung UB zugeordnet und dem Wert „1" das positive Potential UB+ der Spannung UB . Ein NAND-Gatter 31 verknüpft die Ausgangsimpulse der Triggerschaltungen 28 und 30. Der Ausgang des NAND-Gatters 31 nimmt nur dann den Wert „0" an, wenn sowohl am Ausgang der Triggerschaltung 28 als auch am Ausgang der Triggerschaltung 30 der Wert „1" ansteht. Dies ist dann der Fall, wenn die nicht invertierte Steuerspannung uy+ positiver als die Spannung ud ist und außerdem die Spannung UJ_X kleiner als die Spannung Uj_max ist . In diesem Fall fließt von dem positiven Potential UB+ der Spannung UB über einen Schalter 32, der während des normalen Betriebes geschlossen ist, und über die Primärseite eines Optokopplers 33 Strom zum Bezugspotential UB0. Nimmt der Ausgang des NAND- Gatters 31 den Wert „1" (entsprechend UB+) an, fließt kein Strom über die Primärseite des Optokopplers 33. Ist der Schalter 32 geöffnet, kann ebenfalls kein Strom über die Primärseite des Optokopplers 33 fließen. Bei einem Stromfluß über die Primärseite des Optokopplers 33 fließt zunächst von dem Potential UL+ der Versorgungsspannung UL für die Ansteuerung des Feldeffekttransistors 14 über die Sekundärseite des Optokopplers 33 und über die GATE-SOURCE-Strecke des Feldeffekttransistors 14 ein Strom zu dem Bezugspotential UL0 der Spannung UL . Dieser Strom lädt die GATE-SOURCE- Kapazität des Feldeffekttransistors 14 so lange, bis die an der GATE-SOURCE-Strecke anstehende Spannung praktisch gleich der Versorgungsspannung UL ist. Die an der GATE-SOURCE- Strecke anstehende Spannung steuert den Feldeffekttransistor 14 in den leitenden Zustand. Ein weiteres NAND-Gatter 34 verknüpft die Ausgangsimpulse der Triggerschaltungen 29 und 30. Der Ausgang des NAND-Gatters 34 nimmt nur dann den Wert „0" an, wenn sowohl am Ausgang der Triggerschaltung 29 als auch am Ausgang der Triggerschaltung 30 der Wert „1" ansteht. Dies ist dann der Fall, wenn die invertierte Steuerspannung uy_ positiver als die Spannung ud ist und außerdem die Spannung u-^x kleiner als die Spannung Uimax is . In diesem Fall fließt von dem positiven Potential UB+ der Spannung UB über den Schalter 32, der während des normalen Betriebes geschlossen ist, und über die Primärseite eines Optokopplers 35 Strom zum Bezugspotential UB0. Nimmt der Ausgang des NAND- Gatters 34 den Wert „1" (entsprechend UB+) an, fließt kein Strom über die Primärseite des Optokopplers 34. Ist der Schalter 32 geöffnet, kann ebenfalls kein Strom über dieThe voltage u y is fed to an inverter 23. The output voltage of the inverter 23 is denoted by u y _. The negative sign indicates that it is the inverted control voltage. The non-inverted control voltage is referred to below as u y + . The magnitudes of the voltages u y + and u y _ are the same. The inverted control voltage u y _ is negative if the control voltage designated u y + is positive. If, on the other hand, the control voltage designated Uy + is negative, the inverted control voltage u y _ is positive. The control voltage u y + is fed to the non-inverting input of a comparator 24. The inverted control voltage u y _ is fed to the inverting input of a further comparator 25. The inverting input of the comparator 24 and the A non-inverting input of the comparator 25 is supplied with a periodic voltage u d with a triangular shape from an oscillator 26. The voltage u-j_ x is fed to the non-inverting input of a third comparator 27. An adjustable voltage U max is supplied to the non-inverting input of the comparator 27. The tension u. j _ max is a measure of the maximum permissible value i max of the current i flowing through the electromagnet 18. As with the voltage U j _ x , a voltage of 1 V corresponds to a current of 1 A for the voltage Ui max . Depending on which of the two input voltages of a comparator is more positive, one of two different voltage values is present at the output of the comparator. The comparators 24, 25 and 27 are followed by trigger circuits 28, 29 and 30, respectively, which are designed as Schmitt triggers and convert the output voltages of the comparators 24, 25 and 27 into pulses which have either the value “0” or the value “1 " accept. In this exemplary embodiment, the value “0” is assigned the reference potential U B0 of the voltage U B and the value “1” is the positive potential U B + of the voltage U B. A NAND gate 31 links the output pulses of the trigger