DE102015202929A1

DE102015202929A1 - driving

Info

Publication number: DE102015202929A1
Application number: DE102015202929.8A
Authority: DE
Inventors: Joachim Degen
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-18

Abstract

Eine Ansteuereinrichtung für einen elektrischen Verbraucher umfasst eine steuerbare Spannungsquelle zur Bereitstellung einer Gleichspannung für den Verbraucher, einen Stromsensor zur Bestimmung eines durch den Verbraucher fließenden Stroms und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Spannungsquelle, um den durch den Verbraucher fließenden Strom auf einen vorbestimmten Wert zu steuern.A drive device for an electrical load comprises a controllable voltage source for providing a DC voltage to the load, a current sensor for determining a current flowing through the load, and a control device for controlling the voltage source to control the current flowing through the load to a predetermined value.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuereinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ansteuereinrichtung zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise durch eine Steuereinrichtung. The invention relates to a drive device. In particular, the invention relates to a drive device for driving an electrical load, for example by a control device.

Eine Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, einen Verbraucher in Abhängigkeit einer Steueraufgabe ein- oder auszuschalten. Die Steuereinrichtung kann in einem stationären System oder an Bord eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs, eines Schiffes oder eines Flugzeugs angeordnet sein. Beispielsweise kann der Verbraucher einen Gleichstrommotor oder einen Haltemagneten eines Aktors oder ein Relais umfassen. A control device is set up to switch a consumer on or off as a function of a control task. The control device can be arranged in a stationary system or on board a motor vehicle, in particular a vehicle, a ship or an aircraft. For example, the consumer may include a DC motor or a holding magnet of an actuator or a relay.

Der Verbraucher kann einen variablen Widerstand aufweisen, beispielsweise in Abhängigkeit einer Temperatur. Außerdem kann eine Bord- oder Versorgungsspannung, die zum Betrieb des Verbrauchers zur Verfügung steht, zeitweise einbrechen oder über dem Nennwert liegen. Um den Verbraucher stets betriebssicher anzusteuern, kann er mit einem konstanten Strom beaufschlagt werden, sodass sowohl eine variable Betriebsspannung als auch ein sein sich ändernder Widerstand praktisch kompensiert werden. The consumer may have a variable resistance, for example as a function of a temperature. In addition, an on-board or supply voltage, which is available for the operation of the consumer, temporarily break or exceed the nominal value. In order to always drive the load reliably, it can be acted upon by a constant current, so that both a variable operating voltage and its changing resistance are virtually compensated.

Zur Stromregelung wird häufig ein sekundärseitiger Schaltregler mit der Steuereinrichtung aufgebaut. Dabei tastet die Steuereinrichtung einen durch den Verbraucher fließenden Strom ab und steuert in Abhängigkeit des Stromsignals ein Stromventil pulsweitenmoduliert an, um den Verbraucher mit einer Spannung zu versorgen, die den geforderten Strom durch den Verbraucher bewirkt. Der Verbraucher, insbesondere wenn er induktiv ist, ist hierbei Teil der Regelschaltung. Eine übliche Steuereinrichtung erlaubt jedoch nur eine niedrige Schalt- bzw. Modulationsfrequenz und eine leistungsfähigere Steuereinrichtung oder ein Signalprozessor sind kostspielig. Außerdem kann durch den sekundärseitigen Schaltregler eine elektrische Leitung zum Verbraucher elektromagnetische Störungen abstrahlen. Dies kann insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs, wo lange Zuleitungen dicht gebündelt liegen können, zu Unverträglichkeiten führen. For current regulation, a secondary-side switching regulator is often constructed with the control device. In this case, the control device scans a current flowing through the load and controls a current valve in response to the current signal pulse width modulated to supply the consumer with a voltage that causes the required current through the consumer. The consumer, in particular if it is inductive, is part of the control circuit. However, a conventional controller allows only a low switching or modulation frequency and a more powerful controller or signal processor are expensive. In addition, by the secondary-side switching regulator, an electrical line to the consumer emit electromagnetic interference. This can lead to incompatibilities, in particular on board a motor vehicle, where long supply lines can be tightly bundled.

Zur Verringerung der Abstrahlungen kann das Rechtecksignal zur Ansteuerung des Stromventils in Richtung eines Sinussignals „verschliffen“ werden, so dass es weniger Oberwellen aufweist. Ist das Stromventil beispielsweise als Feldeffekttransistor oder IGBT ausgeführt, können seine internen Widerstände dabei eine gesteigerte Erwärmung bewirken. Diese Wärme muss einerseits in Form elektrischer Energie aufgebracht und andererseits abgeführt werden, beispielsweise mittels eines Kühlkörpers. Außerdem kann bei nicht rechteckförmiger Ansteuerung des Stromventils die Bestimmung des Effektivwerts des durch den Verbraucher fließenden Stroms aufwändig sein. To reduce the emissions, the square wave signal for driving the flow control valve can be "seared" in the direction of a sinusoidal signal so that it has fewer harmonics. If the flow control valve is designed as a field-effect transistor or IGBT, for example, its internal resistances can cause an increased heating. This heat must be applied on the one hand in the form of electrical energy and on the other hand be removed, for example by means of a heat sink. In addition, in non-rectangular control of the flow control valve, the determination of the effective value of the current flowing through the load can be complex.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Ansteuereinrichtung für die elektrische Last bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Ansteuereinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. The present invention has for its object to provide an improved drive device for the electrical load. The invention solves this problem by means of a drive device with the features of the independent claim.

