DE10149738A1

DE10149738A1 - Elektronisches Gerät

Info

Publication number: DE10149738A1
Application number: DE10149738A
Authority: DE
Inventors: Joachim Schenk; Volker Breunig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2003-04-30
Also published as: FR2830696A1; US20030085695A1; US6992875B2

Abstract

Es wird ein elektronisches Gerät (1), insbesondere ein Steuergerät, vorgeschlagen, das ein elektromagnetisches Stellglied (5) umfaßt, dessen Spule (10) gleichzeitig Teil eines Spannungswandlers ist. Die Spule (10) wird über einen Schalter (60) an ein Betriebsspannungspotenzial (25) oder an ein Bezugspotenzial (30) geschaltet. Ein Kondensator (35) ist ebenfalls vorgesehen. Die Spule (10), der Kondensator (35) und der Schalter (60) bilden einen Spannungswandler.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem elektronischen Gerät nach der Gattung des Hauptanspruchs aus.

Es sind bereits elektronische Geräte, beispielsweise in Form von Steuergeräten eines Kraftfahrzeugs bekannt, die ein Relais umfassen, wobei das Relais eine Spule umfaßt, die über einen gesteuerten Schalter, beispielsweise einen Transistor, an eine Spannungsquelle und somit zwischen ein Betriebsspannungspotential und ein Bezugspotential schaltbar ist. In Kraftfahrzeugen und bei anderen Applikationen des elektronischen Gerätes können Spannungsschwankungen in der Spannungsversorgung der Spannungsquelle auftreten, die den Betrieb des elektronischen Gerätes einschränken oder unterbrechen können. Zur Aufrechterhaltung eines einwandfreien Betriebes des elektronischen Gerätes werden beispielsweise Blockkondensatoren verwendet, denen zusätzlich Hochsetzsteller vorgeschaltet sein können. Weiterhin ist aus U. Tietze, Ch. Schenk, "Halbleiterschaltungstechnik", neunte Auflage, Springer- Verlag, Berlin, Seite 561 ff. ein Gleichspannungswandler bekannt, bei dem eine gewünschte Ausgangsgleichspannung mit Hilfe eines Tiefpaßfilters eingestellt wird, das einen zeitlichen Mittelwert bildet. Die Größe der Ausgangsspannung läßt sich durch das Tastverhältnis eines Leistungsschalters des Spannungswandlers bestimmen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektronische Gerät mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Kondensator vorgesehen ist und das die Spule, der Kondensator und der Schalter einen Spannungswandler bilden. Auf diese Weise kann die sowieso im elektronischen Gerät vorhandene Spule des elektromagnetischen Stellgliedes zusätzlich zur Spannungswandlung genutzt werden. Dasselbe gilt für den Schalter der im elektronischen Gerät sowieso schon für die Aktivierung des elektromagnetischen Stellgliedes vorgesehen ist und der nun zusätzlich für das Takten des Spannungswandlers verwendet werden kann. Auch dadurch werden die Kosten für den zu realisierenden Spannungswandler reduziert. Vorhandene Spannungswandler können dann in ihrer Leistung reduziert oder sogar eingespart werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen elektronischen Gerätes möglich.

Eine besonders einfache Realisierungsform ergibt sich, wenn der Schalter einen einfachen Ausschalter umfaßt, der die Spule mit dem Betriebsspannungspotential oder mit dem Bezugspotential verbindet, und wenn der Schalter weiterhin eine Diode umfaßt, über die bei geöffnetem Ausschalter der Kondensator über die Spule aufladbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schaltvorgang mittels des Ausschalters getaktet unter Einstellung eines vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnisses erfolgt. Auf diese Weise läßt sich die Spannungswandlung auf einen gewünschten Schaltzustand des elektromagnetischen Stellgliedes abstimmen.

