DE102004032538A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung von mehreren induktiven Lasten - Google Patents

Vorrichtung zur Ansteuerung von mehreren induktiven Lasten Download PDF

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Andreas-Martin Windmüller
Beate Leibbrand
Bernd Tepass
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/20Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung von mehreren induktiven Lasten (1) vorgeschlagen, wobei in Reihe zu den Induktivitäten (1) jeweils ein Schalter (2) angeordnet ist. Zwischen den Schaltern (2) und den Induktivitäten (1) ist jeweils ein Abgriff für ein Klammerelement (6) vorgesehen. In dem Klammerelement (6) wird eine in den Induktivitäten (1) gespeicherte Energie abgebaut, wenn ein Stromfluss durch die Schalter (2) unterbrochen wird. Die Schalter (2) sind als integrierte Schalter auf einem Bauelement (8) ausgebildet. Das Klammerelement (6) ist separat vom ersten Bauelement als zweites Bauelement (7) realisiert.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Ansteuerung von mehreren induktiven Lasten, wobei in Reihe zu den Induktivitäten jeweils ein Schalter angeordnet ist. Aus der DE 29 05 900 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer einzelnen induktiven Last bekannt, wobei in Reihe zu der Induktivität ein Schalter angeordnet ist. Zwischen dem Schalter und der Induktivität ist ein Abgriff für ein Klammerelement vorgesehen, durch das die in der Induktivität gespeicherte Energie abgebaut wird, wenn der Stromfluss durch den Schalter unterbrochen wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass bei mehreren induktiven Lasten eine vorteilhafte Anordnung der mehreren Schalter und des Klammerelements realisiert ist. Es wird nicht einfach eine Vervielfachung der bereits bekannten Vorrichtung vorgeschlagen sondern eine Anordnung der Schalter und des Klammerelements die sich technologisch besonders einfach realisieren lässt. Durch die Integration der mehreren Schalter in einem einzigen Bauelement können diese Schalter besonders einfach und kostengünstig und hinsichtlich ihres Durchlasswiderstandes optimiert ausgeführt werden. Dabei müssen keine weiteren Überlegungen hinsichtlich der Auslegung des Klammerelementes mit in Betracht gezogen werden. Das Klammerelement wiederum kann unabhängig von den integrierten Schaltern an die jeweils in den Induktivitäten gespeicherte und somit abzubauende Energie angepasst werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche. Um eine ausreichende Entkopplung zwischen den verschiedenen Induktivitäten und Schaltern zu gewährleisten ist zwischen den Abgriffen und dem Klammerelement jeweils eine Entkopplungsdiode angeordnet. Besonders einfach können diese Dioden gemeinsam mit den Halbleiterschaltern auf einem Halbleitersubstrat integriert sein. Das Klammerelement wird besonders einfach als Zehnerdiode, Varistor oder Transistor, dessen Steuerelement über eine Zehnerdiode mit dem Abgriff verbunden ist, ausgebildet.
  • Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine Schaltung mit mehreren Induktivitäten, Schaltern und einem Klammerelement und 2 und 3 verschiedene Ausführungsformen des Klammerelements.
  • Beschreibung
  • In der 1 wird schematisch eine Schaltung dargestellt, bei der mehrere Induktivitäten 1 jeweils mit einem Ende elektrisch mit einer positiven Spannungsversorgung, beispielsweise eine Batterie 4 verbunden sind. Das jeweils andere Ende der Induktivitäten 1 ist über einen Schalter 2 mit einem Masseanschluss 3 verbunden. Durch Öffnen und Schließen der Schalter 2 kann so ein Stromfluss durch die Induktivitäten 1 erzeugt werden. Wenn ein Strom durch die Induktivitäten 1 fließt, so wird ein Magnetfeld erzeugt durch das die Induktivitäten 1 eine Kraftwirkung auf ein magnetisches Material erzeugen können. Derartige Induktivitäten werden beispielsweise bei Einspritzventilen genutzt um bei einem Kraftfahrzeug in Abhängigkeit von Ansteuersignalen an den Schaltern 2 Ventile zu betätigen und Kraftstoff in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors einzuspritzen. Weitere Anwendungen betreffen beispielsweise Abgasrückführsteller, Druckregelventile oder elektropneumatische Wandler.