Eine Ansteuereinrichtung für einen elektrischen Verbraucher umfasst eine steuerbare Spannungsquelle zur Bereitstellung einer Gleichspannung für den Verbraucher, einen Stromsensor zur Bestimmung eines durch den Verbraucher fließenden Stroms und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Spannungsquelle, um den durch den Verbraucher fließenden Strom auf einen vorbestimmten Wert zu steuern. A drive device for an electrical load comprises a controllable voltage source for providing a DC voltage to the load, a current sensor for determining a current flowing through the load, and a control device for controlling the voltage source to control the current flowing through the load to a predetermined value.

Die Ansteuereinrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Spannungssteuerung, um einen vorbestimmten Strom durch den Verbraucher zu steuern. Der Verbraucher ist nicht mehr Teil der Ansteuereinrichtung, sodass seine Charakteristik einen verringerten Einfluss auf die Ansteuerung haben kann. Am Verbraucher wird statt einer Wechselspannung eine Gleichspannung bereitgestellt, sodass eine elektromagnetische Verträglichkeit gesteigert sein kann. Unter einer Gleichspannung wird hierbei eine Spannung verstanden, deren Restwelligkeit unter ca. 5%, bevorzugt unter 2%, weiter bevorzugt unter 1% beträgt. Durch die Gleichspannung kann im Vergleich zu einer bekannten pulsweitenmodulierten Wechselspannung die Abstrahlung elektromagnetischer Signale verringert werden. The driver operates on the principle of voltage control to control a predetermined current through the load. The consumer is no longer part of the control device, so that its characteristic can have a reduced influence on the control. At the consumer a DC voltage is provided instead of an AC voltage, so that an electromagnetic compatibility can be increased. A DC voltage is understood to mean a voltage whose residual ripple is less than about 5%, preferably less than 2%, more preferably less than 1%. By the DC voltage, the emission of electromagnetic signals can be reduced in comparison to a known pulse width modulated AC voltage.

In einer Ausführungsform ist die Spannungsquelle als Linearregler bzw. Linearsteuerung ausgeführt, beispielsweise mittels eines Bipolartransistors, der außerhalb seiner Sättigung angesteuert wird. Es kann auch ein integrierter linearer Spannungsregler verwendet werden, der zur Stromsteuerung passend beschaltet wird. Alternativ kann auch ein linearer Stromregler, wie er beispielsweise zur Ansteuerung von LEDs bekannt ist, eingesetzt werden. In one embodiment, the voltage source is designed as a linear regulator or linear controller, for example by means of a bipolar transistor, which is driven outside its saturation. An integrated linear voltage regulator suitable for current control can also be used. Alternatively, a linear current regulator, as it is known for example for driving LEDs, can be used.

In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform umfasst die Spannungsquelle einen Schaltwandler mit einem periodisch angesteuerten Stromventil und einem Energiespeicher. So kann ein Schaltregler bereitgestellt werden, der die Vorteile einer digitalen Ansteuerung eines Stromventils mit denen einer bereitgestellten Gleichspannung vereinen kann. Insbesondere kann den Schaltwandler eine hohe Effizienz im Bereich von bis zu ca. 80 bis 90 % oder noch mehr auszeichnen. Der Schaltwandler kann in seiner Ausgangsspannung rasch beeinflusst werden, sodass auch empfindliche Verbraucher mit kurzer Regelzeitkonstante angesteuert werden können. In another preferred embodiment, the voltage source comprises a switching converter with a periodically controlled flow control valve and an energy store. Thus, a switching regulator can be provided which can combine the advantages of a digital control of a flow control valve with those of a DC voltage provided. In particular, the switching converter can distinguish a high efficiency in the range of up to about 80 to 90% or even more. The switching converter can be influenced quickly in its output voltage, so that even sensitive consumers with short control time constant can be controlled.

Es ist ferner bevorzugt, dass der Schaltwandler primärgetaktet ist. Ein Aufwand zur Bereitstellung der Gleichspannung aus der getakteten Spannung kann dadurch verringert sein und der Verbraucher kann verringert auf den Schaltwandler rückwirken. Bevorzugterweise wird ein Schaltwandler ohne galvanische Trennung verwendet, wodurch ein großer oder schwerer induktiver Übertrager vermieden werden kann. It is further preferred that the switching converter is primary clocked. An effort to provide the DC voltage from the pulsed voltage can be reduced and the consumer can reduce the back pressure on the switching converter. Preferably, a switching converter is used without galvanic isolation, whereby a large or heavy inductive transformer can be avoided.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Energiespeicher eine Speicherdrossel umfasst. Dadurch kann der Schaltwandler insbesondere bezüglich seiner Stromventile einfacher aufgebaut sein als bei einer Ausführung mit einer Ladungspumpe. It is further preferred that the energy store comprises a storage choke. As a result, the switching converter can be constructed simpler, in particular with regard to its flow valves, than in the case of an embodiment with a charge pump.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Schaltwandler dazu eingerichtet ist, am Verbraucher eine höhere Gleichspannung als eine Versorgungsspannung zum Betrieb des Schaltwandlers bereitzustellen. It is further preferred that the switching converter is set up to provide the consumer with a higher DC voltage than a supply voltage for operating the switching converter.

