(57)【要約】  コイルを備えたスイッチング装置への給電に対して高価な電源部を省略できるようにする。本発明では、電圧または電流を送出する少なくとも１つのコイルと、コイルのプルイン電流またはホールド電流を保持するためにパルス幅変調によって測定抵抗なしで電流制御を行うパルス幅変調装置とを備えたスイッチング装置に対して、設定可能な比較値によって定められる所定の値の第１の給電電圧を供給する電源として機能する電圧供給装置において、当該の電圧供給装置は、整流器ダイオードと、直流電圧を形成する第１の蓄積コンデンサと、少なくとも１つの第２の給電電圧を形成する電圧制御装置とを有しており、コイルが当該の電圧供給装置のインピーダンスとして用いられる。
2010541523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧または電流を送出する少なくとも１つのコイル（６）と、該コイルのプルイン電流またはホールド電流を保持するためにパルス幅変調によって測定抵抗なしで電流制御を行うパルス幅変調装置（７）とを備えた電圧または電流を送出するスイッチング装置に対して、設定可能な比較値によって定められる所定の値の第１の給電電圧（Ｕ１）を供給する電源として機能する電圧供給装置（１）において、
当該の電圧供給装置（１）は、整流器ダイオード（１１）と、直流電圧を形成する第１の蓄積コンデンサ（１２）と、少なくとも１つの第２の給電電圧（Ｕ２）を形成する電圧制御装置（１３）とを有しており、前記コイルが当該の電圧供給装置のインピーダンスとして用いられる
ことを特徴とする電圧供給装置。
【請求項２】
前記パルス幅変調装置は前記コイルの前記プルイン電流および前記ホールド電流を一定値に保持する、請求項１記載の電圧供給装置。
【請求項３】
前記コイルはプルインコイルおよびホールドコイルを含む、請求項１記載の電圧供給装置。
【請求項４】
前記給電電圧を形成するための少なくとも１つの電圧制限素子（１０）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電圧供給装置。
【請求項５】
前記電圧制限素子は阻止方向で動作するツェナーダイオードである、請求項４記載の電圧供給装置。
【請求項６】
前記第２の給電電圧を形成するための前記電圧制御装置に少なくとも１つの第２の蓄積コンデンサ（１４）が後置接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の電圧供給装置。
【請求項７】
電圧または電流を送出するスイッチング装置であって、
請求項１から６までのいずれか１項記載の、電源として機能する電圧供給装置（１）と、
該電圧供給装置のインピーダンスとして作用する、電圧送出回路または電流送出回路の少なくとも１つのコイル（６）と、
前記コイルのプルイン電流またはホールド電流を保持するためにパルス幅変調を行うパルス幅変調装置（７）と
が設けられている
ことを特徴とする電圧または電流を送出するスイッチング装置。
【請求項８】
前記コイルは前記電圧送出回路または前記電流送出回路を操作するためのプルインコイルおよびホールドコイルとして構成されている、請求項７記載の電圧または電流を送出するスイッチング装置。
【請求項９】
前記コイルは前記電圧送出回路または前記電流送出回路を操作するためのプルインコイルまたはホールドコイルである、請求項７記載の電圧または電流を送出するスイッチング装置。
【請求項１０】
入力電圧（Ｕ）の電圧源と前記電圧供給装置とのあいだにスイッチング素子（５）が設けられている、請求項７から９までのいずれか１項記載の電圧または電流を送出するスイッチング装置。
【請求項１１】
前記スイッチング素子はスイッチングトランジスタであり、特に自己阻止型ＦＥＴである、請求項１０記載の電圧または電流を送出するスイッチング装置。
【請求項１２】
電圧または電流を送出するスイッチング装置のための電圧供給方法であって、
電圧送出回路または電流送出回路が少なくとも１つのコイル（６）を有しており、第１の給電電圧（Ｕ１）の値を設定可能な比較値によって定め、少なくとも１つの第２の給電電圧（Ｕ２）を電圧制御装置（１３）によって形成し、前記コイルを電源として機能する電圧供給装置（１）のインピーダンスとして用い、前記スイッチング装置の給電電圧を形成する前記コイルを通る電流を、入力電圧（Ｕ）の範囲にわたって、パルス幅変調によって保持する
ことを特徴とするスイッチング装置のための電圧供給方法。
【請求項１３】
