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.

Bild 3 zeigt die praktische Umsetzung einer solchen geregelten PWM-Ansteuerung in Form des integrierten Schaltkreises iC-GE. Der Anzugsstrom wird mit RACT eingestellt und nach typ. 50 ms auf den mit RHOLD eingestellten Haltestrom reduziert. Bei einer Absenkung auf z.B. 2/3 des Anzugsstroms reduziert sich die Verlustleistung um ca. 50 %.

Die Zener-Diode in der PMW-Ausgangstufe wird beim Abschalten des Treibers aktiviert und ermöglicht durch die höhere Freilaufspannung eine schnelle Entmagnetisierung der Spule.

Die PWM-Ausgangsstufe besitzt als Zeitbasis einen internen 80-kHz-Oszillator und liegt damit außerhalb des Hörbereichs.

Die externen Widerstände RACT und RHOLD erlauben die Einstellung der jeweiligen Anzugs- und Halteströme im Bereich 100 mA bis 1 A. Alternativ steht der iC-GE100 für einen Strombereich von 10 bis 100 mA zur Verfügung. Damit lassen sich Spulen im Bereich von 10 mH bis 10 H in den unterschiedlichsten Anwendungen ansteuern.

Zusätzlich zur Stromabsenkung und Regelung beinhaltet dieser Baustein Diagnosefunktionen, die Spulendefekte, Kabelbruch und Übertemperatur des ICs am LED-Ausgang durch Blinken (typ. 2,4 Hz) melden.

Ein weiterer Vorteil gegenüber bisherigen geregelten Ansteuerung ist die getrennte Einstellung von Anzugs- und Haltestrom, sowie die Möglichkeit, mit einem einfachen Kondensator die Anzugszeit zu verlängern, also die Zeit, bis der Spulenstrom auf den voreingestellten Haltestrom hinunter geregelt wird.

Weitere interessante Eigenschaften sind die flexible Fehleranzeige (DIAG), wahlweise mit LED-Treiber- oder als Logik-Ausgang, sowie die Möglichkeit, den Treiber mit z.B. dem Laststrom des anzusteuernden Relais zu synchronisieren (SYNC), um dieses zur Kontaktschonung im Nulldurchgang des Laststroms zu schalten.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass in Applikationen mit elektromechanischen Relais, Ventilen und Magneten durch den Einsatz spezieller ICs in weiten Bereichen, unabhängig von der Spannungsversorgung, die Leistungsaufnahme reduziert und die Schaltungstechnik service-freundlicher ausgelegt werden kann. Gleichzeitig erhöht sich damit die Zuverlässigkeit des Systems, und Fehler lassen sich schnell erkennen. //

* * Dipl.-Ing. Uwe Malzahn ist Applikationsingenieur bei iC-Haus in Bodenheim.

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