Ein derartiger Schaltwandler wird auch Aufwärts-Wandler genannt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Versorgungsspannung kurz- oder längerfristig unter die bereitzustellende Gleichspannung abfallen kann. An Bord eines Kraftfahrzeugs kann dies beispielsweise während eines Anlassvorgangs eines elektrisch angelassenen Verbrennungsmotors vorkommen. Es ist besonders bevorzugt, dass der Schaltwandler dazu eingerichtet ist, die Gleichspannung aufrechtzuerhalten, solange die Versorgungsspannung in einem vorbestimmten Bereich um die Gleichspannung liegt. Beispielsweise kann der Nennwert der Versorgungsspannung bei ca. 12 Volt liegen, während sie, beispielsweise bei teilentladener Bordnetzbatterie oder starker Kälte, zeitweise auf ca. 6 Volt absinken oder, beispielsweise während eines Fremdstarts oder bei einem Fehler in einem Spannungsregler, bis zu 26 Volt betragen kann. Der Schaltwandler kann dazu eingerichtet sein, eine vorbestimmte Spannung von beispielsweise ca. 9 Volt am Verbraucher bereitzustellen, auch wenn die Versorgungsspannung im genannten Bereich schwankt. Such a switching converter is also called an up converter. This is particularly advantageous when the supply voltage can drop short or longer term under the DC voltage to be provided. On board a motor vehicle, this can occur, for example, during a starting process of an electrically started internal combustion engine. It is particularly preferred that the switching converter is adapted to maintain the DC voltage as long as the supply voltage is within a predetermined range around the DC voltage. For example, the nominal value of the supply voltage can be about 12 volts, while they, for example, at teilentladener Bordnetzbatterie or strong cold, temporarily drop to about 6 volts or, for example, during a third party startup or a fault in a voltage regulator, up to 26 volts can. The switching converter may be adapted to provide a predetermined voltage of, for example, about 9 volts at the load, even if the supply voltage fluctuates in said range.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass ein Verstärker zur Verstärkung eines Stromsignals des Stromsensors vorgesehen ist. Beispielsweise kann das Stromsignal einfach mittels eines Längswiderstands („Shunt“) bestimmt werden, wobei der Längswiderstand möglichst klein ist, sodass die am Längswiderstand in Wärme umgesetzte Leistung gering ist. Der Stromregler besitzt in den meisten Ausführungen eine Referenzspannungsquelle von 1,25 V. Vorteilhaft ist gemäß einer Ausführungsform eine Referenzspannungsquelle von kleiner als 1,25 V, da diese Spannung gleich dem Spannungsabfall über dem Längswiderstand ist und quadratisch in die Verlustleistung des Längswiderstands eingeht. It is further preferred that an amplifier is provided for amplifying a current signal of the current sensor. For example, the current signal can be determined simply by means of a series resistance ("shunt"), wherein the series resistance is as small as possible, so that the power converted to heat at the series resistance is low. The current regulator has in most embodiments a reference voltage source of 1.25 V. Advantageously, according to one embodiment, a reference voltage source of less than 1.25 V, since this voltage is equal to the voltage drop across the series resistance and square in the power loss of the series resistance.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Ansteuereinrichtung einen schaltbaren Teiler zur Verringerung des Stromsignals des Stromsensors. Je nach Schaltzustand kann die Ansteuereinrichtung in diesem Fall zwei unterschiedliche, vorbestimmte Ströme bereitstellen. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, um an einem Elektromagneten einen großen Anzugsstrom, gefolgt von einem kleinen Haltestrom anzusteuern. Ist der Teiler aktiv, so wird der höhere Strom bewirkt, ist er hingegen durch seinen Schaltzustand deaktiviert bzw. überbrückt, so wird der geringere Strom bewirkt. Der schaltbare Teiler kann beispielsweise einen Spannungsteiler aus zwei Widerständen umfassen, von denen einer überbrückbar ist, etwa mittels eines Schalttransistors. In a further embodiment, the drive device comprises a switchable divider for reducing the current signal of the current sensor. Depending on the switching state, the drive device can provide two different, predetermined currents in this case. This can be useful, for example, to control a large starting current at an electromagnet, followed by a small holding current. If the divider is active, the higher current is effected, but if it is deactivated or bridged by its switching state, the lower current is effected. The switchable divider may for example comprise a voltage divider of two resistors, one of which is bridgeable, such as by means of a switching transistor.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Spannungsquelle einen von der Versorgungsspannung unabhängigen Freigabeeingang aufweist und der Verbraucher angesteuert wird, wenn der Freigabeeingang ein vorbestimmtes Signal aufweist. Im Unterschied zu einer üblichen Lösung, bei der die Versorgungsspannung der Spannungsquelle ein- bzw. ausgeschaltet wird, um den Verbraucher ein- bzw. auszuschalten, kann das Schalten der Verbraucherleistung außerhalb der Ansteuereinrichtung vermieden werden. Der Freigabeeingang ist üblicherweise deutlich hochohmiger als ein Eingang für die Versorgungsspannung. It is further preferred that the voltage source has a release input independent of the supply voltage and the load is activated when the enable input has a predetermined signal. In contrast to a conventional solution in which the supply voltage of the voltage source is switched on or off in order to switch the consumer on or off, the switching of the consumer power outside the control device can be avoided. The enable input is usually much higher impedance than an input for the supply voltage.

