-
Die Erfindung betrifft ein Steuermodul mit einem Gleichstromwandler, der zur Ansteuerung von Lampen eingerichtet ist, und dessen Eingang mit dem Ausgang einer Filtereinrichtung verbunden ist, die zum Filtern von hochfrequenten Störungen eingerichtet ist, und die einen Strompfad zwischen einem Eingang und einem Ausgang aufweist, wobei im Strompfad eine Induktivität vorgesehen ist.
-
Es ist bekannt, Stromverbraucher mittels einer Überwachungseinheit hinsichtlich Stromverbrauch zu überwachen, um so bei Unterbrechungen des Laststroms oder allgemein bei Unter- bzw. Überschreiten von vorgegebenen Schwellenwerten auf eine Störung bei den Lasten zu schließen. So ist es bei Kraftfahrzeugen üblich, ein zentrales Steuergerät (auch Body Control Unit – BCU – genannt) zu verwenden, um verschiedene Leuchten des Kraftfahrzeugs, beispielsweise Frontleuchten und Rücklichter, anzusteuern, und dabei aufgrund des Stromverbrauchs, also des Laststroms, festzustellen, ob die Leuchten ordnungsgemäß funktionieren oder nicht. Hierzu wird für den Laststrom ein unterer Schwellenwert definiert.
-
Bei derartigen Leuchten werden in jüngster Zeit die bisher verwendeten Glühlampen oder Halogenlampen etc. vermehrt durch alternative Leuchtmittel, wie insbesondere LED's (Lichtemittierende Dioden) ersetzt. Dadurch wird der Stromverbrauch reduziert und entsprechend werden bei der Stromüberwachung im Hinblick auf Fehlererkennung die Laststrom-Schwellenwerte für die Fehlererkennung tiefer gesetzt.
-
Die Lampen, insbesondere auch LEDs, werden typisch durch Gleichstromwandler, nachstehend kurz DC/DC-Wandler genannt, angesteuert. Ein derartiger DC/DC-Wandler wird zumeist in einem eigenen Steuermodul untergebracht, das zwischen dem zentralen Steuergerät, der BCU, und den Verbrauchern, also LED's, angeordnet wird. Im Betrieb können in diesem Bereich, etwa durch den Gleichstromwandler, (höherfrequente) elektromagnetische Störungen verursacht werden, die ohne weitere Maßnahmen zum Bordnetz gelangen können. Durch diese Störungen kann die Funktion anderer Steuergeräte beeinträchtigt werden, und über als Antennen wirkende Leitungen können auch Störsignale in die Umgebung abgestrahlt werden. Um diese Störungen so gut wie möglich zu verhindern, werden Filtereinrichtungen, wie sie die Erfindung betrifft, verwendet. Es kann nun vorkommen, dass der Strom zur Filtereinrichtung bzw. zur Last diskontinuierlich wird, ohne dass eine Störung der Last vorliegt, wodurch es für das zentrale Steuergerät, die BCU, schwierig wird, den Fall einer ordnungsgemäßen Funktion von einem Fehlerfall zu unterscheiden.
-
Ein diskontinuierlicher Strom kann insbesondere auf folgende Ursachen zurückzuführen sein:
- 1. der DC/DC-Wandler „lückt”, das heilt der aufgenommene Strom ist nicht kontinuierlich, wird unter Umständen immer wieder 0.
- 2. die in der Filtereinrichtung am Eingang verwendeten Filterelemente speichern Energie und liefern Strom zurück in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs, wenn Bordnetzschwankungen auftreten.
-
In beiden Fällen könnte das Steuergerät (die BCU) einen Leitungsbruch diagnostizieren.
-
Zur Lösung des Problems des lückenden DC/DC-Wandlers kann einfach eine geeignete Topologie gewählt und dabei sichergestellt werden, dass der Eingangsstrom im Wesentlichen konstant bleibt.
