Die Erfindung betrifft eine Venti 1 steuerschal tung zur Regelung des elektrischen Stromes durch die Erregerwicklung eines elektromagnetisch betätig- 10 baren Ventils.

ZUGRUNDE LIEGENDER STAND DER TECHNIK

15 Eine solche Ventilsteuerschaltung ist bekannt durch die DE-A-3 322 006.

Bei dieser bekannten Schaltung handelt es sich um eine Vorrichtung zur Steuerung eines Vergaser mit

20 einem digitalen Regler in Form eines Mikrocom¬ puters, welcher einen Schalttransistor mit verän¬ derlichem Pulsverhältnis steuert. Der Schalttran¬ sistor liegt im Stromkreis einer Erregerwicklung. In diesem Stromkreis liegen in Reihe an einer

25 Versorgungsspannung die Erregerwicklung, die Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors und ein Meßwiderstand. Zu der Erregerwicklung ist eine Diode paral 1 el geschaltet, über welche bei gesperr¬ tem Schalttransistor ein durch das Zusammenbrechen

30 des Magnetfeldes in der Erregerwicklung induzierter Strom fließt. Bei einer solchen Anordnung fließt in

/" ^" V der Praxis ständig Strom in der Erregerwicklung. Bei leitendem Schalttransistor steigt der Strom näherungsweise linear an, weil die Induktivität der

35 Erregerwicklung einem sprunghaften Anstieg des Stromes entgegenwirkt. Wenn der Schalttransistor

gesperrt wird, wird der Strom nicht abrupt unter¬ brochen. Vielmehr wird durch das Zusammenbrechen des Magnetfeldes in der Errgerwickl ung eine Spannung induziert, welche über die Diode einen weiteren Stromfluß bewirkt. Dieser Strom sinkt infolge der Verluste durch Joulsche Wärme nähe¬ rungsweise linear mit der Zeit ab, bis der Schalttransistor wieder leitend wird. Aus dem Anstieg und Absinken des Stromes stellt sich ein mittleres Niveau der Stromstärke ein, welches von der Pulsbreite, also dem Verhältnis von Einschalt¬ zeit zu Ausschaltzeit des Schalttransistors ab- - hängt .

Ein solcher ständiger Strom fließt jedoch nur in dem von Erregerwicklung und Diode gebildeten Kreis, nicht aber über den periodisch gesperrten Schalt¬ transistor und durch den Meßwiderstand. An dem Meßwiderstand tritt daher nur ein Strom in Form von Impulsen auf, wenn der Schalttransistor leitend ist. Der Strom durch den Meßwiderstand umfaßt nicht den während der Sperrphase des Schalttransistors in der Erregerwicklung fließenden Strom. Die an dem Meßwiderstand abfallende Spannung liefert daher nur 5 sehr bedingt ein Maß für die mittlere Stromstärke in der Erregerwicklung.

Bei der DE-A-3 322 006 werden die an dem Meßwider¬ stand abfallende Spannungsimpulse durch ein RC- Siebglied geglättet und liefert eine Rückführ¬ spannung, die durch einen A/D-Wandler digitalisiert und dem Mikrocomputer zugeführt wird. Bei dem RC-Siebglied wird ein Kondensator über einen ohm- schen Widerstand aufgeladen, d.h. der Kondensator g liegt in Reihe mit dem ohmschen Widerstand des RC-Gliedes an dem Meßwiderstand, an welchem die zu mittelnde Spannung abfällt.""--

1 KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu¬ grunde, eine Rückführspannung zu erzeugen, deren 5 Verlauf auch während der Sperrphasen des Schalt¬ transistors dem des Stromes durch die Erreger¬ wicklung entspricht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer 10 Venti 1 steuerschaltung enthaltend

(a) einen elektrischen Regler, dem ein Sollwert vorgebbar ist und der ein Rückführsignal enthäl t ,

15

(b) einen von dem Regler gesteuerten Pulsbreiten¬ modul ator,

(c) einen Schalttransistor der 20

(c, ) in Reihe mit der Errgerwi ckl ung an einer Speisespannung liegt und

(c„ ) von dem Pulsbreitenmodulator auf- und 25 zusteuerbar ist,

(d) eine zu der Errgerwi ckl ung paral 1 geschal tete Diode, über welche bei gesperrtem Schalttran¬ sistor ein durch das Zusammenbrechen des Mag-

30 netfeldes in der Erregerwicklung induzierter Strom fließt, und

I

(e) Rückführmittel zur Erzeugung des Rückführ¬ signals

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(e, ) mit einem mit dem Schalttransistor außerhalb des von Erregerwicklung und Diode gebildeten Kreises in Reihe liegenden Meßwiderstand und

(e„ ) ei ner Wi derstands-Kondensator-Kom¬ bination, wobei das Rückführsignal aus der Spannung des Kondensators abgelei¬ tet ist,

dadurch gelöst, daß

(f) die Rückführmittel einen Spitzengleichrichter enthalten, an welchem die an dem Meßwiderstand abfallende Spannung anliegt,