前記入力電圧を印加して前記コイルに接続されたスイッチング素子（５）を前記電圧供給装置の方向へ導通させ、該電圧供給装置内に、前記スイッチング装置へ供給される少なくとも２つの給電電圧（Ｕ１，Ｕ２）を形成する、請求項１２記載のスイッチング装置のための電圧供給方法。
【請求項１４】
あらかじめ定められた時間にわたって前記入力電圧をサンプリングし、サンプリングされた電圧に基づいてパルス幅変調のオン時間の実際値を定める、請求項１２または１３記載のスイッチング装置のための電圧供給方法。
【請求項１５】
制御ユニット（２）またはパルス幅変調装置（７）に供給される前記入力電圧のサンプリング値に基づいて、前記コイルを流れる電流が一定に保持されるように、前記パルス幅変調のオン時間の実際値を求める、請求項１４記載のスイッチング装置のための電圧供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧または電流を送出する少なくとも１つのコイルと、このコイルのプルイン電流またはホールド電流を保持するためにパルス幅変調を行い、測定抵抗なしに電流制御を行うパルス幅変調装置とを備えた電圧または電流を送出するスイッチング装置に対して、設定可能な比較値によって定められる所定の値の第１の給電電圧を供給する電源として機能する電圧供給装置に関する。本発明はまた、こうしたスイッチング装置のための電圧供給方法に関する。
【０００２】
欧州特許第１００９００３号明細書から、電磁石を備えた制御装置を含む装置が公知である。この装置は、電子スイッチに対して直列に接続された少なくとも１つのホールドコイルを含んでおり、このホールドコイルは給電電圧端子に接続され、ホールドコイルを流れる保持電流を測定する測定手段、電磁石を操作する制御手段および制御手段へ電流を供給する電流供給手段を有する。当該の電流供給手段はホールドコイルおよび電子スイッチに直列に接続されており、これらにホールド電流が供給される。測定手段は電流供給手段に対して並列に接続された測定回路と直列に接続された測定抵抗とを含んでおり、ここでの測定回路は付加的な電子スイッチを備えている。制御手段は抵抗の端子と付加的な電子スイッチの制御電極とに接続されている。ここで、付加的な電子スイッチは規則的な時間間隔で導通状態へ切り換えられる。電流供給手段は、コイルおよび電子スイッチに直列に接続されたツェナーダイオードと、コンデンサに直列にツェナーダイオードの端子に接続された別のダイオードとを含む。さらに、電流供給手段は、ツェナーダイオードに直列に接続されたダイオード、あるいは、コンデンサに並列に接続された電圧制御回路を含む。また、補助電圧供給制御回路がコンデンサに対して並列に接続されている。ここからの補助電圧はマイクロプロセッサへ出力される。非制御の第２の補助電圧はコンデンサの電圧である。コイルを通るホールド電流の発生の制御はマイクロプロセッサによって行われる。マイクロプロセッサは、周期的かつそれぞれ同時に、トランジスタへ２つの出力を送出する。この２つの出力はソース側とゲート側とで供給回路へ接続される。マイクロプロセッサは、必要な時間にわたって、抵抗での電圧測定に対する制御命令を２つのトランジスタへ送信する。ここでの抵抗は２つのトランジスタの一方のソース側に接続されている。他方のトランジスタはゲート側で電圧適合回路に接続されている。この電圧適合回路はマイクロプロセッサの信号出力側に位置する。
【０００３】
独国実案２９９０９９０１号からは、保護用のコンタクタ機構に対する電子駆動装置が公知であり、この装置は駆動コイルと電機子とを含む。コイル電流の監視なしに駆動制御を実現するには、駆動パルスのそのつどのパルス幅によって、整流器回路から供給される高いダイナミクスを有する給電電圧の静的範囲および動的範囲において、適切な大きさの平均的な操作電圧を利用できるようにする。これはプルイン過程およびホールド過程において行われる。高いダイナミクスはコイル電流の問い合わせを回避して給電電圧から導出されるパルス幅制御のみを行うことによって生じる。平均的な操作電圧は、給電電圧からはほぼ独立に、電機子が最適なスイッチオンダイナミクスと最小の電力によって確実に保持されるように選定される。マイクロプロセッサを介して入力電圧に対する許容可能な電圧領域の保持が監視され、当該の電圧領域が下方超過ないし上方超過されるとコンタクタ機構のスイッチオンが阻止され、当該の電圧領域に達するとコンタクタ機構が作動される。
【０００４】
本発明の課題は、電圧または電流を送出するスイッチング装置のための電圧供給装置および電圧供給方法を提供して、個別のスイッチング電源、特にリニアレギュレータを省略できるようにすることである。特に、欧州特許第１００９００３号明細書の従来技術に示されているよりも簡単な構造で実現できることが望ましい。