circuits 28 and 30. The output of the NAND gate 31 only assumes the value "0" if the value "1" both at the output of the trigger circuit 28 and at the output of the trigger circuit 30 pending. This is the case when the non-inverted control voltage u y + is more positive than the voltage u d and the voltage UJ_ X is also less than the voltage Uj_ max . In this case, current flows from the positive potential U B + of the voltage U B via a switch 32, which is closed during normal operation, and via the primary side of an optocoupler 33 to the reference potential U B0 . If the output of the NAND gate 31 assumes the value "1" (corresponding to U B + ), no current flows through the primary side of the optocoupler 33. If the switch 32 is open, no current can flow through the primary side of the optocoupler 33 either Current flow A current flows to the reference potential U L0 of the voltage U via the primary side of the optocoupler 33 from the potential U L + of the supply voltage U L for driving the field effect transistor 14, via the secondary side of the optocoupler 33 and via the GATE SOURCE path of the field effect transistor 14 L. This current charges the GATE-SOURCE capacitance of the field effect transistor 14 until the voltage applied to the GATE-SOURCE path is practically equal to the supply voltage U L. The voltage present on the GATE-SOURCE path controls the field effect transistor 14 into the conductive state. Another NAND gate 34 links the output pulses of the trigger circuits 29 and 30. The output of the NAND gate 34 only assumes the value "0" if the value "1" both at the output of the trigger circuit 29 and at the output of the trigger circuit 30 " pending. This is the case when the inverted control voltage u y _ is more positive than the voltage u d and, moreover, the voltage u- ^ x is less than the voltage Ui max . In this case, current flows from the positive potential U B + of the voltage U B via the switch 32, which is closed during normal operation, and via the primary side of an optocoupler 35 to the reference potential U B0 . If the output of the NAND gate 34 assumes the value "1" (corresponding to U B + ), no current flows through the primary side of the optocoupler 34. If the switch 32 is open, no current can flow through the
Primärseite des Optokopplers 35 fließen. Bei einem Stromfluß über die Primärseite des Optokopplers 35 fließt zunächst von dem Potential UH+ der Versorgungsspannung UH für die Ansteuerung des Feldeffekttransistors 15 über die Sekundär- seite des Optokopplers 35 und über die GATE-SOURCE-Strecke des Feldeffekttransistors 15 ein Strom zu dem Bezugspotential UH0 der Spannung UH . Dieser Strom lädt die GATE-SOURCE- Kapazität des Feldeffekttransistors 15 so lange, bis die an der GATE-SOURCE-Strecke anstehende Spannung praktisch gleich der VersorgungsSpannung UH ist. Die an der GATE-SOURCE- Strecke anstehende Spannung steuert den Feldeffekttransistor 15 in den leitenden Zustand. Der Schalter 32 ist durch ein in der Figur 1 nicht dargestelltes externes Freigabesignal gesteuert. Ist das Freigabesignal vorhanden, ist der Schalter 32 geschlossen und die Feldeffekttransistoren 14 und 15 werden wie oben beschrieben in den leitenden Zustand gesteuert. Bei fehlendem Freigabesignal ist der Schalter 32 geöffnet und die Feldeffekttransistoren 14 und 15 sind ständig gesperrt .Flow primary side of the optocoupler 35. When a current flows through the primary side of the optocoupler 35, a current flows from the potential U H + of the supply voltage U H for the control of the field effect transistor 15 via the secondary side of the optocoupler 35 and via the GATE SOURCE path of the field effect transistor 15 to the reference potential U H0 of voltage U H. This current charges the GATE-SOURCE capacitance of the field effect transistor 15 until the voltage across the GATE-SOURCE path is practically equal to the supply voltage U H. The at the GATE SOURCE Line voltage applied controls the field effect transistor 15 in the conductive state. The switch 32 is controlled by an external enable signal (not shown in FIG. 1). If the enable signal is present, the switch 32 is closed and the field effect transistors 14 and 15 are driven into the conductive state as described above. In the absence of an enable signal, the switch 32 is open and the field effect transistors 14 and 15 are constantly blocked.