So kann das Puls-Pausen-Verhältnis so gewählt werden, daß es einen vorgegebenen Maximalwert unterschreitet, wobei der vorgegebene Maximalwert so gewählt ist, daß die Stromstärke in der Spule kleiner als der Anzugsstrom des elektromagnetischen Stellgliedes ist, bei dem das elektromagnetische Stellglied aktiviert wird. Auf diese Weise kann die Spannungswandlung bei nicht aktiviertem elektromagnetischem Stellglied realisiert werden.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Puls-Pausen- Verhältnis einen vorgegebenen Minimalwert einnimmt oder überschreitet, wobei der vorgegebene Minimalwert so gewählt ist, daß der gemittelte Strom in der Spule größer oder gleich dem Haltestrom des elektromagnetischen Stellgliedes ist, der mindestens erforderlich ist, um den Schaltzustand des elektromagnetischen Stellgliedes nach dessen Aktivierung zu halten. Auf diese Weise läßt sich eine Spannungswandlung bei eingeschaltetem bzw. aktiviertem elektromagnetischen Stellglied realisieren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die vom Spannungswandler erzeugte Spannung einen Prozessor des elektronischen Gerätes versorgt. Auf diese Weise kann verhindert werden, daß der Prozessor des elektronischen Gerätes durch Spannungsschwankungen in der Spannungsversorgung, insbesondere in der Spannungsquelle, beeinträchtigt wird. Somit wird eine konstante Spannungsversorgung des Prozessors des elektronischen Gerätes unabhängig von Spannungsschwankungen in der Spannungsversorgung gewährleistet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes und Fig. 4 eine Darstellung eines Puls-Pausen- Verhältnisses für die Ansteuerung eines gesteuerten Schalters des erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 kennzeichnet 65 eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise eine Batterie eines Kraftfahrzeugs. Ausgehend von einem Bezugspotenzial 30 erzeugt die Spannungsquelle 65 ein Betriebsspannungspotenzial 25. In Fig. 1 kennzeichnet weiterhin 1 ein elektronisches Gerät, beispielsweise ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs. Das elektronische Gerät 1 umfaßt ein elektromagnetisches Stellglied 5, das im Folgenden beispielhaft als Relais ausgebildet ist und von dem übersichtlichkeitshalber lediglich eine Spule 10 zum Schalten des Relais 5 dargestellt ist. Ein erster Anschluß 70 der Spule 10 ist mit dem Betriebsspannungspotenzial 25 verbunden. Ein zweiter Anschluß 75 der Spule 10 ist über eine Schaltstrecke eines gesteuerten Schalters 15 mit dem Bezugspotenzial 30 verbindbar. Der gesteuerte Schalter 15 stellt einen Masseschalter dar, da er den zweiten Anschluß 75 der Spule 10 mit dem Bezugspotenzial 30 verbinden oder diese Verbindung unterbrechen kann. Der gesteuerte Schalter 15 wird von einem Prozessor 55 mit Ein- und Ausgangsschaltung, beispielsweise einem Mikroprozessor, angesteuert. Der zweite Anschluß 75 der Spule 10 ist mit einer Anode einer Diode 20 verbunden, deren Kathode 115 über einen Kondensator 35 mit dem Bezugspotenzial 30 verbunden ist. Die Spannung über dem Kondensator 35 kann als zusätzliche konstante Versorgungsgleichspannung U_V dem Prozessor 55 beim Ausfall seiner in Fig. 1 nicht dargestellten Hauptversorgungsspannung zur Verfügung gestellt werden. Der gesteuerte Schalter 15 und die Diode 20 bilden einen als, Wechselschalter fungierenden Schalter 60, der im leitenden Zustand des gesteuerten Schalter 15 den zweiten Anschluß 75 auf das Bezugspotenzial 30 zieht. In diesem Fall erfolgt keine Aufladung des Kondensators 35 über die Diode 20. Wenn der gesteuerte Schalter 15 sperrt, dann wird der Kondensator 35 durch die in der Spule 10 gespeicherte Energie und die Diode 20 aufgeladen. Deshalb ist der Schalter 60 ein Wechselschalter. Der gesteuerte Schalter 15 kann dabei als Transistor, beispielsweise als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor, wie in Fig. 1 am Beispiel eines MOS-Feldeffekttransistors dargestellt ist.
Wie beschrieben wird der zweite Anschluß 75 der Spule 10 auf das Bezugspotenzial 30 gezogen, wenn die Schaltstrecke des gesteuerten Schalters 15 in den leitenden Zustand versetzt wird. Die Induktivität der Spule 10 ist bestrebt, den Strom, der bei leitendem gesteuertem Schalter 15 durch die Spule 10 fließt auch nach dem Abschalten des gesteuerten Schalters 15, d. h. nach dem Sperren der Schaltstrecke des gesteuerten Schalters 15 aufrecht zu erhalten, so daß der Energiegehalt der Spule 10 nach dem Sperren der Schaltstrecke des gesteuerten Schalters 15 über die Diode 20 in den Kondensator 35 fließt und diesen auflädt. Die Induktivität der Spule 10 stellt in diesem Augenblick selbst eine Spannungsquelle dar, so daß eine Reihenschaltung der Spannungsquelle 65 und der Spule 10 zu einer im Vergleich zur Spannung der Spannungsquelle 65 erhöhten Spannung am Kondensator 35 führt.