Wird ein Schaltwandler eingesetzt, so ist bevorzugt, dass dieser einen integrierten Schaltkreis umfasst. Der integrierte Schaltkreis kann dazu eingerichtet sein, mit wenigen externen Bauelementen zum Schaltwandler ergänzt zu werden. Dabei können Zusatzfunktionen wie beispielsweise ein Kurzschlussschutz durch den integrierten Schaltkreis implementiert werden. Ein aufwendiges Aufbauen des Schaltwandlers aus diskreten Bauelementen kann so vermieden werden. Durch den dedizierten, integrierten Aufbau kann einfach und kostengünstig eine hohe Abtastrate des Verbraucherstroms realisiert sein. Ein Abtastintervall kann im Vergleich mit einer üblichen, primärgetakteten Spannungsquelle beispielsweise im Bereich von ca. 20 μs statt bei ca. 1 bis 10 ms liegen. Durch die schnelle Abtastung kann ein schneller Schutz, beispielsweise gegen Kurz- oder Nebenschluss, realisiert sein. Eine Ansteuerfrequenz des Schaltwandlers kann ebenfalls hoch sein, sodass der Energiespeicher und/oder induktive oder kapazitive Entstörbauteile raumsparend und kostengünstig dimensioniert werden können. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise im Bereich von ca. 50 kHz bis ca. 3 MHz liegen. If a switching converter is used, it is preferred that this comprises an integrated circuit. The integrated circuit may be configured to be supplemented with a few external components to the switching converter. In this case, additional functions such as a short-circuit protection can be implemented by the integrated circuit. A complex construction of the switching converter of discrete components can be avoided. Due to the dedicated, integrated structure, a high sampling rate of the consumer current can be realized simply and cost-effectively. A sampling interval may be in the range of about 20 μs instead of about 1 to 10 ms, for example, in comparison with a conventional, primary-clocked voltage source. Due to the fast scanning, a fast protection, for example against short circuit or shunt, can be realized. A drive frequency of the switching converter can also be high, so that the energy storage and / or inductive or capacitive interference suppression components can be dimensioned to save space and cost. The switching frequency may be, for example, in the range of about 50 kHz to about 3 MHz.

Bevorzugterweise ist ferner eine Überwachungseinrichtung zur Abschaltung der Spannungsquelle vorgesehen, wenn ein Stromsignal des Stromsensors einen vorbestimmten Wert übersteigt. Diese Funktion kann innerhalb des integrierten Schaltkreises implementiert sein. Insbesondere in einer Ausführungsform, bei der ein Stromventil des Schaltwandlers außerhalb des integrierten Schaltkreises vorgesehen ist, beispielsweise aus Leistungsgründen, kann diese Funktionalität auch außerhalb des integrierten Schaltkreises implementiert sein. Preferably, a monitoring device for switching off the voltage source is further provided when a current signal of the current sensor exceeds a predetermined value. This function can be implemented within the integrated circuit. In particular, in an embodiment in which a current valve of the switching converter is provided outside the integrated circuit, for example for performance reasons, this functionality may also be implemented outside the integrated circuit.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen: The invention will now be described in more detail with reference to the attached figures, in which:

1 ein Blockschaltbild eines Steuersystems; 1 a block diagram of a control system;

2 ein verfeinertes Blockschaltbild einer Ansteuereinrichtung für das Steuersystem von 1; 2 a refined block diagram of a drive device for the control system of 1 ;

3 eine beispielhafte Ausführungsform einer Ansteuereinrichtung für das Steuersystem von 1; und 3 an exemplary embodiment of a drive device for the control system of 1 ; and

4 Verläufe von Ausgangsspannungen an einer Ansteuereinrichtung entsprechend 3
darstellt. 4 Curves of output voltages to a drive accordingly 3
represents.

1 zeigt ein Steuersystem 100, insbesondere an Bord eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Kraftwagens. Das Steuersystem 100 umfasst ein Steuergerät 105, eine Ansteuereinrichtung 110 und einen Verbraucher 115. Das Steuersystem 100 wird an einer Versorgungsspannung 120 betrieben. Das Steuergerät 105 ist dazu eingerichtet, die Ansteuereinrichtung 110 anzusteuern, um den Verbraucher 115 ein- oder auszuschalten. 1 shows a control system 100 , in particular on board a motor vehicle, such as a motor vehicle. The tax system 100 includes a controller 105 , a drive device 110 and a consumer 115 , The tax system 100 is connected to a supply voltage 120 operated. The control unit 105 is set up to the driving device 110 to drive to the consumer 115 switch on or off.

Die Ansteuereinrichtung 110 umfasst eine steuerbare Spannungsquelle 130, einen Stromsensor 135 und eine Steuereinrichtung 140. Die Ansteuereinrichtung 110 ist dazu eingerichtet, auf der Basis der Versorgungsspannung 120 am Verbraucher 115 eine Gleichspannung 125 bereitzustellen, sodass der durch den Verbraucher 115 fließende Strom auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird. Der Verbraucher 115 kann dabei eine beliebige Kombination aus resistiven, kapazitiven und induktiven Eigenschaften haben. The drive device 110 includes a controllable voltage source 130 , a current sensor 135 and a controller 140 , The drive device 110 is set up based on the supply voltage 120 at the consumer 115 a DC voltage 125 to be provided so that by the consumer 115 flowing current is controlled to a predetermined value. The consumer 115 can have any combination of resistive, capacitive and inductive properties.