Wie die Figur 2 zeigt, sind die Spannungen UN, UL und UH galvanisch voneinander getrennt. Diese Maßnahme erlaubt es, wie in der Figur 1 dargestellt, den Anschluß S des Feldeffekttransistors 14 mit dem Bezugspotential U 0 der Spannung UL zu verbinden und den Anschluß S des Feldeffekttransistors 15 mit dem Bezugspotential UH0 der Spannung UH zu verbinden. Die Höhe der Spannungen UN, UL, UH und UB kann unabhängig voneinander gewählt werden. Damit ist es möglich, diese Spannungen optimal an die jeweiligen Verbraucher, nämlich das Leistungsteil 1, die Steuereingänge der Feldeffekt- transistoren 14 und 15 sowie die Steuerschaltung 2, und an den Leistungsbedarf dieser Verbraucher anzupassen.As FIG. 2 shows, the voltages U N , U L and U H are electrically isolated from one another. As shown in FIG. 1, this measure allows the connection S of the field-effect transistor 14 to be connected to the reference potential U 0 of the voltage U L and the connection S of the field-effect transistor 15 to be connected to the reference potential U H0 of the voltage U H. The level of the voltages U N , U L , U H and U B can be selected independently of one another. This makes it possible to optimally adapt these voltages to the respective consumers, namely the power unit 1, the control inputs of the field effect transistors 14 and 15 and the control circuit 2, and to the power requirements of these consumers.
Die Figuren 3 und 4 bestehen aus fünf jeweils zeitgleich untereinander angeordneten Diagrammen, die mit den Buchstaben a bis e bezeichnet sind. Das Diagramm a zeigt den zeitlichen Verlauf der nicht invertierten Steuerspannung uy+ , der invertierten Steuerspannung uy_ und der dreieckförmigen Spannung ud sowie einer sinusförmigen Spannung us , die im Bereich der Nulldurchgänge dieselbe Steigung wie die Spannung ud besitzt. Das Diagramm b zeigt die Zeiträume, in denen der Feldeffekttransistor 14 leitend ist, und das Diagramm c zeigt die Zeiträume, in denen der Feldeffekttransistor 15 leitend ist. Das Diagramm d zeigt die Zeiträume, in denen sowohl der Feldeffekttransistor 14 als auch der Feldeffekttransistor 15 leitend ist. Das Diagramm e zeigt die Zeiträume, in denen weder der Feldeffekttransistor 14 noch der Feldeffekttransistor 15 leitend ist. Die entsprechenden Zeiträume sind durch Schraffur hervorgehoben.Figures 3 and 4 consist of five diagrams arranged at the same time one below the other, which are designated by the letters a to e. Diagram a shows the time course of the non-inverted control voltage u y + , the inverted control voltage u y _ and the triangular voltage u d as well as a sinusoidal voltage u s which has the same slope as the voltage u d in the region of the zero crossings. Diagram b shows the periods in which the field effect transistor 14 is conductive, and diagram c shows the periods in which the field effect transistor 15 is conductive. Diagram d shows the periods in which both field effect transistor 14 and field effect transistor 15 are conductive. The diagram e shows the periods in which neither the field effect transistor 14 nor the field effect transistor 15 is conductive. The corresponding periods are highlighted by hatching.
In der Figur 3 ist der Betriebszustand dargestellt, in dem die nicht invertierte Steuerspannung uy+ positiv ist und die invertierte Steuerspannung uy_ negativ ist. Solange die Spannung uy+ positiver als die Spannung ud ist (vgl. Figur 3a), ist der Feldeffekttransistor 14 leitend (vgl. Figur 3b). Solange die Spannung ud positiver als die Spannung uy_ ist (vgl. Figur 3a), ist der Feldeffekttransistor 15 leitendFIG. 3 shows the operating state in which the non-inverted control voltage u y + is positive and the inverted control voltage u y _ is negative. As long as the voltage u y + is more positive than the voltage u d (see FIG. 3a), the field effect transistor 14 is conductive (see FIG. 3b). As long as the voltage u d is more positive than the voltage u y _ (cf. FIG. 3a), the field effect transistor 15 is conductive
(vgl. Figur 3c) . Die in den Figuren 3b und 3c dargestellten Impulsfolgen weisen jeweils dasselbe Tastverhältnis auf, sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Größe der Phasenverschiebung ist durch die Höhe der Steuerspannung uy und ihr Vorzeichen bestimmt. Vom Zeitpunkt t30 bis zum Zeitpunkt t31 überlappen sich die Diagramme 3b und 3c, d. h. in diesem Zeitraum sind die beiden Feldeffekttransistoren 14 und 15 leitend. In diesen Zeitraum fließt ein von der Spannung UN getriebener ansteigender Strom i über die Magnetspule 18. Im Zeitpunkt t31 sperrt der Feldeffekttransistor 14. Der über die Magnetspule 18 fließende Strom i fließt jetzt weiter über die Diode 11 und den noch leitenden Feldeffekttransistor 15. Der Strom i klingt dabei langsam ab, bis im Zeitpunkt t32 der Feldeffekttransistor 14 wieder in den leitenden Zustand geschaltet wird. Von dem Zeitpunkt