【０００５】
この課題は、請求項１に記載された電圧供給装置において、コイルのプルイン電流またはホールド電流を保持するためにパルス幅変調によって測定抵抗なしで電流制御を行うパルス幅変調装置が設けられており、コイルが、電源として機能する当該の電圧供給装置のインピーダンスとして用いられる構成により解決される。課題はまた、請求項７に記載されたスイッチング装置において、電源として機能する電圧供給装置と、この電圧供給装置のインピーダンスとして作用する、電圧送出回路または電流送出回路の少なくとも１つのコイルと、コイルのプルイン電流またはホールド電流を保持するためにパルス幅変調を行うパルス幅変調装置とが設けられている構成により解決される。課題はまた、請求項１２に記載された電圧供給方法において、コイルを電源として機能する電圧供給装置のインピーダンスとして用い、スイッチング装置の給電電圧を形成する、コイルを通る電流を入力電圧の範囲にわたってパルス幅変調により保持することにより解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。
【０００６】
これにより、特別な電源を必要とせず、制御ユニットへの電圧供給の保証される、電圧供給方法および電圧供給装置が提供される。給電電圧の印加後、少なくとも１つの電圧送出回路または電流送出回路の近傍において、プランジャが引き出され、新たな位置で保持される。電圧送出回路では、続いて、スイッチング装置、特にパワースイッチがスイッチオンされる。この場合、プランジャは引き出された位置で停止しない。これに対して、電流送出回路では、スイッチング装置であるパワースイッチが給電電圧の印加時に解放され、新たなスイッチオンが阻止される。駆動を制御する制御ユニットへの給電のために特別な電源を用意する必要はなく、電圧供給装置は電圧送出回路または電流送出回路の操作に用いられるコイルをインピーダンスとして利用する。プルインコイルまたはホールドコイルとして用いられる唯一のコイルを設ければよい。また、少なくとも２つのコイルを設け、そのうち一方をプルインコイル、他方をホールドコイルとしてもよい。ここで云う"コイル"とはこれら２つのケースを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の電圧供給装置、制御ユニット、パルス幅変調装置および電圧または電流を送出するコイルが組み合わされたスイッチング装置の概略図である。
【図２】コイルおよびパルス幅変調装置に接続される図１の電圧供給装置の詳細図である。
【０００８】
コイルを通る電流は制御ユニットへの電圧供給のために用いられる。電圧供給装置の内部ではこの電流によって電圧が形成される。この電圧は、設定された閾値が上方超過されたときに、制御ユニットまたはパルス幅変調装置への電圧供給に用いられる。制御ユニットはパルス幅変調装置を含むかまたはこれに前置接続または後置接続される。
【０００９】
周知のように、引き出し過程すなわちプルイン過程では電圧送出回路または電流送出回路のコイルを通って保持過程すなわちホールド過程よりも大きな電流が流れる。しかし、パルス幅変調装置を設けることにより、給電電圧の大きさから独立に、プルイン電流およびホールド電流を一定値に保持することができる。したがって、電圧供給装置には、給電電圧領域の全体にわたって一定の電流が供給される。
【００１０】
したがって、少なくとも１つのコイルを流れる電流の測定に対するシャント抵抗または測定抵抗は必要なく、従来技術に比べて回路コストは著しく低減される。パルス幅変調により、印加される給電電圧に応じて、電圧送出回路または電流送出回路のコイルを通るプルイン電流および／またはホールド電流は一定値に保持されるので、シャント抵抗を利用した電流測定を省略することができる。ホールドコイルまたはプルインコイルにかかる電圧も一定に保持され、ホールド電流またはプルイン電流は一定となる。したがって、欧州特許第１００９００３号明細書の発明とは異なり、本発明では電流を求める測定装置は必要ない。
【００１１】
欧州特許第１００９００３号明細書には、クロック制御されるトランジスタのオンオフが測定された電流に応じて行われることが記載されている。この場合も測定抵抗が必要となるので、プルイン電流またはホールド電流の制御に高い回路コストがかかる。
【００１２】