Der Stromsensor 135 kann beispielsweise durch einen Längswiderstand realisiert sein. Die am Längswiderstand abfallende Spannung ist ein Maß für den durch den Verbraucher 115 fließenden Strom. Da der Verbraucher 115 an der Gleichspannung 125 betrieben wird, kann eine aufwendige Bestimmung eines Effektivstroms, wie er beispielsweise bei einer modulierten Betriebsspannung des Verbrauchers 115 erforderlich ist, entfallen. The current sensor 135 can be realized for example by a series resistance. The voltage dropping across the series resistor is a measure of the load applied by the consumer 115 flowing electricity. Because the consumer 115 at the DC voltage 125 is operated, can be a complex determination of an effective current, such as, for example, at a modulated operating voltage of the consumer 115 is required, omitted.

Die Steuereinrichtung 140 und die steuerbare Spannungsquelle 130 können teilweise oder vollständig miteinander integriert ausgeführt sein. Dazu können einer oder mehrere integrierte Schaltkreise verwendet werden. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung 140 einen Freigabeeingang 150 zum Abtasten eines Signals des Steuergeräts 105, das anzeigt, ob der Verbraucher 115 ein- oder ausgeschaltet werden soll. In einer anderen Ausführungsform kann das Steuergerät 105 die Versorgungsspannung 120 an Teile der Ansteuereinrichtung 110 bereitstellen, wenn der Verbraucher 115 angeschaltet werden soll. The control device 140 and the controllable voltage source 130 may be partially or fully integrated with each other. For this purpose one or more integrated circuits can be used. In the illustrated preferred embodiment, the control device comprises 140 an enable input 150 for sampling a signal of the controller 105 indicating if the consumer 115 should be switched on or off. In another embodiment, the controller 105 the supply voltage 120 to parts of the drive device 110 provide when the consumer 115 should be turned on.

Die steuerbare Spannungsquelle 130 kann in einer Ausführungsform als analoger Längsregler ausgeführt sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der durch den Verbraucher 115 fließende Strom relativ klein ist (zum Beispiel kleiner als 200 Milliampere und die Versorgungsspannung 120 stets mindestens um einen vorbestimmten Betrag über der minimalen Gleichspannung 125 liegt. Dieser Betrag ist üblicherweise durch den Längsregler vorgegeben und kann im Bereich von ca. 0,5 bis 2,5 Volt liegen. The controllable voltage source 130 may be implemented in one embodiment as an analogue longitudinal regulator. This can be advantageous in particular when the consumer 115 flowing current is relatively small (for example, less than 200 milliamps and the supply voltage 120 always at least by a predetermined amount above the minimum DC voltage 125 lies. This amount is usually given by the series regulator and can be in the range of about 0.5 to 2.5 volts.

In einer anderen Ausführungsform sind die Steuereinrichtung 140 und die Spannungsquelle 130 in einem linearen Stromregler zusammengefasst. Derartige Stromregler sind beispielsweise für den Betrieb von LED im Handel erhältlich. In another embodiment, the control device 140 and the voltage source 130 summarized in a linear current controller. Such current regulators are commercially available, for example, for the operation of LEDs.

Es ist bevorzugt, dass die Steuereinrichtung 140 und die Spannungsquelle 130 von einem Schaltwandler 155 umfasst sind. Der Schaltwandler 155 kann diskret, teilintegriert oder hochintegriert aufgebaut sein. Bevorzugterweise arbeitet der Schaltwandler 155, wie unten mit Bezug auf die 2 und 3 noch genauer erläutert wird, mit einem induktiven Energiespeicher, eine Ausführung als Ladungspumpe mit einem kapazitiven Energiespeicher ist jedoch ebenfalls möglich. Eine Taktung des Schaltwandlers 155 erfolgt auf der Primärseite. Eine galvanische Trennung der Versorgungsspannung 120 von der Gleichspannung 125 ist üblicherweise nicht vorgesehen. Je nach den vorliegenden Anforderungen, insbesondere in Abhängigkeit eines Verhältnisses der minimalen Versorgungsspannung 120 zur Gleichspannung 125 können beispielsweise ein Abwärtswandler („Buck Converter“; „Step Down Converter“), ein Aufwärtswandler („Boost Converter“; „Step Up Converter“), ein Inverswandler („Buck-Boost Converter“), ein Synchronwandler, ein SEPIC-Wandler, ein Ćuk-Wandler, ein Zeta-Wandler, ein Doppelinverter, ein Split-Pi-Wandler („Boost-Buck Converter“) oder ein kaskadierter Ab- Aufwärtswandler („Buck-Boost Converter“) eingesetzt werden. It is preferred that the control device 140 and the voltage source 130 from a switching converter 155 are included. The switching converter 155 can be discrete, semi-integrated or highly integrated. Preferably, the switching converter works 155 as below with reference to the 2 and 3 is explained in more detail, with an inductive energy storage, a design as a charge pump with a capacitive energy storage is also possible. One clocking of the switching converter 155 takes place on the primary side. A galvanic isolation of the supply voltage 120 from the DC voltage 125 is usually not provided. Depending on the requirements, in particular as a function of a ratio of the minimum supply voltage 120 to the DC voltage 125 For example, a "Buck Converter", a "Step Up Converter", a "Buck-Up Converter", a synchronous converter, a SEPIC converter can be used , a ucu converter, a zeta converter, a double inverter, a split-pi converter ("boost-buck converter") or a cascaded down-converter ("buck-boost converter") can be used.