t32 bis zum Zeitpunkt t33 überlappen sich wieder die Diagramme 3b und 3c, beide Feldeffekttransistoren 14 und 15 sind leitend (vgl. Figur 3d) . Der Strom i wird wieder von der Spannung UN getrieben und steigt bis zum Zeitpunkt t33 an. Ab diesem Zeitpunkt sperrt der Feldeffekttransistor 15. Der über die Magnetspule 18 fließende Strom i fließt in diesem Schaltzustand über den noch leitenden Feldeffekttransistor 14 und die Diode 16. Der Strom i klingt langsam ab, bis im Zeitpunkt t 4 der Feldeffekttransistor 15 wieder in den leitenden Zustand geschaltet wird. Ab dem Zeitpunkt t34 wiederholen sich die oben beschriebenen Abläufe von dem Zeitpunkt t30 bis zum Zeitpunkt t34. Der Zeitraum t34 - t30 ist die Periodendauer der dreieckförmigen Spannung ud und damit der Kehrwert der Frequenz dieser Spannung. Der über die Magnetspule 18 fließende Strom i setzt sich aus einem Gleichstromanteil und einem diesem überlagerten Wechselstromanteil zusammen. Der Zeitraum t32 - t30 ist die Periodendauer des Wechselstromanteils. Die Frequenz des Wechselstromanteils, d. h. der Kehrwert der Periodendauer des Wechselstromanteils, ist doppelt so groß wie die Frequenz der dreieckförmigen Spannung ud. Das Tastverhältnis des Wechselstromanteils ergibt sich aus dem Verhältnis der Einschaltzeit t31 - t30 zur Periodendauer t32 - t30. Wie die Figur 3 zeigt, ändert sich das Tast- Verhältnis proportional mit der Steuerspannung uy. Bei kleinen Werten der Steuerspannung uy nähert sich das Tastverhältnis einem Wert von 50 %. Wenn das Tastverhältnis des Wechselstromanteils zu null geworden ist, ist das Tastverhältnis des jeweils über einen der beiden Feldeffekt- transistoren 14 und 15 fließenden Stromes 50 %. Die Dauer der Flußphase des über die Magnetspule 18 fließenden Stromes i kann also wesentlich kleiner gewählt werden als die Mindest - einschaltdauer eines einzelnen Feldeffekttransistors. Die Amplitude des Wechselstromanteils des Stromes i ist durch die Frequenz der dreieckförmigen Spannung ud bestimmt. Je höher diese Frequenz gewählt wird, desto kleiner ist die Amplitude des Wechselstromanteils des Stromes i.(see FIG. 3c). The pulse sequences shown in Figures 3b and 3c each have the same duty cycle, but are out of phase with each other. The size of the phase shift is determined by the level of the control voltage u y and its sign. From time t 30 to time t 31 , the diagrams 3b and 3c overlap, ie in this period the two field effect transistors 14 and 15 are conductive. During this period, an increasing current i driven by the voltage U N flows via the magnet coil 18. At time t 31, the field effect transistor 14 blocks. The current i flowing via the magnet coil 18 now flows further via the diode 11 and the still conducting field effect transistor 15. The current i decays slowly until the field effect transistor 14 is switched back to the conductive state at time t 32 . From time t 32 to time t 33 , the diagrams 3b and 3c overlap again, both field effect transistors 14 and 15 are conductive (see FIG. 3d). The current i is again driven by the voltage U N and increases until the time t 33 . From this point in time, the field effect transistor 15 blocks. In this switching state, the current i flowing through the magnetic coil 18 flows via the still conductive field effect transistor 14 and the diode 16. The current i slowly decays until the field effect transistor 15 returns to the conductive one at time t 4 Status is switched. From time t 34 , the processes described above are repeated from time t 30 to time t 34 . The period t 34 - t 30 is the period of the triangular voltage u d and thus the reciprocal of the frequency of this voltage. The current i flowing through the magnetic coil 18 is composed of a direct current component and an alternating current component superimposed thereon. The period t 32 - t 30 is the period of the AC component. The frequency of the AC component, ie the reciprocal of the period of the AC component, is twice the frequency of the triangular voltage u d . The duty cycle of the AC component results from the ratio of the switch-on time t 31 - t 30 to the period t 32 - t 30 . As FIG. 3 shows, the pulse duty factor changes proportionally with the control voltage u y . With small values of the control voltage u y the duty cycle approaches a value of 50%. When the duty cycle of the AC component has become zero, the duty cycle of the current flowing through one of the two field effect transistors 14 and 15 is 50%. The duration of the flow phase of the current i flowing through the magnetic coil 18 can thus be chosen to be significantly shorter than the minimum on-time of an individual field effect transistor. The amplitude of the AC component of the current i is determined by the frequency of the triangular voltage u d . The higher this frequency is selected, the smaller the amplitude of the AC component of the current i.