  • Durch Schließen der Schalter 2 wird dabei ein Stromfluss durch die Induktivitäten 1 und so eine Betätigung der Einspritzventile, insbesondere ein Öffnen der Einspritzventile bewirkt. Wenn dann die Einspritzventile wieder geschlossen werden sollen, so werden die Schalter 2 in einen sperrenden, d. h. nicht leitenden Zustand gebracht und es wird so der Stromfluss durch die Induktivitäten 1 unterbrochen. Problematisch ist dabei jedoch das in dem magnetischen Feld der Induktivitäten 1 Energie gespeichert ist, die abgebaut werden muss damit die Kraftwirkung der Induktivitäten 1 entsprechend verringert wird. Durch das Öffnen des Schalters 2 entsteht in der Induktivität 1 durch Selbstinduktion eine sehr hohe Spannung, die zu einem Durchbruch des Schalters 2 und damit zu einer Zerstörung des Schalters 2 führen kann. Durch das Klammerelement wird die zwischen der Induktivität und Masse über die Schalter 2 anliegende Spannung auf einen für den Schalter 2 erträglichen Wert gehalten oder „geklammert". Dazu sind zwischen den Induktivitäten 1 und den Schaltern 2 jeweils ein Abgriff 9 vorgesehen, durch den ein Stromfluss nach Masse 3 möglich ist. Dabei wird die in den Induktivitäten 1 gespeicherte Energie im Klammerelement 6 in Wärme umgesetzt. In der 1 ist dieses Klammerelement 6 als Zenerdiode ausgebildet. Wenn die Schalter 2 leitend sind, so ist Spannung an den Abgriffen 9 nahezu auf Massepotential, so dass auch die Zenerdiode 6 gesperrt ist. Wenn die Schalter 2 geschlossen werden, so wird durch die Selbstinduktion der Induktivitäten 1 die Spannung an den Abgriffen 9 auf ein sehr hohes Potential angehoben, so dass dann die Zenerdiode 6 leitend wird und aufgrund des Stromflusses nach Masse 3 die in den Induktivitäten 1 gespeicherte Energie abgebaut wird. Dies geht solange bis das Potential an den Abgriffen 9 wieder einen Wert erreicht hat, bei dem das Klammerelement 6 sperrt. Das Sperrverhalten des Klammerelements 6 muss dabei so ausgelegt sein, dass im Ruhezustand das Klammerelement 6 gesperrt ist. Die Zenerspannung ist dabei so gewählt, dass sie höher ist als die Batteriespannung. Es wird so die in den Induktivitäten 1 gespeicherte Energie nach dem Öffnen der Schalter 2 in dem Klammerelement 6 abgebaut.
  • Zwischen den Abgriffen 9 und dem Klammerelement 6 sind noch Dioden 5 angeordnet. Diese Dioden sind notwendig, da die einzelnen Induktivitäten nicht alle zeitgleich sondern jeweils für sich angesteuert werden. Ohne diese Dioden würde durch die Verbindung der Abgriffe 9 beim Schalten nur eines der Schalter 2 ein Stromfluss in allen Induktivitäten 1 bewirkt. Die Dioden dienen somit dazu, die einzelnen Schaltungsteile jeweils bestehend aus einer Induktivität 1 und einem der zugehörigen Schalter 2 voneinander zu entkoppeln, so dass kein Stromfluss zwischen diesen einzelnen Schaltungsteilen erfolgt.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgeschlagen, dass die Schalter 2 gemeinsam als integrierte Halbleiterschalter in einem ersten Bauelement 8 ausgebildet sind. Das Klammerelement 6 ist separat vom ersten Bauelement 8 als zweites Bauelement 7 realisiert. Durch diese Vorgehensweise wird eine besonders einfache Ausgestaltung der Schalter 2 bewirkt. Durch Integration auf einem Bauelement 8 lassen sich die integrierten Schalter 2 besonders kostengünstig und mit hoher Präzision fertigen. Insbesondere können dabei die Halbleiterschalter 2 besonders klein und mit besonders geringen Restwiderständen im leitenden Zustand ausgebildet werden. Derartige Halbleiterschalter können für eine Vielzahl von Induktivitäten 1 verwendet werden, ohne das dabei die in den Induktivitäten 1 gespeicherte Energie berücksichtigt werden muss. Diese muss nämlich nur bei der Auslegung der Klammerelemente 6 Berücksichtigung finden. Da der Energieabbau nicht in den Schaltern 2 erfolgt, kann das Bauelement 8 auch bei einer Vielzahl von unterschiedlichen großen Induktivitäten Verwendung finden ohne das es an die Größe der gespeicherten Energie angepasst werden muss. Dies kann durch Wahl eines entsprechenden Klammerelements 6 erfolgen.