Die Versorgungsspannung 120 hat üblicherweise einen Nennwert, beispielsweise 12 Volt. Ein Widerstand des Verbrauchers 115 kann einer externen Einflussgröße wie einer Temperatur unterworfen sein; ein Nennwiderstand des Verbrauchers 115 kann einen vorbestimmten Strom durch den Verbraucher 115 bei einer Gleichspannung 125 von beispielsweise 9 Volt bedingen. Ist zu erwarten, dass die Versorgungsspannung 120 unter diesen Wert einbrechen kann, so empfiehlt es sich, einen Wandlertyp zu wählen, der eine Aufwärtswandlung zulässt, das heißt, eine Gleichspannung 125, die über der Versorgungsspannung 120 liegt. The supply voltage 120 usually has a nominal value, for example 12 volts. A resistance of the consumer 115 can one be subjected to external influence such as a temperature; a nominal resistance of the consumer 115 can be a predetermined current through the consumer 115 at a DC voltage 125 of 9 volts, for example. It is expected that the supply voltage 120 below this value, it is advisable to choose a transducer type that allows an up-conversion, that is, a DC voltage 125 that is above the supply voltage 120 lies.

2 zeigt ein verfeinertes Blockschaltbild einer Ansteuereinrichtung 110 für das Steuersystem 100 von 1. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schaltwandler 155 als Abwärtswandler ausgeführt. Die Steuereinrichtung 140 umfasst einen integrierten Schaltkreis, der mit Hilfe weniger externer Bauelemente zum Schaltwandler 155 vervollständigt werden kann. Die Spannungsquelle 130 umfasst ein Stromventil 205, das beispielsweise als Feldeffekttransistor, MOSFET oder IGBT ausgeführt sein kann, einen Energiespeicher 210 des induktiven Typs, einen Glättungskondensator 215 und eine Zenerdiode 220 oder eine passende Diode. Der Energiespeicher 210 ist bevorzugt als Speicherdrossel ausgeführt. Bevorzugterweise ist ferner ein Entstörkondensator 225 über die Versorgungsspannung 120 vorgesehen, der bevorzugt räumlich nahe am Schaltwandler 155 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist außerdem ein RC-Glied 230 zur Abstimmung der Steuereinrichtung 140 vorgesehen. 2 shows a refined block diagram of a drive device 110 for the tax system 100 from 1 , In the present embodiment, the switching converter 155 designed as a down converter. The control device 140 includes an integrated circuit that uses fewer external components to the switching converter 155 can be completed. The voltage source 130 includes a flow control valve 205 , which may for example be designed as a field effect transistor, MOSFET or IGBT, an energy storage 210 of the inductive type, a smoothing capacitor 215 and a zener diode 220 or a matching diode. The energy storage 210 is preferably designed as a storage throttle. Preferably, there is also an interference suppression capacitor 225 over the supply voltage 120 provided, preferably spatially close to the switching converter 155 is arranged. In the illustrated embodiment is also an RC element 230 for tuning the control device 140 intended.

Die Steuereinrichtung 140 vergleicht ein am Stromsensor 135 abfallendes Stromsignal mit einem internen Referenzwert und steuert ein Tastverhältnis eines pulsweitenmodulierten Signals auf der Basis des Ergebnisses. Das modulierte Signal wird verwendet, um das Stromventil 205 binär anzusteuern. Die Taktfrequenz des modulierten Signals liegt bevorzugterweise außerhalb des hörbaren Bereichs oberhalb von 16 Kilohertz und weiter bevorzugt in einem Bereich oberhalb von ca. 40 Kilohertz. Je höher die Frequenz ist, desto kleiner können der Energiespeicher 210 und der Glättungskondensator 215 dimensioniert werden. Die Taktfrequenz kann bis zu mehreren Megahertz erreichen. The control device 140 compares to the current sensor 135 falling current signal with an internal reference value and controls a duty cycle of a pulse width modulated signal based on the result. The modulated signal is used to control the flow valve 205 binary control. The clock frequency of the modulated signal is preferably outside the audible range above 16 kilohertz, and more preferably in a range above about 40 kilohertz. The higher the frequency, the smaller the energy storage 210 and the smoothing capacitor 215 be dimensioned. The clock frequency can reach up to several megahertz.

Der Energiespeicher 210, unterstützt durch den Glättungskondensator 215 und die Zenerdiode 220, wandelt die gepulste Spannung des Stromventils 205 in die Gleichspannung 125 um. Diese bewirkt einen Stromfluss durch den Verbraucher 115, der mittels des Stromsensors 135 abgetastet wird, sodass der Regelkreis geschlossen ist. The energy storage 210 , supported by the smoothing capacitor 215 and the zener diode 220 , converts the pulsed voltage of the flow control valve 205 in the DC voltage 125 around. This causes a current flow through the consumer 115 , that by means of the current sensor 135 is sampled so that the control loop is closed.