In der Figur 4 ist der Betriebszustand dargestellt, in dem die nicht invertierte Steuerspannung uy+ negativ ist und die invertierte Spannung uy_ positiv ist. Solange die Spannung uy+ positiver als die Spannung ud ist (vgl. Figur 4a), ist der Feldeffekttransistor 14 leitend (vgl. Figur 4b) . Solange die Spannung ud positiver als die Spannung uy_ ist (vgl. Figur 4a), ist der Feldeffekttransistor 15 leitend (vgl. Figur 4c) . Die in den Figuren 4b und 4c dargestellten Impulsfolgen weisen jeweils dasselbe Tastverhältnis auf, sind jedoch gegeneinander phasenverschoben. Die Größe der Phasenverschiebung ist durch die Höhe der Steuerspannung und deren Vorzeichen bestimmt. Die Spannung uy+ ist bi's zum Zeitpunkt t40 positiver als die Spannung ud. Bis dahin ist der Feldeffekttransistor 14 leitend (vgl. Figur 4b). Vom Zeitpunkt t41 bis zum Zeitpunkt t42 ist die Spannung ud positiver als die Spannung uy_ . In diesem Zeitraum leitet der Feldeffekttransistor 15. Vom Zeitpunkt t43 bis zum Zeitpunkt t4 leitet wieder der Feldeffekttransistor 14. In den Zeiträumen t 0 bis t41 und t42 bis t 3 (vgl. Figur 4e) leitet weder der Feldeffekttransistor 14 noch der Feldeffekttransistor 15. In diesen Zeiträumen ist die Magnetspule 18 über die Dioden 16 und 17 mit der Spannung UN als Gegenspannung beaufschlagt. Der über die Magnetspule 18 fließende Strom i sinkt daher in diesen Zeiträumen schneller ab, als wenn einer der Feldeffekttransistoren 14 und 15 leitet. Der Strom i sinkt vom Zeitpunkt t40 bis zum Zeitpunkt t41 schnell ab und vom Zeitpunkt t41 bis zum Zeitpunkt t42 langsam ab. Vom Zeitpunkt t42 bis zum Zeitpunkt t43 sinkt der Strom i wieder schnell ab und vom Zeitpunkt t 3 bis zum Zeitpunkt t 4 wieder langsam ab. Das Tastverhältnis, also das Verhältnis des Zeitraumes t41 - t40 zu dem Zeitraum t4 - t40, bestimmt die resultierende Absinkgeschwindigkeit des Stromes i. Die Möglichkeit der Umkehr des Vorzeichens der Steuerspannung uy ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Steuerspannung uy - wie in dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel - die Stellgröße eines Stromreglers 21 ist.FIG. 4 shows the operating state in which the non-inverted control voltage u y + is negative and the inverted voltage u y _ is positive. As long as the voltage u y + is more positive than the voltage u d (cf. FIG. 4a), the field effect transistor 14 is conductive (cf. FIG. 4b). As long as the voltage u d is more positive than the voltage u y _ (cf. FIG. 4a), the field effect transistor 15 is conductive (cf. Figure 4c). The pulse sequences shown in FIGS. 4b and 4c each have the same duty cycle, but are out of phase with one another. The size of the phase shift is determined by the level of the control voltage and its sign. At time t 40, the voltage u y + is more positive than the voltage u d . Until then, the field effect transistor 14 is conductive (see FIG. 4b). From time t 41 to time t 42 , the voltage u d is more positive than the voltage u y _. The field effect transistor 15 conducts in this period. From time t 43 to time t 4 , the field effect transistor 14 conducts again. In the periods t 0 to t 41 and t 42 to t 3 (cf. FIG. 4e) neither the field effect transistor 14 nor the conduction Field effect transistor 15. In these periods, the solenoid 18 is acted upon by the diodes 16 and 17 with the voltage U N as a counter voltage. The current i flowing through the magnetic coil 18 therefore drops more rapidly in these time periods than if one of the field effect transistors 14 and 15 conducts. The current i drops rapidly from the time t 40 to the time t 41 and slowly decreases from the time t 41 to the time t 42 . From time t 42 to time t 43 the current i drops again rapidly and from time t 3 to time t 4 again slowly. The pulse duty factor, that is the ratio of the period t 41 - t 40 to the period t 4 - t 40 , determines the resulting sinking speed of the current i. The possibility of reversing the sign of the control voltage u y is particularly advantageous if the control voltage u y - as in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 - is the manipulated variable of a current regulator 21.
