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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Motorspannung
eines Motors, insbesondere eines Gebläsemotors, durch Serienschaltung
der Schaltungsanordnung mit dem Motor.
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Die
aus der
DE 4217037
C1 bekannte erste Ansteuerschaltung weist mehrere in Serie
geschaltete Widerstände
auf, die in Serie mit dem anzusteuernden Motor geschaltet sind.
Diese Widerstände können mit
einem mechanischen Schalter in mehreren Stufen überbrückt werden und ermöglichen
so eine Steuerung der über
dem Motor abfallenden Spannung.
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Die
aus der
DE 3429427
C2 bekannte zweite Ansteuerschaltung besteht aus mehreren
Widerständen,
die an einem Pol verbunden sind. Der andere Pol der Widerstände ist
mit jeweils einem mechanischen Schalter verbunden. Die zweiten Pole
der Schalter sind wiederum verbunden. Der Motor ist in Serie zu
dieser Widerstands-/Schalteranordnung eingebaut. Durch diese Anordnung
lässt sich
bei gleicher Schalteranzahl wie in der ersten Ausführung die Motorspannung
in kleineren Schritten abstimmen als dies mit jener möglich ist.
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Vorteil
dieser beiden Schaltungsanordnungen sind die sehr niedrigen Kosten.
Nachteilig ist, dass der Motor nur über einen mechanischen Schalter
oder Relais gesteuert werden kann und damit die elektronische Ansteuerung
nicht automatisiert, z.B. über
ein Klimasteuergerät,
erfolgen kann bzw. die Kosten durch die Relais stark steigen würden. Weitere
Nachteile der aus
DE
4217037 C1 bekannten Ansteuerschaltung sind die geringe
Anzahl möglicher Leistungsstufen
des Motors. Nachteilig an der Ansteuerschaltung, die in
DE 3429427 bekannt gemacht
wurde, ist, dass der Verlauf der Motorleistung nicht gleichmäßig eingestellt
werden kann.
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Eine
weitere bekannte Ansteuerschaltung gemäß der Lehre der
DE 3429427 C2 weist einen Transistor
auf, der in Serie zum Motor geschaltet ist. Der Transistor wird
durch eine geeignete Vorschaltelektronik so geregelt, dass am Motor
die gewünschte Spannung
abfällt.
Nachteilig an dieser Ausführung ist,
dass im Transistor eine hohe Verlustleistung auftreten kann, die
aufwändig über einen
teuren Kühlkörper abgeführt werden
muss und einen leistungsfähigen
und damit teuren Transistor erfordert. Eine Alternative ist die
Parallelschaltung zweier oder mehrer Transistoren. Jedoch werden
dadurch auch die Kosten für
Transistor und Vorschaltelektronik erhöht.
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Eine
weitere bekannte Ansteuerschaltung verwendet die so genannte Pulsweitenmodulation. Dabei
wird der Motor über
einen Transistor mit der Versorgungsspannung verbunden. Der Transistor wird
für eine
bestimmte Zeit Tein voll eingeschaltet und
anschließend
für eine
bestimmte Zeit Taus abgeschaltet. Dieser
Vorgang wird mit hoher Frequenz von meist ca. 20 kHz periodisch
wiederholt. Das Tastverhältnis
aus Tein und Taus bestimmt
den mittleren Motorstrom. Vorteil dieser Schaltung sind ihr hoher Wirkungsgrad
und, damit verbunden, der geringe Kühlaufwand. Nachteilig ist,
dass die Schaltvorgänge starke
elektromagnetische Störungen
verursachen. Diese müssen
mit aufwändigen
und teuren Drossel- und Kondensatorschaltungen gedämpft werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Ansteuerschaltung
für einen Motor
zu schaffen, bei der die gewünschte
Motor spannung elektronisch, insbesondere durch ein Klimasteuergerät, eingestellt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung des Anspruchs 1 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche stellen
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dar.