-
Die Erfindung befasst sich im besonderen mit dem vorstehend an zweiter Stelle genannten Problem und hat zum Ziel, eine Mindeststromaufnahme auch unter speziellen Arbeitsbedingungen vorzusehen, beispielsweise wenn Bordnetzschwankungen auftreten und Energie aus den Filterelementen zurück in das Bordnetz geliefert wird. Zu berücksichtigen ist hierbei auch, dass der Strom nicht unter einen Mindeststrom fällt. Um diesen Mindeststrom zu garantieren, wird ein Widerstand zugeschaltet. Dieser Widerstand soll jedoch nur im Bedarfsfall aktiviert werden, einerseits um die thermische Belastung (immerhin in der Größenordnung von ca. 2 Watt) in Grenzen zu halten und andererseits um den Gesamtwirkungsgrad nur geringfügig zu verschlechtern.
-
In den Fällen einer rasch sinkenden Versorgungsspannung wird der vorstehend genannte Widerstand zugeschaltet. Es tritt dann aber das nichttriviale Problem auf, dass ein derartiges Einschalten des Widerstands nicht in unendlich kurzer Zeit möglich ist; als Schaltzeiten sind hier beispielsweise ein bis zwei Mikrosekunden anzusetzen. Wenn nun das zentrale Steuergerät, also beispielsweise eine BCU, gerade in einem solchen Schaltzeitpunkt den Stromverbrauch misst, wird eine Fehlerabschaltung zu Unrecht – eingeleitet, was vermieden werden muss. Eine andere mogliche Fehlerquelle ergibt sich dadurch, dass ein DC/DC-Wandler eine ungefähr konstante Leistung an die Leuchten liefert, wobei im Regelfall ein konstanter Strom geliefert wird. Wenn nun die Eingangsspannung steigt, sinkt der Eingangsstrom zur Leuchte. Falls nun dieser Eingangsstrom unter den vorgegebenen Schwellenwert sinkt, wird der Widerstand zugeschaltet, wobei sich wiederum das Problem der notwendigen Schaltzeit ergibt, wie zuvor angeführt. Noch ein anderes Problem kann in der Überlagerung von Sinusschwingungen oder sonstigen periodischen Signalen gelegen sein, wobei es passieren kann, dass der Widerstand zyklisch, bei wiederholten Sprüngen des Stroms nach unten zugeschaltet wird. Nachdem ein gewisser Nachlauf integriert ist, kann es im Extremfall zu einem Dauer-Zuschalten des Widerstands kommen, was zu einer Dauer-Zusatzlast führt.
-
In einem anderen Zusammenhang sind grundsätzlich Filtervorrichtungen bekannt, bei denen eine Induktivität mit einem Eingang der jeweiligen Filtervorrichtung verbunden ist, ohne jedoch einen zur Ansteuerung von Lampen vorgesehenen DC/DC-Wandler anzugeben.
-
Aus der
WO 03/005 578 A1 ist eine aktive Filtervorrichtung zur Abschwächung von elektromagnetischen Störungen (EMI) bekannt, die in einer Antriebseinheit für einen Kompressor einer Klimaanlage integriert ist.
-
In der
JP 3 676 873 B2 ist eine Schaltung beschrieben, mit der der Einfluss von Leistungsschwankungen auf einen Antrieb vermindert werden soll.
-
In der
JP 2004-222 478 A ist eine Schaltung zur Leistungsfaktor-Korrektur (PFC) offenbart.
-
Die
DE 102 21 631 A1 zeigt ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe, in dem ein AC/DC-Wandler und ein DC/AC-Wandler in Serie geschalten sind.
-
Aus der
DE 198 47 014 A1 ist eine Filtervorrichtung zum Ausfiltern von Versorgungsspannungsstörungen beschrieben.