Als Beispiel für die Versorgungsspannung UN für dasAs an example for the supply voltage U N for the
Leistungsteil 1 wurde oben von einer Gleichspannung von 325 V ausgegangen. Dem folgenden Dimensionierungsbeispiel wird zur Vereinfachung der Rechnung eine Gleichspannung von 300 V als Spannung UN zugrunde gelegt . Der ohmsche Widerstand der Magnetspule 18 sei 2 Ω und der größte Strom, der ständig über die Magnetspule 18 fließen darf, 3 A. Das bedeutet, die Magnetspule ist für eine Nennspannung von 6 V ausgelegt. Die über die Feldeffekttransistoren 14 und 15 an die Magnetspule angelegte Spannung UN ist 50 mal größer als die Nennspannung der Magnetspule. Dies bedeutet, daß die Magnetspule nur kurzzeitig mit der Spannung UN beaufschlagt werden darf, damit die Magnetspule 18 nicht thermisch zerstört wird. Aus der Spannung von 300 V und dem Widerstand von 2 Ω errechnet sich ein Strom von 150 A. Bei einer Pulsweitenmodulation stellt sich mit den obigen Annahmen ein mittlerer Strom von 3 A ein, wenn das Tastverhältnis 2 % beträgt. Ein Tastverhältnis von 2 % erhält man z. B. bei einer Einschaltdauer von 1 μs und einer Periodendauer von 50 μs . Diese Zeiten ergeben sich, wenn die Frequenz der Spannung ud 10 kHz beträgt. DiePower section 1 was based on a DC voltage of 325 V above. The following dimensioning example is based on a DC voltage of 300 V as voltage U N to simplify the calculation. The ohmic resistance of the Solenoid 18 is 2 Ω and the largest current that is allowed to flow continuously through solenoid 18 is 3 A. This means that the solenoid is designed for a nominal voltage of 6 V. The voltage U N applied to the magnet coil via the field effect transistors 14 and 15 is 50 times greater than the nominal voltage of the magnet coil. This means that the solenoid coil may only be briefly subjected to the voltage U N , so that the solenoid coil 18 is not thermally destroyed. A current of 150 A is calculated from the voltage of 300 V and the resistance of 2 Ω. With pulse width modulation, the above assumptions result in an average current of 3 A if the pulse duty factor is 2%. A duty cycle of 2% is obtained e.g. B. with a duty cycle of 1 μs and a period of 50 μs. These times arise when the frequency of the voltage u d is 10 kHz. The
Frequenz des Wechselstromanteils des über die Magnetspule 18 fließenden Stromes i beträgt in diesem Fall 20 kHz. Daraus ergibt sich eine Periodendauer von 50 μs . Für eine stetige Änderung des über die Magnetspule 18 fließenden Stromes i von 0 ... 3 A ist eine stetige Änderung der Einschaltdauer von 0 ... 1 μs bei einer Periodendauer von 50 μs erforderlich. Diese Überlegungen zeigen, daß für die Steuerspannung uy in den Figuren 3 und 4 größere Werte dargestellt sind, als sie in der Praxis auftreten werden. Da die Zeitpunkte t30 und t31 sehr nahe am Nulldurchgang der Spannung ud liegen, ist es möglich, anstelle der dreieckförmigen Spannung ud auch eine andere Spannung zu verwenden, die sich im Bereich der Nulldurchgänge wie eine dreieckförmige Spannung verhält. Wie in den Figuren 3 und 4 dargestellt, kann die dreieckförmige Spannung ud durch eine sinusförmige Spannung us ersetzt werden, die im Bereich der Nulldurchgänge denselben zeitlichen Verlauf wie die dreieckförmige Spannung ud aufweist. Ist der Stellantrieb Bestandteil eines überlagerten Positionsregelkreises mit einem induktiven Weggeber, kann die Primärwicklung des Weggebers von demselben Oszillator wie die Steuerschaltung des Stellantriebes mit einer sinusförmigen Spannung versorgt werden. Diese Maßnahme spart einen Oszillator ein. Außerdem entfällt die Gefahr' der gegenseitigen Beeinflussung von zwei Oszillatoren, deren Schwingfrequenz in der gleichen Größenordnung liegt. In this case, the frequency of the AC component of the current i flowing through the magnetic coil 18 is 20 kHz. This results in a period of 50 μs. For a constant change in the current i flowing through the magnetic coil 18 from 0 to 3 A, a constant change in the duty cycle of 0 to 1 μs with a period of 50 μs is required. These considerations show that values for the control voltage u y are shown in FIGS. 3 and 4 larger than they will occur in practice. Since the times t 30 and t 31 are very close to the zero crossing of the voltage u d , it is possible to use another voltage instead of the triangular voltage u d , which behaves like a triangular voltage in the area of the zero crossings. As shown in FIGS. 3 and 4, the triangular voltage u d can be replaced by a sinusoidal voltage u s , which has the same time profile as the triangular voltage u d in the region of the zero crossings. If the actuator is part of a superimposed position control loop with an inductive displacement sensor, the primary winding of the displacement sensor can be from the same oscillator as the Control circuit of the actuator can be supplied with a sinusoidal voltage. This measure saves an oscillator. In addition, the risk of 'the interaction eliminates two oscillators whose oscillation frequency is of the same order of magnitude.