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Die
Schaltungsanordnung zur Steuerung einer Motorspannung UMot eines
Motors, insbesondere eines Gebläsemotors,
durch Serieschaltung der Schaltungsanordnung zum Motor umfasst mindestens
zwei in Serie zueinander und in Serie zum Motor geschaltete Baugruppen,
von denen mindestens eine eine Null-Widerstandsbrücke mit
einem Schalter zum Kurzschließen
der Baugruppe aufweist, wobei jede Baugruppe einen oder mehrere
parallel geschaltete Leistungswiderstände aufweist, wobei die Leistungswiderstände einer
Baugruppe bis auf höchstens einen
Leistungswiderstand jeweils mit einem Schalter in Serie geschaltet
sind, wobei die Schalter als Transistoren ausgelegt sind und die
Schaltungsanordnung eine Ansteuerelektronik zur Anpassung der zwischen
einem Spannungsausgang und einem Motorausgang der Schaltungsanordnung
anliegenden Motorspannung UMot an eine Soll-Motorspannung, die
eine Funktion eines Sollwertsignals SSoll ist,
umfasst.
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Die
Ansteuerelektronik wertet das an einem Sollwert-Anschluss anliegende
Signal SSoll, das insbesondere eine Spannung
proportional zur Soll-Motorspannung
oder ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem zur Soll-Motorspannung proportionalen Tastverhältnis ist
oder das Signal eines Busses, insbesondere Kline, LIN oder CAN-Bus
ist, über
den der Sollwert der Motorspannung vorgeben wird, aus und steuert
die Transistoren so an, dass die Spannung am Motorausgang UMot möglichst
gut dem Sollwert entspricht.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hat den Vorteil, dass der wesentliche Teil der Verlustwärme in den
Leistungswiderständen
auftritt und von dort leicht abgeführt werden kann. Die Transistoren
werden im Schaltbetrieb betrieben, deshalb ist ihre Verlustleistung
gering und kann ohne großen Aufwand
abgeführt
werden. Weiter vorteilhaft ist, dass die Schaltung im Falle eines
Motorkurzschlusses durch die Leistungswiderstände vor Zerstörung geschützt ist.
Vorteilhaft gegenüber
der
DE 3429427 ist,
dass für
eine gleichmäßige Verteilung
der Motorleistung über
die Schaltstufen die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weniger
Transistoren und Widerstände
benötigt
und damit kostengünstiger
und weniger fehleranfällig
ist.
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Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
weist zwei Baugruppen mit jeweils einer Null-Widerstandsbrücke auf,
wobei die erste Baugruppe einen einzigen Leistungswiderstand mit
einem in Serie geschalteten Schalter aufweist und die zweite Baugruppe
mindestens zwei zueinander parallel geschaltete, jeweils mit einem
Schalter in Serie geschaltete Leistungswiderstände aufweist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind elektrische Verbindungen zwischen den Leistungswiderständen, den
Transistoren, den Eingängen
und/oder den Ausgängen
als Stanzgitter ausgeführt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Stanzgitter, welches die Transistoren mit den Leistungswiderständen verbindet,
eine hohe thermische Leitfähigkeit
auf. Zusätzlich
kann das Stanzgitter vom umgebenden Luftstrom gekühlt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind Kontakte zwischen dem Stanzgitter und den Leistungswiderständen und/oder
den Transistoren durch Schweißen
oder Löten
hergestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Ansteuerelektronik als Mikrocontroller ausgebildet. Dieser
wertet das am Sollwerteingang anliegende Signal aus und schaltet
die Transistoren nach einer vorgegebenen Kennlinie geeignet ein
bzw. aus.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Ansteuerelektronik eine Mehrzahl von Komparatoren und
einen Multiplexer. Im Falle einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung
wird zusätzlich
ein Widerstand und ein Kondensator zur Integration des Eingangssignals
benötigt.
