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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Heizeinrichtung mittels Pulsweitenmodulation sowie eine Heizeinrichtung mit einer entsprechenden Steuerschaltung.
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Aus der
US 3,733,463 A ist ein Verfahren zum Steuern eines Ofens bekannt, wobei mit einem periodischen Steuersignal Spannungspulse erzeugt werden, die an einen Heizwiderstand angelegt werden. Die Spannungspulse werden zur Vermeidung einer Überhitzung mit zunehmender Temperatur verkürzt. Aus dem Steuersignal wird ein periodisches Spannungssignal erzeugt, das an einen Eingang eines Komparators angelegt wird. An einen weiteren Eingang des Komparators wird ein Spannungssignal eines Temperatursensors angelegt. Zum Erzeugen der Spannungspulse wird das Ausgangssignal des Komparators verwendet und durch dieses Signal der Beginn und das Ende der Spannungspulse vorgegeben.
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Ein ähnliches Verfahren und ein entsprechendes Regelmodul zur Regelung der Stromzufuhr ist aus der
AT 411313 B bekannt. Dort wird ebenfalls ein Komparator verwendet, mit dem das von einem Taktgenerator kommende periodische Spannungssignal mit dem von einem Thermostaten kommenden Signal verglichen wird. Das Ausgangssignal des Komparators steuert einen Leistungsschalter zum Ein- und Ausschalten einer Heizeinrichtung.
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Aus der
US 4,007,425 A ist eine Schaltung für einen Temperatursensor bekannt, wobei ein von dem Temperatursensor geliefertes Signal nach entsprechender Umwandlung auf einen Eingang eines Komparators gelegt wird. Am anderen Eingang des Komparators liegt ein von einem Oszillator kommendes periodisches Spannungssignal. Mit dem Ausgangssignal des Komparators wird über einen Schalter eine Heizeinrichtung angesteuert.
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Die Heizleistung von Heizeinrichtung in Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Ansaugluftvorwärmern, die durch Vorwärmen der vom Motor anzusaugenden, kalten Luft das Verbrennungsverhalten verbessern, oder Zuheizern, die zum Erwärmen der Umluft im Fahrzeuginnenraum verwendet werden, wird in der Regel über eine Pulsweitenmodulation bestimmt. Dabei werden mit einem periodischen Steuersignal Spannungspulse erzeugt, die an einen Heizwiderstand angelegt werden. In der Regel wird mit dem Steuersignal ein Transistorschalter betätigt, über den der Heizwidertand an eine Versorgungsspannung und somit das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen ist.
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Eine Überhitzung kann zu schweren Schäden an benachbarten Fahrzeugkomponenten oder der Heizeinrichtung selbst führen. Um einen gefährlichen Temperaturanstieg zu verhindern, wird deshalb bei Prozessor gesteuerten Heizeinrichtungen die Dauer der Spannungspulse verkürzt, sobald mit einem Temperatursensor das Erreichen einer Schwellentemperatur festgestellt wird. Daneben sind einfachere Steuerungen bekannt, bei denen die Heizeinrichtung abgeschaltet wird, sobald eine kritische Temperatur erreicht ist.
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Die erstgenannte Möglichkeit einer Prozessorsteuerung ist mit erheblichen Kosten verbunden. Um die Kosten für einen in die Heizeinrichtung eingebauten Mikroprozessor einzusparen, kann man den Mikroprozessor einer anderen Fahrzeugkomponente, beispielsweise des Motorsteuergeräts, zur Steuerung der Heizeinrichtung nutzen. Allerdings ist die Heizeinrichtung dann von diesem Steuergerät abhängig und kann bei anderen Fahrzeugen mit anderen Steuergeräten nicht mehr ohne weiteres verwendet werden.
