Steuer-Schaltkreis Magnetspulen in Ventilen, Relais und Aktoren intelligent ansteuern

Autor / Redakteur: Uwe Malzahn * / Kristin Rinortner

In Applikationen mit elektromechanischen Relais, Ventilen und Magneten lässt sich durch den Einsatz spezieller ICs die Leistungsaufnahme unabhängig von der Spannungsversorgung reduzieren.

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Bild 1: Spulen-Ansteuerung mit einfacher PWM
Bild 1: Spulen-Ansteuerung mit einfacher PWM
(Bild: iC-Haus)

Will man Magnetspulen in Ventilen, Relais und anderen Aktoren optimal und energiesparend ansteuern, müssen üblicherweise einige Hindernisse überwunden werden.

Beim „Anziehen“ wird zur Überwindung des Luftspalts im Magnetkreis meist ein deutlich höherer Strom benötigt, als später zum „Halten“, wenn der Magnetkreis geschlossen ist.

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Ohne eine entsprechende Ansteuerschaltung werden die Magnetspulen in der Praxis oft einfach mit dem Anzugsstrom betrieben und dadurch mit unnötig viel Verlustleistung beaufschlagt.

Weiterhin muss bei herkömmlichen, ungeregelten Ansteuerungen die Spule für die jeweilige Betriebsspannung ausgelegt sein, die über den Innenwiderstand der Spule dann den Spulenstrom bestimmt. Daher erfordern unterschiedliche Anschlussspannungen jeweils speziell dafür ausgelegte Spulen.

Lösungsansätze für eine flexiblere und stromsparendere Ansteuerung reichen von simplen Eintransistor-Schaltungen mit Stromabsenkung durch RC-Beschaltung bis hin zu integrierten Schaltungen mit Pulsweiten-Modulation (PWM).

Gängige integrierte Lösungen bieten allerdings lediglich eine „gesteuerte“ PWM (Prinzip siehe Bild 1). Zwar lässt sich so relativ einfach durch Verringern des Tastverhältnisses der Haltestrom gegenüber dem Anzugsstrom sowie die Gesamtstromaufnahme senken, der resultierende Strom hängt jedoch nach wie vor von der Betriebsspannung ab.

Das heißt, sowohl Spule als auch PWM-Steuerung (Frequenz, Tastverhältnis) müssen auf die jeweilige Versorgungsspannung abgestimmt werden. In einigen integrierten Lösungen wird immerhin versucht, die PWM-Ansteuerung in Abhängigkeit der Versorgungsspannung „nachzuführen“.

Mit einer stromgeregelten PWM-Schaltung mit Stromabsenkung lassen sich konsequent beide Hauptaspekte bei der Spulenansteuerung berücksichtigten. Dabei macht man sich, wie bei der gesteuerten PWM, das Verhalten der Induktivität zur Nutze, den Strom zu speichern. Dieser wird gemessen und als Regelgröße herangezogen.

Prinzipiell ähnelt eine solche Schaltung der eines Schaltwandlers. Der Schalter (T1) wird von einem internen Oszillator mit fester Frequenz zyklisch eingeschaltet und lädt die Spule (L1) jeweils bis zum eingestellten Abschaltstrom auf. Mit Erreichen des Abschaltstroms wird T1 wieder ausgeschaltet. Die aufgeladene Spule läuft sich über die Diode (D1) frei; d. h., der Spulenstrom verringert sich langsam bis zum nächsten Einschalten. Im Mittel wird die Spule mit einem Strom knapp unter dem eingestellten Abschaltstrom betrieben (Bild 2).

Der entscheidende Vorteil dieser Anordnung ist die Versorgungsspannungs-unabhängige Stromregelung. Zur Anpassung an die Spule sind lediglich der Anzugs- und Haltestrom einzustellen. Das Tastverhältnis der PWM wird dabei abhängig von den Spulenparametern wie Induktivität und Innenwiderstand sowie der Versorgungsspannung automatisch geregelt.

So lässt sich mit einer solchen Ansteuerung z. B. ein und dieselbe 6-V-Spule in einem weiten Spannungsbereich (10 bis 36 V) einsetzen, da der Spulenstrom nicht mehr von der Versorgungsspannung abhängt.

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