Die Komparatoren vergleichen das anliegende Sollwertsignal und steuern über den
Multiplexer die Transistoren nach einer vorgegebenen Kennlinie geeignet
an.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Kennlinie der Ansteuerelektronik eine Hysterese auf. Damit
die Motorspannung von der Stufe N auf die Stufe N + 1 hochgeschaltet
wird, muss am Eingang ein um einen bestimmten Hysteresebetrag x
höheres
Signal anliegen, als wenn von der Stufe N + 1 auf die Stufe N zurückgeschaltet
wird. Dies erweist sich als günstig,
wenn der Signalpegel in der Nähe
einer Umschaltpunkts zwischen der Stufe N und der Stufe N + 1 liegt.
Durch äußere Einflüsse, z.B.
durch thermisches Rauschen, kann der Signalpegel in seinem zeitlichen
Verlauf um diesen Umschaltpunkt herum schwanken. Durch die Hysterese wird
in diesem Fall verhindert, dass die Ansteuerelektronik ständig zwischen
den zwei Stufen hin- und herschaltet.
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in den schematischen Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Schaltbild einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2 eine
Ausführungsform
eines Stanzgitters zur Verbindung von Schaltelementen der Schaltungsanordnung
nach 1;
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3 eine
Ausführungsform
einer Ansteuerelektronik der Schaltungsanordnung als Mikrocontroller;
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4 eine
Ausführungsform
einer Ansteuerelektronik der Schaltungsanordnung als Multiplexer mit
einer Mehrzahl von Komparatoren.
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In 1 ist
eine Schaltungsanordnung 1 zur Steuerung der Motorspannung
eines Motors M gezeigt, der im vorliegenden Fall ein Gebläsemotor
eines Kraftfahrzeug-Gebläses
ist. Die Schaltungsanordnung weist einen Ausgangsstecker 2 und
einen Eingangsstecker 5 auf.
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Am
Ausgangsstecker 2 fällt
zwischen einem Spannungsausgang 3, der mit einer konstanten,
internen Versorgungsspannung UVer der Schaltungsanordnung 1 in
Verbindung steht, und einem zweiten, als Motorausgang 4 bezeichneten
Ausgang eine Betriebsspannung für
den Motor M ab, der außerhalb der
Schaltungsanordnung 1 liegt. Diese Spannung wird als Motorspannung
UMot bezeichnet. Die Spannung am Motorausgang 4 bezüglich des
Masseeingangs 8 ist somit gegeben durch die Differenz UVer – UMot zwischen interner Versorgungsspannung
UVer und Motorspannung UMot.
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Der
Eingangsstecker 5 der Schaltungsanordnung 1 weist
drei Anschlüsse
auf. Über
einen Spannungseingang 6 wird der Schaltungsanordnung 1 eine
externe Versorgungsspannung UBat zur Verfügung gestellt,
welche mit der internen Versorgungsspannung UVer verbunden
ist. Am Sollwert-Anschluss 7 wird ein Sollwertsignal SSoll in die Schaltungsanordnung eingekoppelt.
Dieses Sollwertsignal kann insbesondere eine zur Soll-Motorspannung
proportionale Spannung oder ein pulsweiten moduliertes Signal mit
zur Soll-Motorspannung
proportionalem Tastverhältnis
sein oder, wie im vorliegenden Fall, das Signal eines Busses 21,
insbesondere Kline, LIN oder CAN-Bus, sein, über den die Soll-Motorspannung vorgegeben
wird. Ein weiterer Eingang dient als Masseeingang 8.
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Zweck
der Schaltungsanordnung 1 ist es, die Motorspannung UMot, d.h. das zwischen dem Spannungsausgang 3 und
dem Motorausgang 4 abfallende Potenzial, an die Soll-Motorspannung
anzugleichen. Die Soll-Motorspannung ist eine Funktion des am Sollwert-Anschluss 7 anliegenden
Sollwertsignals SSoll. Durch eine Steuerung
der Motorspannung UMot wird die Betriebsspannung
und damit die Geschwindigkeit des Motors 1 gesteuert. Beim
Betrieb des Motors 1 in Verbindung mit einem Klimasteuergerät kann dieses
die Gebläsewirkung
des Motors M elektronisch ansteuern.