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Die zweite Möglichkeit einer Abschaltung der Heizeinrichtung bei Erreichen einer Schwellentemperatur hat den Nachteil, dass bei den Abschaltungen schlagartige Lastunterbrechungen auftreten, die das Bordnetz eines Fahrzeugs belasten und zu Spannungsüberhöhungen oder Spannungseinbrüchen des Bordnetzes führen können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Weg aufzuzeigen, wie mit geringem Aufwand eine Überhitzung einer Heizeinrichtung verhindert und dabei das Bordnetz geschont werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Heizeinrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht ohne Verwendung eines Mikroprozessors eine temperaturabhängige Pulsweitenbegrenzung bei der Steuerung einer Heizeinrichtung. Vorteilhaft kann deshalb auch bei einer kostengünstigen Heizeinrichtung der Gefahr einer Überhitzung wirksam begegnet werden und dennoch das Bordnetz eines Fahrzeugs geschont werden, da durch eine Verkürzung der Spannungspulse bei einem gefährlichen Temperaturanstieg schlagartige Lastunterbrechungen weitgehend vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß wird aus einem Steuersignal, das bevorzugt aus einer Folge von Steuerspannungspulsen besteht, ein periodisches Spannungssignal erzeugt, das an einen Eingang eines Komparators angelegt wird. An einen weiteren Eingang des Komparators wird ein temperaturabhängiges Spannungssignal angelegt, das ein Temperatursensor, bevorzugt ein temperaturabhängiger Widerstand, liefert. Das Ausgangssignal des Komparators ermöglicht eine temperaturabhängige Verkürzung der Spannungspulse, die an den Heizwiderstand oder die Heizwiderstände der Heizeinrichtung angelegt werden.
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Der Komparator vergleicht nämlich ein sich periodisch änderndes Signal mit einem Signal, das während einer Periode näherungsweise konstant ist und dessen Wert von der Temperatur abhängt, die der Temperatursensor misst. Folglich ist zu erwarten, dass sich das Ausgangssignal des Komparators im Laufe einer Periode ändert. In der Regel ist nämlich der Wert des periodischen Spannungssignals für einen Teil der Periodendauer kleiner als der Wert des temperaturabhängigen Spannungssignals und für den restlichen Teil der Periodendauer größer als der Wert des temperaturabhängigen Spannungssignals. Das Verhältnis dieser beiden Teile zueinander, hängt von der gemessen Temperatur ab. Dementsprechend hängt auch der Zeitanteil der Periodendauer, in dem das Ausgangssignal des Komparators einen seiner beiden möglichen Werte annimmt, von der gemessenen Temperatur ab.
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Indem zum Erzeugen der Spannungspulse sowohl das Steuersignal als auch das Ausgangssignal des Komparators verwendet werden, kann deshalb eine temperaturabhängige Verkürzung der Spannungspulse erreicht werden. Erfindungsgemäß wird dazu durch eines dieser beiden Signale jeweils der Beginn der Spannungspulse und durch das andere Signal jeweils das Ende der Spannungspulse vorgegeben. Beispielsweise kann das Steuersignal den Anfang eines Spannungspulses vorgeben und das Ausgangssignal des Komparators das Ende eines Spannungspulses. Ebenso ist es aber auch möglich, dass das Ausgangssignal des Komparators den Anfang eines Spannungspulses vorgibt und das Steuersignal das Ende eines Spannungspulses.
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Beispielsweise können mit dem wenigstens einen Heizelement zwei Schalter, bevorzugt Feldeffekttransistoren, in Reihe geschaltet sein, wobei einer der beiden Schalter mit dem Steuersignal und der andere Schalter mit dem Ausgangssignal des Komparators betätigt wird. Die Dauer eines Spannungspulses ist dann auf die Zeit beschränkt, zu der beide Schalter geöffnet sind.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Steuersignal und das Ausgangssignal des Komparators mit einem logischen Gatter zu verknüpfen und das Ausgangssignal des Gatters zur Steuerung eines mit dem Heizelement in Reihe geschalteten Schalters, bevorzugt eines Feldeffekttransistors, zu verwenden. Wenn der Schalter bei Anliegen einer positiven Spannung an seinen Steuereingang leitet, sind beispielsweise AND-Gatter geeignet, andernfalls beispielsweise OR-Gatter. Je nachdem ob das temperaturabhängige Spannungssignal an den invertierenden oder den nicht invertierenden Komparatoreingang angelegt wird, kann es notwendig sein, das Ausgangssignal des Komparators oder des Gatters zu negieren, also beispielsweise NAND- oder NOR-Gatter zu verwenden. Auch bei Verknüpfung des Steuersignals und des Ausgangssignals des Komparators mit einem logischen Gatter kann so die Dauer der Spannungspulse durch den Überlapp von dem Steuersignal und dem Ausgangssignal des Komparators bestimmt werden.