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektromagnetischer Stellantrieb mit einem Leistungsteil, dem von einer vorgeschalteten Steuerschaltung pulsweitenmodulierte Steuerimpulse zugeführt sind, deren Tastverhältnis ein Maß für die Höhe einer Steuerspannung ist, und das einen Elektromagneten in Abhängigkeit von den Steuerimpulsen mit einer Versorgungsspannung beaufschlagt, insbesondere für ein Proportionalventil,1.Electromagnetic actuator with a power unit, to which pulse-width-modulated control pulses are fed from an upstream control circuit, the pulse duty factor of which is a measure of the level of a control voltage, and which applies a supply voltage to an electromagnet as a function of the control pulses, in particular for a proportional valve,
- dessen Steuerschaltung einen ersten Vergleicher aufweist, dem die Steuerspannung und eine periodische Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zugeführt sind, und einen zweiten Vergleicher aufweist, dem die invertierte Steuerspannung und die periodische Spannung mit dreieckförmigem Verlauf zugeführt sind, - dessen Leistungsteil als mit elektronischen Schaltern versehene Brückenschaltung ausgebildet ist, deren einer Diagonale die Versorgungsspannung für das Leistungsteil zugeführt ist und an deren andere Diagonale der Elektromagnet angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,- whose control circuit has a first comparator, to which the control voltage and a periodic voltage with a triangular shape are fed, and a second comparator, to which the inverted control voltage and the periodic voltage with a triangular shape are fed, - whose power section as a bridge circuit provided with electronic switches is formed, one diagonal of which is supplied with the supply voltage for the power unit and the other diagonal of which the electromagnet is connected, characterized in that
- daß zwei elektronische Schalter (14, 15) in diagonal gegenüberliegenden Brückenzweigen des Leistungsteils (1) angeordnet sind,- That two electronic switches (14, 15) are arranged in diagonally opposite bridge branches of the power section (1),
- daß in den anderen beiden Brückenzweigen des Leistungsteils (1) je eine Diode (16, 17) angeordnet ist, deren Flußrichtung der Versorgungsspannung (UN) für das Leistungsteil (1) entgegengesetzt ist,- That in the other two bridge branches of the power section (1) a diode (16, 17) is arranged, the flow direction of the supply voltage (U N ) for the power section (1) is opposite,
- daß die Ausgangsimpulse des ersten Vergleichers (24) dem Steuereingang des ersten elektronischen Schalters (14) über einen ersten Optokoppler (33) als Steuerimpulse zugeführt sind, - daß die Ausgangsimpulse des zweiten Vergleichers (25) dem Steuereingang eines zweiten elektronischen Schalters (15) über einen zweiten Optokoppler (35) als Steuerimpulse zugeführt sind und - daß die Zuordnung der den Vergleichern (24, 25) zugeführten Spannungen (uy+, uy_ , ud) zu den Eingängen der Vergleicher (24, 25) so gewählt ist, daß die Ausgangsimpulse der Vergleicher (24, 25) jeweils dasselbe Tastverhältnis aufweisen, wobei die Zeit der Überlappung der Ausgangs- impulse die Dauer des Stromflusses über den Elektromagneten (18) bestimmt .- That the output pulses of the first comparator (24) to the control input of the first electronic switch (14) via a first optocoupler (33) are supplied as control pulses, - That the output pulses of the second comparator (25) are fed to the control input of a second electronic switch (15) via a second optocoupler (35) as control pulses and - that the assignment of the comparators (24, 25) supplied voltages (u y + , u y _, u d ) for the inputs of the comparators (24, 25) is selected such that the output pulses of the comparators (24, 25) each have the same duty cycle, the time of the overlap of the output pulses being the duration of the current flow over the Electromagnet (18) determined.
2. Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannungen (UL, UH) für die Steuereingänge der elektronischen Schalter (14, 15) voneinander und von der Versorgungsspannung (UN) für das Leistungsteil (1) galvanisch getrennt sind.2. Actuator according to claim 1, characterized in that the supply voltages (U L , U H ) for the control inputs of the electronic switches (14, 15) from each other and from the supply voltage (U N ) for the power section (1) are electrically isolated.
3. Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (14, 15) selbstsperrende Feldeffekt-Transistoren desselben Leitfähigkeitstyps sind.3. Actuator according to claim 2, characterized in that the electronic switches (14, 15) are normally off field-effect transistors of the same conductivity type.
4. Stellantrieb nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung (UB) für die Steuerschaltung (2) galvanisch von den Versorgungs- spannungen (UH, UL) für die Steuereingänge der elektronischen Schalter (14 bzw. 15) und von der Versorgungsspannung (UN) für das Leistungsteil (1) getrennt ist.4. Actuator according to claim 2 or claim 3, characterized in that the supply voltage (U B ) for the control circuit (2) galvanically from the supply voltages (U H , U L ) for the control inputs of the electronic switches (14 and 15th ) and is separated from the supply voltage (U N ) for the power section (1).
5. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leistungsteil (1) die gleichgerichtete Spannung des Wechselstromnetzes als Versorgungsspannung (UN) zugeführt ist. 5. Actuator according to one of claims 2 to 4, characterized in that the rectified voltage of the AC network is supplied as the supply voltage (U N ) to the power section (1).
6. Stellantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einem Stromregler (21) eine erste elektrische Größe (u-j_x) , die ein Maß für den Istwert des über den Elektromagneten (18) fließenden Stromes (i) ist, und eine zweite elektrische Größe (UJ_W) , die ein Maß für den Sollwert des über den Elektromagneten (18) fließenden Stromes (i) ist, zugeführt sind, daß die erste elektrische Größe (UJ_X) galvanisch von dem über den Elektromagneten (18) fließenden Strom (i) getrennt ist und daß die Stellgröße des Stromreglers (21) die Steuerspannung (uy) ist.6. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that a current controller (21) has a first electrical variable (u-j_ x ) which is a measure of the actual value of the current (i) flowing via the electromagnet (18), and a second electrical variable (UJ_ W ), which is a measure of the desired value of the current (i) flowing via the electromagnet (18), is supplied so that the first electrical variable (UJ_ X ) is galvanically separated from that via the electromagnet (18) flowing current (i) is separated and that the manipulated variable of the current regulator (21) is the control voltage (u y ).
7. Stellantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Größe (UJ_X) dem Stromregler (21) über ein Glättungsglied (22) zugeführt ist.7. Actuator according to claim 6, characterized in that the first electrical variable (UJ_ X ) is supplied to the current controller (21) via a smoothing element (22).
8. Stellantrieb nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Vergleicher (27) vorgesehen ist, dessen einem Eingang die erste elektrische Größe (u-j_x) und dessen anderem Eingang eine dritte elektrische Größe (u-max) zugeführt ist, die ein Maß für den maximal zulässigen Wert (imaχ) des über den Elektromagneten (18) fließenden Stromes (i) ist, und daß eine Verknüpfung des Ausgangssignals des dritten Vergleichers (27) mit den Ausgangsimpulsen der ersten beiden Vergleicher (24, 25) in dem Sinn erfolgt, daß die Ausgangsimpulse der ersten beiden Vergleicher (24, 25) nur dann an die ihnen nachgeschalteten Optokoppler (33 bzw. 35) weitergeleitet werden, wenn der über den Elektromagneten (18) fließende Strom (i) kleiner als der maximal zulässige Wert (imaχ) ist.8. Actuator according to claim 6 or claim 7, characterized in that a third comparator (27) is provided, one input of which is the first electrical variable (u-j_ x ) and the other input of which is a third electrical variable (u- max ) which is a measure of the maximum permissible value (i m aχ) of the current (i) flowing via the electromagnet (18), and that a link between the output signal of the third comparator (27) and the output pulses of the first two comparators (24 , 25) in the sense that the output pulses of the first two comparators (24, 25) are only passed on to the optocouplers (33 or 35) connected downstream if the current (i) flowing via the electromagnet (18) is smaller than the maximum allowable value (i m aχ).
9. Stellantrieb nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Vergleichern (24, 25) anstelle der periodischen Spannung (ud) mit dreieckförmigem Verlauf eine periodische Spannung (us) mit sinusförmigem Verlauf zugeführt ist . 9. Actuator according to one of claims 5 to 8, characterized in that the two comparators (24, 25) instead of the periodic voltage (u d ) with a triangular shape, a periodic voltage (u s ) is fed with a sinusoidal shape.
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