Somit wird durch die Spule 10, den Schalter 60 und den Kondensator 35 ein Spannungswandler gebildet. Bei diesem Spannungswandler handelt es sich um einen sogenannten Aufwärts-Wandler wie er in der eingangs beschriebenen Literatur von U. Tietze, Ch. Schenk auf Seite 563 ff. beschrieben und somit dem Fachmann in seiner Funktionsweise bekannt ist.
Zur Erzeugung einer konstanten Gleichspannungsversorgung U_V für den Prozessor 55 ist es dabei erforderlich, gemäß Fig. 4 den gesteuerten Schalter 15 getaktet anzusteuern. Die Fig. 4 zeigt die Amplitude A über der Zeit t des vom Prozessor 55 gelieferten Ansteuersignals für den gesteuerten Schalter 15. Dabei wechseln Steuerpulse 80 und Pulspausen 85 periodisch einander ab, wobei die Periodendauer T beträgt. Das Verhältnis zwischen Pulsdauer 90 und Pulspausendauer 95 ergibt ein Puls-Pausen-Verhältnis 40. Wird für die Pulsdauer 90 ein vorgegebener Maximalwert 45 erreicht, so wird eine gemittelte Stromstärke in der Spule 10 erreicht, die zur Aktivierung des Relais 5 ausreicht und als Anzugsstrom bezeichnet wird. Bleibt die Pulsdauer 90 unterhalb dieses vorgegebenen Maximalwertes 45, so wird das Relais 5 nicht aktiviert, so daß die zuvor beschriebene Spannungswandlung bei nicht aktiviertem bzw. ausgeschaltetem Relais 5 stattfindet. Wird der vorgegebene Maximalwert 45 von der Pulsdauer 90 erreicht bzw. überschritten, so findet die Spannungswandlung bei aktiviertem Relais 5 statt. Andererseits kann bei aktiviertem Relais 5 die Pulsdauer 90 wieder auf einen vorgegebenen Minimalwert 50, der kleiner als der vorgegebene Maximalwert 45 ist, reduziert werden, ohne daß das Relais 5 ausschaltet, d. h. die Aktivierung des Relais 5 bleibt bestehen. Erst bei Unterschreiten des vorgegebenen Minimalwertes 50 durch die Pulsdauer 90 geht die Aktivierung des Relais 5 verloren und das Relais 5 schaltet aus. Das Relais 5 weist somit ein durch eine Hysterese gekennzeichnetes Verhalten auf. Der sich bei dem vorgegebenen Minimalwert 50 für die Pulsdauer 90 ergebende gemittelte Strom durch die Spule 10 wird als Haltestrom oder Mindesthaltestrom bezeichnet und ist der Strom, der mindestens erforderlich ist, um den Schaltzustand des Relais 5 nach dessen Aktivierung zu halten. Voraussetzung ist in den vorgenannten Fällen, daß die Periodendauer T konstant bleibt. Entscheidend ist nämlich nicht die Pulsdauer 90 an sich, sondern wie bereits beschrieben ihr Verhältnis zur Pulspausendauer 95. Somit führt der vorgegebene Maximalwert 45 für die Pulsdauer 90 bei gleichbleibender Periodendauer T zu einem vorgegebenen Maximalwert für das Puls-Pausen- Verhältnis 40. Der vorgegebene Minimalwert 50 für die Pulsdauer 90 führt bei gleichbleibender Periodendauer T zu einem vorgegebenen Minimalwert für das Puls-Pausen- Verhältnis 40.
Somit gilt generell, daß eine Aktivierung des Relais 5 unterbleibt, wenn das Puls-Pausen-Verhältnis 40 den vorgegebenen Maximalwert für dieses Verhältnis unterschreitet. Der gemittelte Strom in der Spule 10 bleibt dann kleiner als der Anzugsstrom des Relais 5, bei dem das Relais 5 aktiviert wird. Andererseits kann das Puls-Pausen- Verhältnis 40 so gewählt werden, daß es den vorgegebenen Minimalwert für dieses Verhältnis einnimmt oder überschreitet, wobei dann die Stromstärke in der Spule 10 größer oder gleich dem Haltestrom des Relais 5 ist, der mindestens erforderlich ist, um den Schaltzustand des Relais 5 nach dessen Aktivierung zu halten. Das Puls-Pausen- Verhältnis 40 kann natürlich auf beliebige andere Weise auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden, der unterhalb des vorgegebenen Maximalwertes liegt oder der größer oder gleich dem vorgegebenen Minimalwert für das Puls-Pausen- Verhältnis 40 ist. Beispielsweise kann die Pulsdauer 90 konstant bleiben und das Puls-Pausen-Verhältnis 40 durch Variation der Periodendauer T verändert werden, also durch Veränderung der Taktrate. Entsprechend kann die Pulspausendauer 95 konstant belassen und die Pulsdauer 90 variiert werden, wobei sich dann ebenfalls die Periodendauer T ändert. Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnisses 40 kann darin bestehen, sowohl die Pulsdauer 90 als auch die Pulspausendauer 95 unter Inkaufnahme der Veränderung der Periodendauer T zu variieren.