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Bei beiden vorstehend genannten Möglichkeiten werden die Spannungspulse erzeugt, indem zum Steuern von einem oder mehreren mit dem Heizwiderstand verbundenen Schaltern das Ausgangssignal des Komparators und das Steuersignal verwendet werden.
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Je nachdem, ob ein positives Potential am Steuereingang der als Schalter verwendeten Transistoren einen leitenden oder sperrenden Schaltzustand bewirkt, also die Transistoren high oder low aktiv sind, ist es zweckmäßiger das periodische Spannungssignal an den invertierenden oder an den nicht-invertierenden Eingang des Komparators anzulegen. Je nach Wahl der Komparatoreingänge, liegt der Komparatorausgang nämlich entweder dann auf positivem Potential, wenn der Wert des periodische Spannungssignals größer als das temperaturabhängige Spannungssignal ist oder dann wenn ist der Wert des periodische Spannungssignals kleiner als das temperaturabhängige Spannungssignal ist.
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Da eine Signalinversion mit geringem Aufwand möglich ist, können die beiden Komparatoreingänge aber an sich frei für das periodische Spannungssignal und das temperaturabhängige Spannungssignal gewählt werden.
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Bei sehr niedrigen Temperaturen kann der Fall auftreten, dass das Ausgangssignal des Komparators konstant ist, da der Wert des sich periodisch ändernden Signals während der gesamten Periode beispielsweise größer als der Wert des temperaturabhängigen Spannungssignals ist. In diesem Fall können Anfang und Ende der Spannungspulse durch das Steuersignal bestimmt werden. Mit steigender Temperatur tritt jedoch schließlich der Fall auf, dass sich das Ausgangssignal des Komparators während einer Periode ändert und somit das erfindungsgemäße Verfahren der Verkürzung der Pulsdauern zum Tragen kommt.
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Um den Temperaturbereich einzustellen, in dem es zu einer Verkürzung der Pulsdauern kommt, kann bei der Erzeugung des periodischen Spannungssignals ein Gleichspannungsanteil hinzugefügt werden. Das periodische Spannungssignal kann aus dem Steuersignal durch periodisches Auf- und Endladen von wenigstens einem Kondensator und/oder weniger einer Induktivität erzeugt werden, beispielsweise indem das Steuersignal über ein oder mehrere Filter, beispielsweise einen Hochpass oder einen Tiefpass, einem Komparatoreingang zugeführt wird. Mit jeder ansteigenden Flanke des Steuersignals beginnt eine Aufladung eines Kondensators oder einer Induktivität. Mit jeder abfallenden Flanke des Steuersignals beginnt sich der Kondensator oder die Induktivität zu entladen. Auf diese Weise entsteht ein periodisches Signal, dessen Periodendauer mit der Periodendauer des Steuersignals übereinstimmt und dessen Wert zunächst langsam ansteigt und anschließend langsam abfällt.
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Das periodische Spannungssignal kann auch auf andere Weise erzeugt werden und prinzipiell sogar eine andere Periodendauer als das Steuersignal haben, beispielsweise eine doppelt oder dreimal so große Periodendauer. In einem solchen Fall wird dann nur jeder zweite bzw. dritte Spannungspuls verkürzt, was für eine Temperaturbegrenzung ausreichen kann. Damit sich das Ausgangssignal des Komparators nicht zur selben Zeit ändert wie das Steuersignal, sollte jedoch darauf geachtet werden, dass der ansteigende Teil und der abfallende Teil des periodischen Spannungssignals zusammen mindestens die Hälfte der Periodendauer ausmachen, also das periodische Spannungssignal höchstens die Hälfte der Periodendauer konstant ist. Wenn das periodische Signal durch Auf- und Entladen wenigstens eines Kondensators oder wenigstens einer Induktivität erzeugt wird, lässt sich dies durch Verwendung eines Widerstands erreichen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiches und sich Entsprechendes ist dabei mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Steuerschaltung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;
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2 ein Beispiel für den Verlauf verschiedener Signale bei der in 1 dargestellten Steuerschaltung
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3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung; und
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4 ein Beispiel für den Verlauf verschiedener Signal bei der in 3 dargestellten Heizeinrichtung.