-
Aufgabe der Erfindung ist das Vorsehen eines Steuermoduls von der Art wie eingangs angeführt, mit der eine hinreichende Stromaufnahme sichergestellt wird, und zwar auch während der Zeit des Zuschaltens eines Widerstands wie vorstehend angeführt, um so eine etwaige falsche Fehlererkennung durch ein zentrales Steuergerät zu verhindern. Insbesondere wird dabei darauf abgezielt, den Eingangsstrom – zumindest kurzfristig – möglichst konstant zu halten.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung ein Steuermodul wie in Anspruch 1 angegeben vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
-
Ein derartiges Steuermodul kann zwischen den vorgenannten zentralen Steuergerät und den Verbrauchern, insbesondere einem LED-Array, angeordnet werden, und es enthält auch bevorzugt den zum Sicherstellen eines Mindeststroms einschaltbaren Widerstand.
-
Mit Hilfe der Spule bzw. Induktivität als erste Komponente in der Filtereinrichtung des vorliegenden Steuermoduls gelingt es, den Mindeststrom unter allen Bedingungen sicherzustellen. Ein besonderer Vorteil ist hierbei, dass bei der Ausbildung der Filtereinrichtung im Vergleich zu bisherigen Lösungen ohne zusätzliche Bauteile das Auslangen gefunden wird. Es erfolgt nur eine Umordnung der Elemente der Filtereinrichtung, wodurch die Änderung Kosten-neutral bleibt. Dadurch, dass die Induktivität in der Filtereinrichtung als erste Komponente vorliegt, bleibt sie immer aktiv und hält den Strom hinreichend konstant.
-
Dadurch ist das zentrale Steuergerät (die BCU) jederzeit im Stande, sichere Diagnosen zu stellen, und es werden falsche Fehlerabschaltungen vermieden. Durch das Umreihen einer bevorzugt vorgesehenen Verpol-Schutzdiode an eine Position hinter der Induktivität wird deren Schutzfunktion im Hinblick auf ein falsches Anschließen der Filtereinrichtung bzw. des mit einer solchen Filtereinrichtung versehenen Steuermoduls nicht beeinträchtigt. In diesem Zusammenhang ist es auch günstig, wenn eingangsseitig ein – eine relativ geringe Kapazität aufweisender – Filterkondensator vorgesehen wird, der auch einen geringen Qhm'schen Wert (Ersatzwiderstand – ESR) aufweist. Im Fall einer größeren Kapazität würde diese zum Zeitpunkt des Spannungssprunges sofort Strom in das Bordnetz zurückspeisen. Eine vergleichsweise kleinere Kapazitat des Filterkondensators am Eingang ist bei der vorliegenden Filtereinrichtung auch zweckmäßig, wenn die gegen ein Verpolen schützende Diode den Kondensator nicht mehr schützt, (weil sie hinter der Induktivität angeordnet ist), da die kleine Kapazität eine keramische Bauform ermöglicht, die bei einem Verpolen keinen Schaden nimmt.
-
Ein als Spannungspuffer und Ableitkondensator dienender Kondensator, insbesondere eine Elektrolytkondensator, mit relativ großer Kapazität (und vergleichsweise hohem Widerstandswert (ESR)) wird im Strompfad jedoch hinter der Induktivität bzw. Schutzdiode angeschlossen, so dass er a) keinen Strom in das Bordnetz zurückspeisen kann, wenn ein Spannungssprung am Eingang der Filtereinrichtung auftritt und b) gegen ein Verpolen geschützt ist. Dieser als Spannungspuffer fungierende Kondensator kann weiters durch einen hinteren Filterkondensator, mit vergleichsweise kleinem Kapazitäts- und ESR-Wert, in einem weiteren Nebenpfad der Filtereinrichtung, zur Unterdrückung von hochfrequenten Störungen gestützt werden.