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Um
eine solche Angleichung zu ermöglichen,
wird das vom Eingang 7 kommende Sollwertsignal SSoll in eine Ansteuerelektronik 9 eingekoppelt. Diese
Ansteuerelektronik 9 steuert eine Mehrzahl von Transistoren
an, von denen in 1 beispielhaft vier als n-Kanal
MOSFETs ausgebildete gezeigt sind, die mit T1,
T2, T3, T4 bezeichnet sind. Die Transistoren T1, T2, T3,
T4 wirken als Schalter. Der erste Transistor T1 ist Teil einer ersten Baugruppe B1, die
einen ersten Leistungswiderstand R1 aufweist,
der parallel zu dem Transistor T1 geschaltet
ist. Der Transistor T1 ist Teil einer Null-Widerstandsbrücke W1, mittels derer die Baugruppe B1 kurzgeschlossen
werden kann.
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Die
drei übrigen
Transistoren T2, T3,
T4 sind Teil einer zweiten Baugruppe B2,
die mit der ersten Baugruppe B1 sowie dem Motor M in Serie geschaltet
ist. In der zweiten Baugruppe B2 ist ein zweiter Leistungswiderstand
R2 mit dem zweiten Transistor T2 in
Serie geschaltet. Parallel dazu ist ein dritter Leistungswiderstand
R3 mit dem vierten Transistor T4 in
Serie geschaltet. Eine Null-Widerstandsbrücke W2 mit
dem dritten Transistor T3 ist hierzu parallel
geschaltet. Je nach Ansteuerung der Transistoren T1, T2, T3, T4 durch
die Ansteuerelektronik 9 in leitenden oder nicht leitenden
Zustand werden die Leistungswiderstände R1,
R2, R3 entweder
leitend zwischen Motorausgang 4 und Masseeingang 8 geschaltet
oder es fällt
an diesen keine Spannung ab.
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Die
Verbindung zwischen einem ersten Leistungseingang der Transistoren
T1, T2, T3, T4, der Drain,
und einem zweiten Leistungseingang, der Source, wird jeweils über einen
Steuereingang, das Gate, gesteuert. Die Gates der Transistoren T1, T2, T3,
T4 sind mit der Ansteuerelektronik 9 verbunden, um
den Stromfluss zwischen Drain und Source zu steuern. Wie bei MOSFETs üblich, ist
ein weiterer Eingang, das Substrat, leitend mit der Source verbunden.
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2 zeigt
Teile eines Stanzgitters 15 zur Verbindung der Leistungswiderstände R2, R3 und der Transistoren
T2, T3, T4. Das Stanzgitter 15 besteht aus
einem ca. 1 mm dicken Metallblech mit hoher Wärmeleitfähigkeit, aus dem Teile ausgestanzt
sind, sodass das Stanzgitter 15 in eine Anzahl von Bereichen
eingeteilt wird, welche untereinander keine elektrische Verbindung
aufweisen. Das Stanzgitter 15 ist freitragend, kann aber
alternativ z.B. auch durch einen Kunststoff unterstützt sein.
Die Leistungswiderstände
R2, R3 sind als
spiralförmige
Widerstandsdrähte
ausgeführt.
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Ein
erster Bereich 10 des Stanzgitters 15 verbindet
jeweils einen Pol der Leistungswiderstände R2,
R3 mit dem ersten Block B1. Der Kontakt
zwischen dem jeweiligen Leistungswiderstand R2,
R3 und dem ersten Bereich 10 wird über erste
Lötstellen 13a, 13b hergestellt.