有利には、入力電圧の電圧源と電圧供給装置とのあいだに唯一のスイッチング素子が設けられる。このスイッチング素子はスイッチングトランジスタであり、特に、自己阻止形ＦＥＴ、例えばｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。有利には、当該のスイッチング素子は、ゲート側でパルス幅変調装置に接続され、ドレイン側で１つまたは複数のコイルに接続され、ソース側で電圧供給装置の他の部品、特に逆方向に流れる電流を阻止するダイオードに接続される。ここで、１つまたは複数のコイルは、電圧送出回路または電流送出回路を操作し、かつ、電源となる電圧供給装置のインピーダンスとして作用する。
【００１３】
有利には、電圧供給装置は阻止方向に駆動される少なくとも１つのツェナーダイオードを含む。阻止方向に駆動されるツェナーダイオードは給電電圧の最大値を形成するために設けられており、第１の給電電圧は整流器ダイオードを介して電圧供給装置のコンデンサで形成される。第１の給電電圧は制御ユニットおよび／またはパルス幅変調装置へ供給される。
【００１４】
電圧供給装置では、第１の蓄積コンデンサがツェナーダイオードに対して並列に接続されており、第１の給電電圧としての直流電圧を形成する整流器ダイオードとともに用いられる。第１の蓄積コンデンサのほか、少なくとも１つの第２の蓄積コンデンサを設けることができる。第２の蓄積コンデンサは有利には第２の給電電圧を形成する電圧制御装置に対して並列に接続されているかまたはこれに後置接続されている。これにより、少なくとも１つの第２の給電電圧が整流された直流電圧として形成され、その大きさは電圧制御装置によって調整される。第１の給電電圧は制御ユニットおよび／またはパルス幅変調装置へ供給される。第１の給電電圧の大きさと第２の給電電圧の大きさとは、有利には、スイッチング装置の制御ユニットまたはパルス幅変調装置で必要な給電電圧のレベルに応じて選定される。特に、電圧制御装置を介して、２つの給電電圧のうち一方を適用事例に応じて可変に調整し、要求に適合させることができる。
【００１５】
まず、入力電圧が電圧供給装置すなわち電圧供給装置を含むスイッチング装置の一部へ印加される。これにより、スイッチング素子、特にスイッチングトランジスタは、電圧供給装置の方向へ導通される。この電圧供給装置では、少なくとも２つの給電電圧がスイッチング装置への給電のために形成される。有利には、電圧供給装置で形成される給電電圧は設定可能な閾値と比較され、閾値が上方超過されると、パルス幅変調を制御する制御ユニットおよび／またはパルス幅変調装置が給電電圧によって活性化される。電圧供給装置内の電圧が給電電圧の第１の閾値に到達すると、給電電圧は制御ユニットまたはパルス幅変調装置へ供給され、これらの装置が動作を開始する。この場合、制御ユニットまたはパルス幅変調装置において、あらかじめ定められた時間にわたって入力電圧がサンプリングされ、そこからパルス幅変調のオン時間の実際値が定められる。したがって、制御ユニットまたはパルス幅変調装置に供給される給電電圧のサンプリング値に基づいて、パルス幅変調の実際のオン時間が定められ、コイル電圧が一定に保持され、コイルを流れる電流が一定に保持される。１つまたは複数のコイルを通って流れる電流は、入力電圧の領域の全体にわたって一定に保持される。一定の電流は電源として機能する電圧供給装置によって利用される。つまり、電圧供給装置には入力電圧の領域全体にわたって一定の電流が供給され、ここから、設定可能な大きさでありかつ一定の第２の給電電圧が形成される。
【００１６】
以下に、図示の実施例に則して、本発明を詳細に説明する。図１には本発明の電圧供給装置、制御ユニット、パルス幅変調装置、および、電圧または電流の送出を操作するコイルが組み合わされる様子が示されている。図２には、コイル、パルス幅変調装置および図１の電圧供給装置の詳細が示されている。
【００１７】
図１にはスイッチング装置の一部である回路装置の概略図が示されている。この回路装置は、電圧供給装置１，３つの電圧端子２０〜２２を備えた制御ユニット２，電圧測定装置３およびろ波整流装置４を含む。この回路装置の出力側では、制御ユニット２が自己阻止型ＦＥＴの形態のスイッチング素子５に接続されている。スイッチング素子５は図１，図２の実施例ではｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成されている。
【００１８】