-
Das Vorsehen der Verpol-Schutzdiode im Stromflussrichtung hinter der Induktivität verhindert nichtsdestoweniger, dass die Induktivität bei Spannungseinbrüchen am Eingang zu schnell entladen wird, nämlich dann, wenn dahinter ein Kondensator mit höherer Kapazität, der als Spannungspuffer wirkt, angeschaltet ist. Ohne die Schutzdiode würde – bei entsprechender Dimensionierung – im Fall eines Spannungseinbruchs am Eingang der Filtereinrichtung eine Entladung von diesem Kondensator mit hohem Kapazitätswert über die Induktivität zum Eingang hin erfolgen, wodurch der Eingangsstrom negativ würde. Bei Vorliegen der Schutzdiode wird dieser Spannungspuffer-Kondensator bei einem Spannungseinbruch am Eingang unwirksam, sieht man von Sperrstrom der Schutzdiode ab, und die Induktivität kann voll im Sinne eines Konstanthaltens des Stroms im Strompfad wirken; der Eingangsstrom fällt dann nur langsam ab und wird nie negativ.
-
Der einen Mindeststrom garantierende Widerstand wird vorzugsweise am Eingang der Filtereinrichtung angeschlossen, er kann aber auch am Ausgang der Filtereinrichtung liegen. Weiters wird ein insbesondere elektronischer Schalter dem Widerstand zugeordnet, um diesen Widerstand wie erwähnt im Bedarfsfall zuzuschalten und dann wieder wegzuschalten. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Filtereinrichtung wird der Strom immer ausreichend positiv gehalten, bis dieser Widerstand sicher zugeschaltet ist. Beim Wegschalten wird bevorzugt eine gewisse Nachlaufzeit (einige ms) abgewartet, so dass sich die zugehörige Detektorschaltung beruhigen (einschwingen) kann, um dann für den nächsten Stromabfall bereit zu sein.
-
Tests haben ergeben, dass bei der Filtereinrichtung des vorliegenden Steuermoduls zu keiner Zeit Ströme unter dem vorgegebenen Mindeststrom auftraten, wogegen im Falle einer herkömmlichen Filtereinrichtung immer wieder zu geringe, sogar negative Ströme auftraten.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, auf das sie jedoch nicht beschränkt sein sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Schaltbild einer Filtereinrichtung samt Verpolschutzdiode gemäß Stand der Technik
-
2 ein entsprechendes Schaltbild einer Filtereinrichtung für ein Steuermodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
-
3 ein erfindungsgemäßes Steuermodul mit einer Filtereinrichtung gemäß 2 zur Ansteuerung eines LED-Arrays für eine Leuchte in einem Kraftfahrzeug.
-
In 1 ist eine Filtereinrichtung 1 gemäß Stand der Technik gezeigt, bei der zwischen einem Eingang 2 und einem Ausgang 3 in einem Strompfad 4 in Reihe eine Verpol-Schutzdiode D sowie eine Induktivität L geschaltet sind. An die Kathode der Schutzdiode D ist ein als Spannungspuffer und Ableitkondensator fungierender Kondensator C1 mit relativ hohem Kapazitätswert, z. B. ein Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 220 μF, angeschlossen. Zur eigentlichen Filterschaltung, hier in Form einer π-Schaltung, gehören noch ein eingangsseitiger Filterkondensator C2 und ein ausgangsseitiger Filterkondensator C3, je mit einem vergleichsweise kleinem Kapazitätswert, z. B. 4,7 μF, die am eingangsseitigen Ende der Induktivität L bzw. am ausgangsseitigen Ende in Nebenpfaden 5 bzw. 6 angeordnet sind. Die Kondensatoren C2, C3 haben einen niedrigen ESR-Wert, z. B. von 1 mΩ, wogegen der Spannungspuffer-Kondensator C1 einen relativ hohen ESR-Wert, in der Größenordnung von einigen 100 mΩ, aufweist. Die Induktivität bzw. Spule L hat beispielsweise einen Induktivitätswert von 10 μH.