Ein zweiter Pol der Leistungswiderstände R2,
R3 ist über
einen jeweils zugeordneten Teil 12a, 12c des Stanzgitters 15 mit
den Transistoren T2, T4 verbunden.
Die Null-Widerstandsbrücke W2 wird durch einen weiteren Teil 12b des
Stanzgitters gebildet. Der Kontakt zwischen den Leistungswiderständen R2, R3 und den Teilen
des Stanzgitters 12a, 12c ist über zweite Lötstellen 14a, 14b hergestellt. Die
Transistoren T2, T3,
T4 sind mit der Drain an den Teilen des
Stanzgitters 12a, 12b, 12c befestigt.
Die Source der Transistoren T2, T3, T4 steht jeweils
mit einem zweiten Bereich 11 des Stanzgitters 15 in
leitender Verbindung, welcher mit dem Masseeingang 8 der
Schaltungsanordnung 1 verbunden ist.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der Ansteuerelektronik 9 als Mikrocontroller 16.
Die Ansteuerung der Transistoren T2, T3, T4 erfolgt über die
Regelung ihrer Gatespannung. Für
den Mikrocontroller 16 ist nur ein Controller-Eingang 17 notwendig, über den
das Sollwertsignal SSoll eingekoppelt wird,
und zwar in Bezug zum Massepotential, welches vom Masseeingang 8 der
Schaltungsanordnung 1 geliefert wird (nicht bildlich dargestellt).
Die Spannungsregelung der Motorspannung UMot ist
nicht kontinuierlich, sondern lässt
sich in mehreren Stufen einstellen, deren Gesamtzahl von der Zahl
der Transistoren abhängt.
Um zu vermeiden, dass bei einem Sollwertsignal SSoll in
der Nähe
eines Umschaltpunktes zwischen zwei Stufen eine ständiges Hin-
und Herschalten des Mikrocontrollers 16 erfolgt, weist
dieser eine Kennlinie mit einer Hysterese auf.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Ansteuerelektronik 9 als Multiplexer 18 mit einer
Anzahl x von Multiplexer-Eingängen 19.
Die Anzahl x der Multiplexer-Eingänge 18 stimmt mit
einer Anzahl x von Komparatoren 20 überein, welche mit ihren jeweiligen
Ausgängen
mit den Multiplexer-Eingängen 19 des
Multiplexers 18 verbunden sind. Ein nicht invertierender
Eingang (+) der Komparatoren 20 ist jeweils mit dem Sollwert-Anschluss 7 der Schaltungsanordnung 1 verbunden.
Ein invertierender Eingang (–)
der Komparatoren 20 ist mit einer jeweiligen, geeigneten
Vergleichsspannung US1 bis USx verbunden.
Die Anordnung aus Komparatoren 20 und Multiplexer 18 wirkt
in gewohnter Weise als Analog/Digitalwandler und erlaubt einen diskreten
Aufbau der Ansteuerelektronik 9.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Ausgangsstecker
- 3
- Spannungsausgang
- 4
- Motorausgang
- 5
- Eingangsstecker
- 6
- Spannungseingang
- 7
- Sollwert-Anschluss
- 8
- Masseeingang
- 9
- Ansteuerelektronik
- 10
- erster
Bereich des Stanzgitters
- 11
- zweiter
Bereich des Stanzgitters
- 12a,
b, c
- Teile
des Stanzgitters
- 13a,
b
- erste
Lötstellen
- 14a,
b
- zweite
Lötstellen
- 15
- Stanzgitter
- 16
- Mikrocontroller
- 17
- Controller-Eingang
- 18
- Multiplexer
- 19
- Multiplexer-Eingang
- 20
- Komparator
- 21
- Bus
- R1, R2, R3
- Leistungswiderstände
- T1, T2, T3,
T4
- Transistoren
- M
- Motor
- B1,
B2
- Baugruppen
- W1, W2
- Null-Widerstandsbrücken