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1 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen. Steuerschaltung für eine Heizeinrichtung. Bei dieser Steuerschaltung wird ein Steuersignal 1, das aus einer Folge von rechteckigen Steuerspannungspulsen besteht über einen Tiefpass 2 einem Eingang eines Komparators 3 zugeführt. Mit dem Tiefpass 2 wird dabei aus dem Steuersignal 1 ein periodisches Spannungssignal 4 erzeugt, das in 2 zusammen mit dem Steuersignal 1 dargestellt ist. Das periodische Spannungssignal 4 hat einen ansteigenden und einen abfallenden Teil. Der ansteigende Teil entspricht der Ladekurve eines RC-Glieds, der abfallende Teil der Entladekurve eines RC-Glieds.
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An den anderen Eingang des Komparators 3 wird ein temperaturabhängiges Spannungssignal angelegt, das von einem Temperatursensor 5, beispielsweise mit einem temperaturabhängigen Widerstand, erzeugt werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Temperatursensor 5 ein NTC-Widerstand verwendet, also ein Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten. In 2 ist das temperaturabhängige Spannungssignal 6 als eine horizontale Linie dargestellt, da sich die Temperatur wesentlich langsamer als das Steuersignal 1 ändert und für einen Zeitraum von einigen Periodendauern in der Regel nahrungsweise konstant ist. Jedes mal wenn der Wert des periodischen Spannungssignals 4 unter den Wert des temperaturabhängigen Spannungssignals 6 fällt oder über den Wert des temperaturabhängigen Spannungssignals 6 steigt, ändert sich das Ausgangssignal des Komparators 3. In 2 ist das Ausgangssignal 7a des Komparators 3 schraffiert dargestellt.
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Da in 1 das temperaturabhängige Spannungssignal 6 an dem invertierenden Eingang (–) des Komparators 3 anliegt, ist das Ausgangssignal 7a des Komparators 3 positiv, wenn das periodische Spannungssignal 4 einen höheren Wert als das temperaturabhängige Spannungssignal 6 hat. Der Temperatursensor ist dabei so ausgelegt, dass er eine umso höhere Spannung liefert, je höher die Temperatur ist. Die dargestellte Schaltung lässt sich aber auch dahingehend abwandeln, dass das temperaturabhängige Spannungssignal 6 an dem nicht-invertierenden Eingang (+) des Komparators 3 anliegt und der Temperatursensor eine umso kleinere Spannung liefert, je höher die Temperatur ist, beispielsweise indem ein NTC- durch ein PTC-Widerstand ersetzt wird.
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Das Ausgangssignal 7a des Komparators 3 kann zum Steuern eines Schalters 8 verwendet werden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel leitet der Schalter 8, wenn das Ausgangssignal 7a des Komparators 3 auf positivem Potenzial liegt.
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Indem das Steuersignal 1 über den Schalter 8 geführt wird, lassen sich die das Steuersignal 1 bildenden Steuersignalpulse verkürzen. Während der Dauer eines Steuersignalpulses ändert sich nämlich das Ausgangssignal 7a des Komparators. Der Schalter 8 wird deshalb während der Dauer eines Steuersignalpulses geöffnet, so dass dem Steuereingang eines dem Schalter 8 nachgeschalteten Schalters 9, bevorzugt dem Gate eines Feldeffekttransistors, verkürzte Signalpulse ankommen.
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Der nachgeschaltete Schalter 9 ist mit einem in 1 nicht dargestellten Heizelement in Reihe geschaltet. Durch die Verkürzung der Steuersignalpulse wird deshalb auch eine Verkürzung der durch Betätigen des Schalters 9 erzeugten Spannungspulse, die dem Heizelement zugeführt werden, erreicht und somit bei ansteigender Temperatur die Heizleistung reduziert. Die Dauer der Spannungspulse ist durch den Überlapp des Steuersignals 1 und des Ausgangssignals 7a des Komparators 3 bestimmt. Dabei wird der Beginn eines Spannungspulses durch das Ausgangssignal 7a des Komparators 3 vorgegeben und das Ende eines Spannungspulses durch das Steuersignal 1.
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Der Schalter 8 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels entspricht einem logischen Gatter, welches das Steuersignal 1 mit dem Ausgangssignal 7a des Komparators 3 verknüpft. Der Ausgang dieses Gatters führt zu dem Steuereingang des mit dem Heizelement in Reihe geschalteten Schalters 9.