  • In der 1 sind Dioden 5 die zur Entkopplung der einzelnen Induktivitäten gegeneinander dienen als separate Bauelemente gezeigt, die weder in dem Bauelement 8 noch in dem Bauelement 7 integriert sind. Besonders vorteilhaft können diese Dioden 5 jedoch gleich mit in den Bauelement 8 integriert sein, was die Herstellungskosten gering hält. Eine weitere Möglichkeit wäre das diese Dioden 5 mit in dem Bauelement 7 integriert sind. Im Fall der Integration im Bauelement 8 wäre es jedoch nur notwendig eine einzelne elektrische Verbindung zwischen dem Bauelement 8 und dem Bauelement 7 zu realisieren.
  • In der 2 wird eine alternative Ausgestaltung des Bauelements 7 mit einem anderen Klammerelement 6 gezeigt. Bei dem Klammerelement 6 der 2 handelt es sich um einen Varistor, d. h. um einen spannungsabhängigen Widerstand. Auch ein derartiges Bauteil zeigt das Verhalten, dass bei einer sehr hohen Spannung am Abgriff 9 ein hoher Stromfluss in Richtung des Masseanschlusses 3 möglich ist. Bei niedrigen Spannungen am Abgriff 9 zeigt ein Varistor jedoch wieder einen sehr hohen Widerstand.
  • In der 3 wird ein weiteres Bauelement 7 gezeigt, bei dem ein Klammerelement 6 angeordnet ist. Das Klammerelement 6 der 3 weist einen Transistor 10 und eine Zehnerdiode 11 auf, wobei der Eingang des Bauelements 7 der ja mit den Abgriffen 9 verbunden wird über den Transistor 10 mit dem Masseanschluss 3 verbindbar ist. Dazu ist der Steueranschluss des Schalters 10 über eine Zehnerdiode 11 mit dem Eingang des Bauelements 7 bzw. über Dioden 5 mit den Abgriffen 9 verbunden. Bei einer entspre chend hohen Spannung an den Abgriffen 9 wird über die Zehnerdiode 11 der Steueranschluss des Schalters 10 so geschaltet, dass der Schalter 10 leitend wird und dann durch einen Stromfluss nach Masse hin die Energie der Induktivitäten 1 in den Schalter 10 abgebaut wird. Der Schalter 10 kann ähnlich wie die Schalter 2 als beliebiges integriertes Schaltelement ausgeführt sein. Üblich für derartige Schaltungen sind beispielsweise Feldeffekttransistoren oder bipolare Transistoren. Der Vorteil der Ausführung nach der 3 ist, dass der Stromfluss überwiegend über den Schalter 10 erfolgt und nur ein geringer Strom über die Zehnerdiode 11 fließt. Die Zehnerdiode 11 muss daher nicht in der Lage sein eine große Energie abzubauen. Diese Funktion wird hier von Schalter 10 der insbesondere als Transistor ausgebildet ist übernommen.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Ansteuerung mehrerer induktiven Lasten 1, wobei in Reihe zu den Induktivitäten 1 jeweils ein Schalter 2 angeordnet ist, wobei zwischen den Schaltern 2 und den Induktivitäten 1 jeweils ein Abgriff 9 für ein Klammerelement 6 vorgesehen ist, wobei durch das Klammerelement 6 eine in den Induktivitäten 1 gespeicherte Energie abgebaut wird, wenn ein Stromfluss durch die Schalter 2 unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter 2 als integrierte Schalter 2 auf einem ersten Bauelement 8 ausgebildet sind und dass das Klammerelement 6 separat vom ersten Bauelement 8 als zweites Bauelement 7 realisiert ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Abgriffen 9 und dem Klammerelement 6 jeweils eine Diode 5 angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden 5 mit auf dem ersten Bauelement 8 integriert sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klammerelement 6 als Zehnerdiode ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Klammerelement 6 als Varistor ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Klammerelement 6 als Schalter 10 ausgebildet ist, dessen Steueranschluss über eine Zehnerdiode 11 mit dem Abgriff 9 verbunden ist.
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