(g) der Kondensator der Widerstands-Kondensator- Kombination unmittelbar an dem Spitzengleich¬ richter anliegt und von diesem bei leitendem Schalttransistor mit einer gegen die Ein¬ schaltzeit kleinen Zeitkonstante auf die an dem Meßwiderstand abfallende, zeitlich an¬ steigende Spannung aufladbar ist, und

(h) der Widerstand der Widerstands-Kondensator— Kombination parallel zu dem ^' Kondensator an¬ geordnet ist, so daß der Kondensator bei gesperrtem Schalttransistor über den Wider¬ stand entladen wird, und ,J

(i ) die von dem Kondensator und dem Widerstand gebildete Zeitkonstante gleich dem Verhältnis der Induktivität der Erregerwicklung zu dem ohmschen Widerstand des von Erregerwicklung und Diode gebildeten Stromkreises ist. -' ^'

Es wird auf diese Weise über den Spitzengleich¬ richter der Kondensator aufgeladen. Da die Zeitkon¬ stante von Spitzengleichrichter und Kondensator klein ist, folgt die Kondensatorspannung bei leitendem Schalttransistor der ansteigenden Spannung am Meßwiderstand. Wenn der Schalttran¬ sistor sperrt, verhindert der Spitzengleichrichter eine Entladung des Kondensators über den Meßwider¬ stand. Der Kondensator entlädt sich dann über den ohmschen Widerstand der Widerstands-Kondensator- Kombination. Deren Zeitkonstante ist so gewählt, daß die Spannung am Kondensator in gleichem Maße absinkt wie der Strom in der Erregerwicklung. Am Kondensator entsteht daher eine abwechselnd anstei- gende und absinkende Spannung, deren Verlauf genau dem Stromverlauf in der Erregerspule entspricht. Daraus wird das Rückführsignal abgeleitet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nach¬ stehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Venti 1 steuerschal tung zur Regelung des elektrischen Stromes durch die Erregerwicklung eines elektromagne¬ tisch betätigbaren Ventils.

Fig. 2 zeigt Si gnal verl ufe , die in der Ven¬ ti 1 steuerschal tung von Fig.! auftreten.

1 BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die V.enti 1 steuerschal tung enthält einen integrie-.. renden elektrischen Regler 10. Dieser besteht prak- 5 tisch aus einem Operationsverstärker 12, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang über einen Kondensator 14 verbunden ist. An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 12 ist über einen Widerstand 16 eine Signalspannung U _ß von einem 0 (nicht dargestellten) Geber angelegt. Diese Signal¬ spannung ü . dient als. Führungsgröße. Weiterhin liegt an dem invertierenden Eingang des Operations¬ verstärkers 12 mit entgegengesetztem Vorzeichen noch eine Rückführspannung. Die Rückführspannung 5 wird in noch zu beschreibender Weise von Rückführ- mi ttel n 18 gel i efert .

Der Ausgang des Reglers 10 steuert ei nen .Pul sbrei - tenmodulator 20. Der Pulsbreitenmodulator 20 steuert seinerseits über einen Transistor 22 und eine Hilfsspeisespannung U, einen Schalttransistor 24.

Im Stromkreis einer Speisespannung U liegen in a ^* ^ Reihe ein erster ohmscher Widerstand 26, der Schalttransistor 24 und eine Erregerwicklung 28. Durch einen Strom durch die Erregerwicklung ist ein (nicht dargestelltes) Ventil proportional -verstell¬ bar. Der ohmsche Widerstand der Erregerwicklung 28 ist durch einen Widerstand 30 dargestellt. Parallel zu der Erregerwicklung 28 ist eine Diode 32 ge¬ schaltet. Die Durchlaßrichtung der Diode 32 ist dabei so, daß durch die Diode 32 der Strom fließen kann, welcher nach Sperren des Schalttransistors 24 5 durch das Zusammenbrechen des Magnetfeldes in der Erregerwicklung 28 induziert wird. Bei leitendem Schalttransistor 24 fließt durch die Erregerwick-

lung 28 ein Strom I . in Richtung des entsprechend bezeichneten Pfeils, d.h. von oben nach unten in Fig.l. Die parallele Diode 32 ist für diese Strom¬ richtung gesperrt. Wenn der Schalttransistor 24 sperrt, wird der Stromkreis der Speisespannung U unterbrochen. Das zusammenbrechende Magnetfeld der Erregerspule 28 induziert weiterhin einen Strom in Richtung des Pfeiles I. , der nun in dem von der Erregerwicklung 28, dem Widerstand 30 und der Diode 32 gebildeten, geschlossenen Stromkreis fließt. Dieser Strom nimmt bei geeigneter Bemessung der Bauteile näherungsweise linear ab.