Die Größe der Versorgungsgleichspannung U_V für den Prozessor 55 läßt sich durch das Tastverhältnis bestimmen, mit dem der gesteuerte Schalter 15 periodisch geschlossen wird, d. h. durch das vorgegebene bzw. gewünschte Puls-Pausen-Verhältnis 40. Das durch die Spule 10 und den Kondensator 35 gebildete Tiefpaßfilter sorgt für eine zeitliche Mittelwertbildung und damit für die gewünschte konstante Versorgungsgleichspannung U_V an der Kathode 115 als Spannungsversorgung für den Prozessor 55. Somit versorgt die vom Spannungswandler erzeugte Versorgungsgleichspannung U_V den Prozessor 55 des elektronischen Gerätes 1.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektronischen Gerätes 1 dargestellt, bei der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen wie in Fig. 1. Dabei ist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der erste Anschluß 70 der Spule 10 über die Schaltstrecke des gesteuerten Schalters 15 mit dem Betriebsspannungspotenzial 25 verbindbar. Der zweite Anschluß 75 der Spule 10 ist mit dem Bezugspotenzial 30 verbunden. Der erste Anschluß 70 der Spule 10 ist außerdem mit der Kathode der Diode 20 verbunden, deren Anode über den Kondensator 35 mit dem Bezugspotenzial 30 verbunden ist. Der Prozessor 55 steuert wie auch beim ersten Ausführungsbeispiel den gesteuerten Schalter 15 an. Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel bilden der gesteuerte Schalter 15 und die Diode 20 den Wechselschalter 60, der zusammen mit der Spule 10 und dem Kondensator 35 als invertierender Spannungswandler fungiert, wie er beispielsweise in seiner Funktion in der zuvor genannten Literatur U. Tietze, Ch. Schenk auf Seite 570 ff. beschrieben ist. Dabei hat die am Kondensator 35 gebildete Spannung U_A ein umgekehrtes Vorzeichen wie die Spannung der Spannungsquelle 65. Die Spannung U_A am Kondensator 35 kann wiederum vom elektronischen Gerät 1 aber auch außerhalb des elektronischen Gerätes 1 verwendet werden. Dies gilt natürlich auch prinzipiell für die erste Ausführungsform nach Fig. 1, bei der lediglich als Beispiel die Spannungsversorgung des Prozessors 55 aufgeführt wurde. Wie auch beim ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung des gesteuerten Schalters 15 beim zweiten Ausführungsbeispiel getaktet mit einem entsprechend vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis 40 gemäß Fig. 4, so daß sich aufgrund der Tiefpaßwirkung der Spule 10 und des Kondensators 35 eine konstante Gleichspannung U_A beim Kondensator 35 ergibt.
In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen. Gemäß Fig. 3 ist wie auch beim zweiten Ausführungsbeispiel der erste Anschluß 70 der Spule 10 über die Schaltstrecke des gesteuerten Schalters 15 mit dem Betriebsspannungspotenzial 25 verbindbar. Der gesteuerte Schalter 15 wird vom Prozessor 55 angesteuert. Um Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der zweite Anschluß 75 der Spule 10 über den Kondensator 35 mit dem Bezugspotenzial 30 verbunden. Ein weiterer Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, daß der erste Anschluß 70 der Spule 10 mit der Kathode der Diode 20 verbunden ist, deren Anode mit dem Bezugspotenzial 30 verbunden ist. Der gesteuerte Schalter 15 und die Diode 20 bilden wiederum einen Wechselschalter 60. Der Wechselschalter 60, die Spule 10 und der Kondensator 35 bilden in diesem Fall einen sogenannten Abwärts-Spannungswandler dessen Prinzip in der genannten Literatur U. Tietze, Ch. Schenk von Seite 563 ff. an beschrieben ist. Auch hier wird der gesteuerte Schalter 15 getaktet mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis 40 angesteuert, so daß die am Kondensator 35 anliegende Spannung U_A wieder eine konstante Gleichspannung ist und in diesem Fall das gleiche Vorzeichen aufweist wie die Spannung der Spannungsquelle 65. Die Spannung U_A am Kondensator 35 kann aber je nach Taktverhältnis jeden Wert zwischen 0 und der Spannung der Spannungsquelle 65 annehmen. Die Spannung U_A am Kondensator 35 kann dabei wiederum innerhalb des elektronischen Gerätes 1, beispielsweise als Versorgungsspannung für den Prozessor 55 oder außerhalb des elektronischen Gerätes 1 verwendet werden.
Durch den Spannungswandler des elektronischen Gerätes 1 kann verhindert werden, daß Spannungsschwankungen in der Spannung der Spannungsquelle 65 den Betrieb einer vom Spannungswandler versorgten Komponente, beim ersten Ausführungsbeispiel den Betrieb des Prozessors 55, einschränken oder unterbrechen, da diese Spannungsschwankungen durch den getakteten Betrieb des gesteuerten Schalters 15 und die Tiefpaßfilterung der Spule 10 und des Kondensators 35 kompensiert werden können, sofern diese Spannungsschwankungen sowohl zeitlich als auch in ihrer Amplitude innerhalb bestimmter Grenzen auftreten.