In einer Ausführungsform kann zum Verpolungsschutz eine ausreichend spannungs- und stromfeste Diode zwischen dem Energiespeicher 210 und dem Verbraucher 115 vorgesehen werden. Alternativ, besonders bei höheren Strömen, kann auch ein MOSFET an diese Stelle geschaltet werden, der im Verpolungsfall gesperrt wird. Ein Spannungsabfall am MOSFET kann kleiner als an der Diode sein. In one embodiment, for reverse polarity protection, a sufficiently voltage and current-resistant diode between the energy storage 210 and the consumer 115 be provided. Alternatively, especially at higher currents, a MOSFET can be switched to this point, which is locked in Verpolungsfall. A voltage drop across the MOSFET may be smaller than at the diode.

Der Glättungskondensator 215 ist bevorzugterweise relativ groß dimensioniert und weist weiter bevorzugt einen niedrigen Serienwiderstand auf. Außerdem sollte der Glättungskondensator 215 rippelstromfest sein. Eine elektromagnetische Verträglichkeit der Ansteuereinrichtung 110 hängt maßgeblich vom Glättungskondensator 215 ab. Ist zwischen dem Energiespeicher 210 und dem Verbraucher 115 eine Diode platziert, wird zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit bevorzugterweise eine zusätzliche, ausreichend große Ausgangskapazität verbaut und/oder eine geeignete Suppressordiode parallel zum Ausgang geschaltet. The smoothing capacitor 215 is preferably relatively large and further preferably has a low series resistance. In addition, the smoothing capacitor should 215 be ripple current resistant. An electromagnetic compatibility of the drive device 110 depends largely on the smoothing capacitor 215 from. Is between the energy storage 210 and the consumer 115 placed a diode, is preferably installed to improve the electromagnetic compatibility, an additional, sufficiently large output capacitance and / or a suitable suppressor diode connected in parallel with the output.

Ein Kurzschlussschutz ist durch die Stromregelung automatisch gegeben, da der Ausgangsstrom auf den vorbestimmten Wert geregelt wird. Soll der Strom im Kurzschlussfall ganz abgeschaltet werden, muss die Spannung über dem Verbraucher 115 gemessen werden. Überschreitet diese Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert, so kann der Schaltwandler 155 abgeschaltet werden. Ein Kurzschluss zur Versorgungsspannung 120 kann erkannt werden, wenn der Schaltwandler 155 abgeschaltet ist, aber trotzdem eine Spannung am Stromsensor 135 abfällt. A short-circuit protection is automatically given by the current control, since the output current is controlled to the predetermined value. If the current is to be completely switched off in the event of a short circuit, the voltage must be above the load 115 be measured. If this voltage exceeds a predetermined threshold value, then the switching converter 155 be switched off. A short circuit to the supply voltage 120 can be detected when the switching converter 155 is switched off, but still a voltage on the current sensor 135 drops.

Die Ansteuereinrichtung 110 kann kompakt beispielsweise auf einer Leiterplatte aufgebaut werden, sodass Störungen, die im Bereich des Schaltwandlers 155 entstehen können, auf einen kleinen Bereich begrenzt sind. Gegebenenfalls können einzelne Störungen selektiv gedämpft bzw. berücksichtigt werden. Bei korrekter Entstörung der Ansteuereinrichtung 110 werden nur sehr geringe oder gar keine Störungen durch interne Schaltvorgänge auf eine eventuell lange Leitung zwischen dem Energiespeicher 210 und dem Verbraucher 115 übertragen. Sowohl leitungsgebundene als auch abgestrahlte Störungen können so verringert sein. The drive device 110 can be compact, for example, on a printed circuit board, so disturbances in the field of switching converter 155 can arise, are limited to a small area. Optionally, individual disturbances can be selectively damped or taken into account. With correct interference suppression of the control device 110 Only very little or no disturbances due to internal switching operations on a possibly long line between the energy storage 210 and the consumer 115 transfer. Both conducted and radiated disturbances can thus be reduced.

Die Ansteuereinrichtung 110 kann insgesamt Kosten verursachen, die mit einem üblichen Lowside-Schalter mit entsprechender Stromtragfähigkeit vergleichbar sind. Die Ansteuereinrichtung 110 kann eine hohe Effizienz aufweisen, wodurch eine Wärmeleistung gering sein kann. Maßnahmen zur Wärmeabfuhr können dementsprechend unaufwändig sein. The drive device 110 can result in a total cost that is comparable to a conventional lowside switch with corresponding current carrying capacity. The drive device 110 can have a high efficiency, whereby a heat output can be low. Measures for heat dissipation can be correspondingly uncomplicated.

3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Ansteuereinrichtung 110 für das Steuersystem 100 von 1. Exemplarisch ist die Ansteuereinrichtung 110 um einen integrierten Schaltkreis vom Typ MC34063A herum aufgebaut. Der Verbraucher 115 umfasst eine Spule, die beispielsweise zur Arretierung eines Gangwahlschalters an Bord eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. 3 shows an exemplary embodiment of a drive device 110 for the tax system 100 from 1 , An example is the control device 110 built around an MC34063A integrated circuit. The consumer 115 comprises a coil, which can be used for example for locking a gear selector switch on board a motor vehicle.