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3 zeigt ein etwas detaillierteres Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind mit einem Heizelement 10 zwei als Transistoren ausgebildete Schalter 11, 12 in Reihe geschaltet. Einer dieser beiden Schalter 12 wird mit dem Steuersignal 1 betätigt, während der andere Schalter 11 durch das Ausgangssignal 7b des Komparators 3 gesteuert wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 ist das temperaturabhängige Spannungssignal 6 an dem nicht-invertierenden Eingang (+) des Komparators 3 angelegt, so dass sich in 4 ein entsprechend anderer Verlauf des Ausgangssignals 7b des Komparators 3 ergibt.
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Bei der Steuerschaltung des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels ist ein Signalgenerator 13 zum Erzeugen des Steuersignals 1 über einen ersten Schaltungszweig an den Steuereingang des Transistorschalters 12 angeschlossen. Ein Eingang des Komparators 3 ist über einen zweiten Schaltungszweig mit dem Signalgenerator 13 verbunden. An dem anderen Eingang des Komparators 3 liegt das temperaturabhängige Spannungssignal 6 eines Temperatursensors 5 an. Der Ausgang des Komparators 3 ist mit dem Steuereingang des zweiten mit dem Heizelement 10 in Reihe geschalteten Schalters 11 verbunden.
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Das von dem Pulsgenerator 13 erzeugte Steuersignal 1 wird von einem Verzweigungspunkt 14 aus über die Leitung 15 an den Steuereingang des mit dem Heizelement 10 in Reihe geschalteten Transistorschalters 12 angelegt. In einem weiteren Zweig der Steuerschaltung wird das Steuersignal 1 über einen Hochpass und einen Tiefpass an einen Eingang des Komparators 3 angelegt. Der Hochpass wird von dem Kondensator C2, der Tiefpass von dem Kondensator C1 gebildet.
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An dem anderen Eingang des Komparators 3 liegt das temperaturabhängige Spannungssignal 6 des Temperatursensors 5 an. Der Temperatursensor ist als ein NTC-Widerstand ausgebildet, der zusammen mit dem Widerstand R1 eine Spannungsteilerschaltung bildet. An dem zweiten Eingang des Komparators 3 liegt deshalb eine umso größere Spannung an, je höher die Temperatur ist. Zur Einstellung des Schwellenwerts, bei dem zur Leistungsbegrenzung eine temperaturbedingte Verkürzung der Spannungspulse eintritt, wird bei der Erzeugung des periodischen Spannungssignals 4 ein Gleichspannungsanteil hinzuaddiert. Dieser Gleichspannungsanteil kann durch geeignete Wahl der einen Spannungsteiler bildeten Widerstände R2 und R3 eingestellt werden.
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Der Ausgang des Komparators 3 ist mit dem zweiten Transistorschalter 11 verbunden, der mit dem Heizwiderstand 10 in Reihe geschaltet ist. Auf diese Weise liegt an dem Heizwiderstand 10 die Versorgungsspannung einer Quelle 16 nur dann an, wenn beide Transistorschalter 11, 12 gleichzeitig leitend sind.
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Die Transistorschalter 11, 12 sperren bei diesem Ausführungsbeispiel, wenn an ihrem Steuereingang positives Potential anliegt. Der Schalter 11 ist also leitend, wenn das Steuersignal auf Masse liegt, d. h. den Wert Null hat. Ebenso ist der Schalter 12 leitend, wenn das Ausgangssignal 7b des Komparators 3 den Wert Null hat. Die Dauer der Spannungspulse wird somit durch den Überlappbereich des Steuersignals 1 und des Ausgangssignals 7b des Komparators 3, in dem beide Signale den Wert Null haben bestimmt. Der Beginn eines Spannungspulses wird dabei durch die abfallende Flanke des Steuersignals 1 und das Ende eines Spannungspulses durch die Ansteigende Flanke des Ausgangssignals 7b des Komparators 3 festgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steuersignal
- 2
- Tiefpass
- 3
- Komparator
- 4
- Periodisches Spannungssignal
- 5
- Temperatursensor
- 6
- Temperaturabhängiges Spannungssignal
- 7a, 7b
- Ausgangssignal des Komparators
- 8
- Schalter
- 9
- Transistor
- 10
- Heizwiderstand
- 11, 12
- Transistorschalter
- 13
- Signalgenerator
- 14
- Verzweigungspunkt
- 15
- Leitung
- 16
- Quelle
- C1
- Kondensator Tiefpass
- C2
- Kondensator Hochpass
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