Claims

1. Elektronisches Gerät (1), insbesondere Steuergerät, mit einem elektromagnetischen Stellglied (5), insbesondere einem Relais, wobei das elektromagnetische Stellglied (5) eine Spule (10) umfaßt, die über einen Schalter (60) an ein Betriebsspannungspotenzial (25) oder an ein Bezugspotenzial (30) schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (35) vorgesehen ist und dass die Spule (10), der Kondensator (35) und der Schalter (60) einen Spannungswandler bilden.

2. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als Abwärts- Wandler ausgebildet ist.

3. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als Aufwärts- Wandler ausgebildet ist.

4. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler als invertierender Wandler ausgebildet ist.

5. Elektronisches Gerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (60) einen einfachen Ausschalter (15) umfaßt, der die Spule (10) mit dem Betriebsspannungspotenzial (25) oder mit dem Bezugspotenzial (30) verbindet, und dass der Schalter (60) weiterhin eine Diode (20) umfaßt, über die bei geöffnetem Ausschalter (15) der Kondensator (35) über die Spule (10) aufladbar ist.

6. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschalter (15) als gesteuerter Schalter, vorzugsweise als Transistor, ausgebildet ist.

7. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausschalter (15) die Spule (10) an das Betriebsspannungspotenzial (25) oder an das Bezugspotenzial (30) schaltet.

8. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltvorgang getaktet unter Einstellung eines vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnisses (40) erfolgt.

9. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Puls-Pausen-Verhältnis (40) einen vorgegebenen Maximalwert (45) unterschreitet, wobei der vorgegebene Maximalwert (45) so gewählt ist, dass die Stromstärke in der Spule (10) kleiner als der Anzugsstrom des elektromagnetischen Stellgliedes (5) ist, bei dem das elektromagnetische Stellglied (5) aktiviert wird.

10. Elektronisches Gerät (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Puls-Pausen-Verhältnis (40) einen vorgegebenen Minimalwert (50) einnimmt oder überschreitet, wobei der vorgegebene Minimalwert (50) so gewählt ist, dass der gemittelte Strom in der Spule (10) größer oder gleich dem Haltestrom des elektromagnetischen Stellgliedes (5) ist, der mindestens erforderlich ist, um den Schaltzustand des elektromagnetischen Stellgliedes (5) nach dessen Aktivierung zu halten.

11. Elektronisches Gerät (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spannungswandler erzeugte Spannung (U_V) einen Prozessor (55) des elektronischen Gerätes (1) versorgt.