Quantitativ ergibt sich folgendes:

Nach dem Induktionsgesetz ist

Während der Einschaltzeit .2,Zeile 1 ), während welcher der Schalttransistor 24 leitend ist, gilt näherungsweise

U = L a 2) ei n

wobei

L die Induktivität der Erregerspule 28, ΔI. die Gesamtänderung des Stromes in der

Erregerspule 28 während der Einschaltzeit t

(vgl . Fig.2, Zeile 2) ,

I _ der mittlere Strom in der Erregerspule 28 während der Einschaltzelt t und R. der ohmsche Widerstand (30) der

Erregerspule 28 ist.

Dabei ist angenommen, daß

^U R1 _έ ^U a - ⁽³⁾

und

I, ^L L0 (4)

ist, wobei

_R , der Spannungsabfall an dem Widerstand 26 i st.

Während der Ausschaltzeit t , d.h. der Zeit (vgl aus ³

Fig.2), während welcher der Schalttransistor 24 ge¬ sperrt ist, ist näherungsweise

wenn R I _ als groß gegen den Spannungsabfall an der Diode 32 angenommen wird, d.h.

I _L0 ^0,7 V (6)

Aus den Gleichungen (2) und (5) folgt taus U = (1 + _τ ) R I (7).

Setzt man

( vgl . Fi g .2) , so wi rd

U t . ^0 R _L ^* T

s Dabe i i st t e i n _

T = K ( 9 )

der Impulsbreitenmodulationsfaktor. Es wird also U_ o = ^K (10).

R,

Der mittlere Strom durch die Erregerspule 28 ist proportional dem Impulsbreitenmodulationsfaktor K.

Um diesen Strom auf ei-nen der Si gnal Spannung U proporti ona en Wert zu regeln, muß der Strom ge¬ messen und über geeignete Rückführmittel 18 auf den Regler 10 zurückgeführt werden. Eine Messung des Stromes über den Spannungsabfall an der Erreger¬ wicklung selbst hat den Nachteil , daß dann zwei zusätzliche Leitungen zu der Erregerwicklung ge¬ führt werden müssen, was bei handelsüblichen Bau¬ teilen schwierig ist. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 26 kann nicht unmittelbar als Maß für den Strom durch die Erregerwicklung dienen, weil ein Strom durch den Widerstand 26 .nur während der Einschaltzeit fließt.

Es wird daher der Spannungsabfall an dem Widerstand 26 über Leitungen 34 und 36 auf einen Spitzen¬ gleichrichter 38 geschaltet. Dieser l dt einen Kon¬ densator 40 auf. Die Zeitkonstante dieser Kombina¬ tion von Spitzengleichrichter 38 und Kondensator 40 ist klein ge an- nung U am Kondensator 40 folgt daher während der

Einschaltzeit t dem

Spannungsabfall in ^a der dritten und ge- stel lt.

Während der Ausschaltzeit t fällt der Spannungs¬ abfall U „, an dem Widerstand 26 weg. Der Konden¬ sator 42 entlädt sich dann über den Widerstand 42. Es ist zu beachten, daß durch die Gegenkopplung die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 12 stets praktisch auf gleichem Potential gehalten werden.

Durch geeignete Bemessung der Bauelemente ist dafür gesorgt, daß die Spannung U , am Kondensator 40 während der Ausschaltzeit t im gleichen Maße ab- aus ³ fällt wie der Strom I durch die Erregerwicklung 28. Es wird so eine Rückführspannung hergestellt, die in ihrem Verlauf dem Verlauf des Stromes durch die Erregerwicklung folgt.

Quantitativ ergibt sich dabei folgendes:

Während der Ausschaltzeit ist

Δq = C • Δ U (11)

wobei

Δq die Ladungsänderung im ^• Kondensator 40 während der Ausschaltzeit,

C die Kapazität des Kondensators 40 und

ΔU , die Änderung der an dem Kondensator 40 abfallenden Spannung während der

Ausschaltzeit t ist (vgl . Fiq.2, Zeile aus ^{J 3}

4).

Die Ladungsänderung Δ q ist Entladestrom i mal

Ausschaltzeit t . Es gibt also aus ³

t = C.ΔU , (12) aus d

Es ist wieder A ö , klein gegen die mittlere Kon¬ densatorspannung U. . Es wird dann der Entlade- ström

do (13).

Daraus folgt

= R _ d (14) do aus

Schreibt man Gleichung (5) in der Form

so sieht man, daß man den Verlauf von Uj an den Verlauf von I anpassen kann: Wählt man nämlich

^RC - (16) ,

dann wird

i ^y d Δ l _L

(17)

^U do

d.h. die Spannung U . am Kondensator 40 ändert sich im Verhältnis zu ihrem mittleren Wert während der

Ausschaltzeit t in gleichem Maße, wie sich der aus ^a

Strom I durch die Erregerwicklung 28 im _. Verhält¬ nis zu seinem mittleren Wert verändert. Man erhält daher einen Si gnal verl auf der Spannung U . am Kon¬ densator 40, der auch während der Ausschaltzeit dem Signal verl auf des Stromes durch die Erregerwicklung entspricht. Diese Spannung ist als Rückführspannung auf den Regler 10 aufgeschal tet .