ＦＥＴであるスイッチング素子５はドレイン側でコイル６に接続されている。コイル６および電圧測定装置３はろ波整流装置４に接続されている。ろ波整流装置４には入力電圧Ｕが印加される。電圧測定装置３およびコイル６はプルインコイルあるいはホールドコイルであるか、プルインコイルおよびホールドコイルのそれぞれまたはその一部として構成され、これらからろ波整流されたパルス状の交流入力電圧が供給される。電圧測定装置３は、制御ユニット２が第１の電圧端子２０を介してろ波整流された入力電圧を受け取る前にこれを測定する。第２の電圧端子２１および第３の電圧端子２２を介して制御ユニット２の給電電圧などの別の電圧が供給される。これは例えば１５Ｖ電圧および３．３Ｖ電圧である。
【００１９】
この実施例では、制御ユニット２内にパルス幅変調装置７が設けられている。また、制御ユニット２内に、入力電圧Ｕをサンプリングするサンプリング装置８も設けられている。サンプリングされたその時点での入力電圧の値を用いて、パルス幅変調の新たなオン時間が計算される。このために、制御ユニット２は例えばマイクロコントローラを有しており、このマイクロコントローラはパルス幅変調装置７を相応に駆動してパルス幅変調を行う。こうしたパルス幅変調については独国出願第１０２００７０３１９９５号明細書に記載されているので参照されたい。
【００２０】
入力電圧Ｕが投入されるとＦＥＴであるスイッチング素子５が導通し、電圧供給装置１内で電圧が形成される。このことは図２の詳細図からより良好に見て取れる。
【００２１】
図２には、コイル６，自己阻止型ＦＥＴ５およびパルス幅変調装置７が示されており、さらに、電圧供給装置１として、ツェナーダイオード１０，整流器ダイオード１１，第１の蓄積コンデンサ１２，電圧制御装置１３および第２の蓄積コンデンサ１４が示されている。電圧制御装置１３および第２の蓄積コンデンサ１４は相互に並列に接続されており、ツェナーダイオード１０，第１の蓄積コンデンサ１２，第２の蓄積コンデンサ１４および電圧制御装置１３はそれぞれアースに接続されている。電圧供給装置１はさらに、異なる２つの電圧Ｕ１，Ｕ２を送出するための２つの出力側１５，１６を有している。
【００２２】
ツェナーダイオード１０は阻止方向で動作し、給電電圧の最大値の形成に用いられる。整流器ダイオード１１および第１の蓄積コンデンサ１２を介して、設定可能なＺ値（ツェナー電圧値）から第１の給電電圧Ｕ１が求められ、所定の直流電圧へ整流されて、第１の出力側１５へ送出される。同様に、電圧制御装置１３および第２の蓄積コンデンサ１４を介して所定の直流電圧が第２の直流電圧Ｕ２として電圧供給装置１の第２の出力側１６へ送出される。
【００２３】
固定の時間間隔または設定可能な時間間隔で、サンプリング装置８によって入力電圧がサンプリングされ、瞬時のサンプリング電圧値を用いてパルス幅変調装置７の新たなオン時間が計算される。この場合、コイル６（プルインコイルおよび／またはホールドコイル）を通って流れる電流は、許容される入力電圧の領域全体にわたって、一定に保持される。同時に、電圧供給装置１には許容される入力電圧の領域全体にわたって一定の電流が供給される。これは、コイルを通る電流が、前述したように、電圧供給装置１の給電に用いられるからである。コイル６は電圧供給装置１に対するインピーダンスとして機能し、図示されていないスイッチング装置の電圧送出回路または電流送出回路の作動に用いられる。
【００２４】
前述した図示の実施例のほか、電圧供給装置は別様にも実現可能である。例えば、プルインコイルおよびホールドコイルの電流の維持のためのパルス幅変調が印加される給電電圧からは独立に行われ、これらの電流の流れるコイルが電圧供給装置のインピーダンスとして電圧および電流を送出するスイッチング装置の内部で利用される実施例も可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１  電圧供給装置、  ２  制御ユニット、  ３  電圧測定装置、  ４  ろ波整流装置、  ５  スイッチング素子、  ６  コイル、  ７  パルス幅変調装置、  ８  サンプリング装置、  １０  ツェナーダイオード、  １１  整流器ダイオード、  １２  第１の蓄積コンデンサ、  １３  電圧制御装置、  １４  第２の蓄積コンデンサ、  １５  第１の出力側、  １６  第２の出力側、  ２０  第１の電圧端子、  ２１  第２の電圧端子、  ２２  第３の電圧端子、  Ｕ  入力電圧、  Ｕ１  第１の給電電圧、  Ｕ２  第２の給電電圧
【図１】
2010541523.tif 000003
【図２】
2010541523.tif 000004
【国際調査報告】
2010541523.tif 000005
2010541523.tif 000006
2010541523.tif 000007
2010541523.tif 000008