Im Unterschied zu der in 2 dargestellten Schaltung ist hier ein optionaler Verstärker 305 vorgesehen, um ein Stromsignal des Stromsensors 135 zu verstärken. Mittels eines Operationsverstärkers wird das Stromsignal beispielhaft um den Faktor 10 verstärkt, sodass der Widerstand des Stromsensors 135 um den gleichen Faktor verringert werden kann. Die Verlustleistung am Stromsensor 135 sinkt entsprechend. Unlike the in 2 The circuit shown here is an optional amplifier 305 provided to a current signal of the current sensor 135 to reinforce. By means of an operational amplifier, the current signal is amplified by a factor of 10, for example, so that the resistance of the current sensor 135 can be reduced by the same factor. The power loss at the current sensor 135 decreases accordingly.

In der hier dargestellten Ausführungsform ist das Stromventil 205 von der Steuereinrichtung 140 umfasst. Das Stromsignal wird mit einer intern erzeugten Referenzspannung von 1,25 Volt verglichen, um die oben mit Bezug auf 2 beschriebene Pulsweitenmodulation durchzuführen. In the embodiment shown here, the flow control valve 205 from the controller 140 includes. The current signal is compared to an internally generated reference voltage of 1.25 volts, with reference to the above 2 Perform described pulse width modulation.

4 zeigt Verläufe von Ausgangsspannungen an der Ansteuereinrichtung 110 von 3. Horizontal ist eine Zeit und vertikal ein Ausgangsstrom angetragen, wobei die dargestellten absoluten Werte exemplarisch sind. Der Strom durch den Verbraucher 115 wird beispielhaft auf ca. 1,23 Ampere geregelt. Dieses Ziel kann ab einer Versorgungsspannung 120 von ca. 7,5 Volt erreicht werden. Bei einer Versorgungsspannung 120 von 12 Volt beträgt der Rippel des Ausgangsstroms ca. 25 Milliampere. Durch Vergrößern des Glättungskondensators 215 in der Schaltung von 3 kann die Rippelamplitude gesenkt werden. 4 shows curves of output voltages at the drive device 110 from 3 , Horizontally, a time and vertically an output current is plotted, with the illustrated absolute values being exemplary. The electricity through the consumer 115 is exemplified to about 1.23 amps. This destination can be from a supply voltage 120 be reached by about 7.5 volts. At a supply voltage 120 of 12 volts, the ripple of the output current is about 25 milliamps. By enlarging the smoothing capacitor 215 in the circuit of 3 The ripple amplitude can be lowered.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Steuersystem control system
105 105: Steuergerät control unit
110 110: Ansteuereinrichtung driving
115 115: Verbraucher consumer
120 120: Versorgungsspannung supply voltage
125 125: Gleichspannung DC
130 130: steuerbare Spannungsquelle controllable voltage source
135 135: Stromsensor current sensor
140 140: Steuereinrichtung control device
150 150: Freigabeeingang enable input
155 155: Schaltwandler switching converters
205 205: Stromventil flow control valve
210 210: Energiespeicher energy storage
215 215: Glättungskondensator smoothing capacitor
220 220: Zenerdiode Zener diode
225 225: Entstörkondensator suppression capacitor
230 230: RC-Glied RC element
305 305: Verstärker amplifier

Claims

Control device ( 110 ) for an electrical consumer ( 115 ), wherein the drive device ( 110 ) comprises: - a controllable voltage source ( 130 ) for providing a DC voltage ( 125 ) for the consumer ( 115 ); A current sensor ( 135 ) for the determination by the consumer ( 115 ) flowing current; A control device ( 140 ) for controlling the voltage source ( 130 ) by the consumer ( 115 ) to control flowing current to a predetermined value.

Control device ( 110 ) according to claim 1, wherein the voltage source ( 130 ) a switching converter ( 155 ) with a periodically controlled flow valve ( 205 ) and an energy store ( 210 ).

Control device ( 110 ) according to claim 2, wherein the switching converter ( 155 ) is primary clocked.

Control device ( 110 ) according to claim 2 or 3, wherein the energy store ( 210 ) a storage choke ( 210 ).

Control device ( 110 ) according to one of claims 2 to 4, wherein the switching converter ( 155 ) is set up at the consumer ( 115 ) a higher DC voltage ( 125 ) as a supply voltage ( 120 ) for the operation of the switching converter ( 155 ).

Control device ( 110 ) according to any one of the preceding claims, further comprising an amplifier ( 305 ) for amplifying a current signal of the current sensor ( 135 ).

Control device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the current sensor ( 135 ) comprises a series resistor.

Control device ( 110 ) according to one of the preceding claims, further comprising a switchable divider for reducing a current signal of the current sensor ( 135 ).

Control device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the voltage source ( 130 ) one of the supply voltage ( 120 ) independent release input ( 150 ) and the consumer ( 115 ) is activated when the enable input ( 150 ) has a predetermined signal.

Control device ( 110 ) according to one of claims 2 to 9, wherein the switching converter ( 155 ) an integrated circuit ( 140 ).

Control device ( 110 ) according to one of the preceding claims, further comprising a monitoring device for switching off the voltage source ( 130 ) when a current signal of the Current sensors ( 135 ) exceeds a predetermined value.