-
Bei der Filtereinrichtung 10 gemäß 2 sind die gleichen Komponenten wie in 1 gezeigt vorgesehen (und demgemäß gleich bezeichnet), jedoch liegen sie in einer demgegenüber abgeänderten Anordnung vor. Die Induktivität L ist nun die erste Komponente im Strompfad 4, sieht man von der Anordnung des Filterkondensators C2 in einem ersten Nebenpfad 5 am eingangsseitigen Anschluss der Induktivität L ab. Die gegen ein Verpolen schützende Schutzdiode D ist, in Normal-Stromflussrichtung gesehen, also in Richtung vom Eingang 2 zum Ausgang 3, hinter der Induktivität L angeordnet, und wieder dahinter ist der Nebenpfad 6 mit dem weiteren Filterkondensator C3 vorgesehen. Wieder dahinter und parallel zum weiteren Filterkondensator C3 ist der elektrolytische Spannungspuffer- und Ableit-Kondensator C1 mit vergleichsweise hohen Kapazitätswert geschaltet. Es ist aber auch möglich, die Diode D zwischen den Kondensatoren C3 und C1 im Strompfad 4 anzuordnen.
-
Die einzelnen Komponenten können beispielsweise bei der Anwendung zur Dämpfung von Wechselstromanteilen bei der Stromversorgung von LED-Arrays in Kraftfahrzeug-Anwendungen die selben Dimensionen wie im Zusammenhang mit 1 erläutert haben; die Filterkondensatoren C2, C3 können keramische Kondensatoren sein, wogegen der Kondensator C1 ein Elektrolytkondensator ist. Die Kondensatoren C2, C3, aber auch C1, können insbesondere von einem Gleichspannungswandler, der in 1 und 2 nicht gezeigt ist (s. aber 3), der an den Ausgang 3 angeschlossen ist, herrührende Wechselspannungsanteile zu Masse hin ableiten. Die Induktivität L sperrt dagegen hohe Frequenzen und wirkt „strombegradigend”.
-
In 3 ist ein Steuermodul 11 mit einer Filtereinrichtung 10 etwa gemäß 2 gezeigt, deren Eingang 2 zugleich einen beispielsweise mit einer nicht näher dargestellten BCU-Steuereinheit zu verbindenden Eingang bildet. Der Ausgang 3 der Filtereinrichtung 10 ist mit einem Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler) 12 verbunden, und in einem Querzweig am Eingang 2 ist ein Lastwiderstand 13 vorgesehen.
-
Der DC/DC-Wandler 12 dient zur Stromversorgung von LEDs 14, die in einem Array 15 angeordnet sind.
-
Der Widerstand 13 ist mit Hilfe eines – vorzugsweise elektronischen – Schalters 16 an den Strompfad (s. Position 4 in 2) anschaltbar, wenn mit Hilfe einer Messeinrichtung 17 ein zu geringer Strom (z. B. durch einen raschen Abfall der Versorgungsspannung) festgestellt wird. Zum Zuschalten des Widerstands 13 ist eine Treiberschaltung 18 vorgesehen, die im gezeigten Beispiel über den Strom gesteuert wird. Durch dieses Zuschalten des Widerstands 13 wird im Bedarfsfall ein Mindeststrom sichergestellt, d. h. verhindert, dass ein zu geringer Strom (Unterstrom) von der BCU-Steuereinheit erkannt wird bzw. aufgrund eines solchen Unterstroms auf einen Leitungsbruch oder dgl. erkannt wird bzw. ein Fehlercode eingetragen wird, was insbesondere bei einem Abschalten einer Beleuchtung aufgrund dieser fehlerhaften Detektion zu kritischen Situationen führen kann, wenn in der Folge eine KFZ-Beleuchtung ausgeschaltet wird (und dies, obwohl die Beleuchtung und insbesondere auch die Leitung zur Beleuchtungsanlage in Ordnung sind).
-
Mit der vorliegenden Filtereinrichtung 10, mit der speziellen Anordnung der einzelnen Filterkomponenten, gelingt es somit, etwaige kurze Zeitintervalle beim Zuschalten des Widerstands 13 zu überbrücken, sollte gerade zu diesem Zeitpunkt eine Strommessung erfolgen, die in der Steuereinheit (BCU) ausgewertet wird, und die ohne weitere Maßnahmen möglicherweise zu einem ungewollten Abschalten der Stromversorgung zum LED-Array 16 führen würde.
