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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsanordnung zum Steuern einer Heizeinrichtung eines Kraftstofffilters sowie eine Heizeinrichtung mit einer solchen elektrischen Schaltungsanordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftstofffilter mit einer solchen Heizeinrichtung.
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In elektrischen Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von Kraftstoffheizern mit elektrischen Heizelementen wird in der Regel ein Thermoschalter, typischerweise in Form eines sogenannten Bimetallschalters, verwendet. In der Regel ist ein solcher Thermoschalter elektrisch in Reihe zu den elektrischen Heizelementen geschaltet und schaltet bei Bedarf besagte Heizelemente wahlweise ein oder aus, je nachdem, ob Heizleistung erzeugt werden soll oder nicht.
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Aufgrund besagter elektrischer Reihenschaltung von Heizelementen und Thermoschalter strömt der gesamte elektrische Heizstrom auch durch den Thermoschalter. Daher muss der Thermoschalter, um die auftretenden elektrischen Lastströme tragen zu können, entsprechend groß dimensioniert werden, was für die Schaltungsanordnung mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden ist. Zudem kann es im Thermoschalter beim Schaltvorgang zu elektrischen Spannungsspitzen, welche den Verschleiß des Thermoschalters verstärken. In der Folge wird die Lebensdauer des Thermoschalters in nicht unerheblichem Maße verringert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform einer elektrischen Schaltungsanordnung zu schaffen, bei welcher oben genannte Nachteile nicht mehr auftreten.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine elektrische Schaltungsanordnung zum Steuern einer Heizeinrichtung mit zwei elektrischen Leitungspfaden zu versehen, wobei ein erster Leitungspfad zum Versorgen der elektrischen Heizelemente mit elektrischer Energie ausgebildet ist und ein zweiter elektrischer Leitungspfad zum Steuern des elektrischen Leitungspfads mit den elektrischen Heizelemente dient. Hierzu ist im ersten elektrischen Leitungspfad ein als elektrischer Schalter wirkender Leistungstransistor angeordnet, mit welchem die im ersten elektrischen Leitungspfad angeordneten elektrischen Heizelemente wahlweise ein- oder ausgeschaltet werden können. Durch den als elektrischen Schalter wirkenden Leistungstransistor können dabei hohe elektrische Ströme fließen, wie sie zum Betrieb der elektrischen Heizelemente und zur Erzeugung einer entsprechend hohen Heizleistung erforderlich sind, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung des Leistungstransistors, insbesondere beim Ein- oder Ausschalten der Heizelemente, besteht.
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Die Steuerung des Leistungstransistors erfolgt erfindungsgemäß mit Hilfe eines Thermoschalters, welcher mit einem Steuerungsanschluss, dem sogenannten „Gate“, des Leistungstransistors verbunden ist, um diesen in der Art eines Schalters zwischen einem geöffneten und einem geschlossenen Zustand umzuschalten. Bevorzugt ist der Thermoschalter ein Bimetallschalter oder ein Schalter auf Basis einer Formgedächtnislegierung. Der geschlossene Zustand des Leistungsschalters wird in Fachkreisen als „Sperrzustand“ bzw. „Sperren“ bezeichnet. Die hier vorgestellte Schaltungsanordnung ist dabei derart realisiert, dass der Thermoschalter in einem geöffneten Zustand den Leistungstransistor ebenfalls in einen geöffneten Zustand umschaltet und in einem geschlossenen Zustand den Leistungstransistor ebenfalls in einen geschlossenen Zustand umschaltet. Denkbar ist aber auch eine umgekehrte Verschaltung von Thermoschalter und Leistungstransistor, derart, dass der Thermoschalters im geöffneten Zustand den Leistungstransistor in den geschlossenen Zustand umschaltet und den Leistungstransistor in einem geschlossenen Zustand in einen geöffneten Zustand umschaltet. Bei beiden Varianten ist zum Umschalten des Leistungstransistors ein nur sehr geringer elektrischer Steuerungsstrom durch den zweiten elektrischen Leitungspfad erforderlich, der nur einen Bruchteil des durch den ersten Leitungspfad strömenden elektrischen Versorgungsstroms für die elektrischen Heizelemente beträgt. Die eingangs erwähnte Beschädigung oder gar Zerstörung des Thermoschalters aufgrund zu hoher elektrischer Stromänderungen beim Umschalten zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand kann auf diese Weise vermieden werden. Auch kann der Thermoschalter zum Tragen deutlich geringer elektrischer Ströme dimensioniert werden, was erhebliche Kostenvorteile zur Folge hat.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung zum Steuern einer Heizeinrichtung eines Kraftstofffilters umfasst einen ersten elektrischen Leitungspfad und einen zweiten elektrischen Leitungspfad. Im ersten elektrischen Leitungspfad sind wenigstens ein elektrisches Heizelement und elektrisch zu diesem in Reihe geschaltet ein steuerbarer, insbesondere ein Feldeffekt-Transistor, angeordnet. Der Leistungstransistor ist zwischen einem geöffneten Zustand, in welchem er den ersten elektrischen Leitungspfad elektrisch unterbricht, und einem geschlossenen Zustand, in welchem diese Unterbrechung aufgehoben ist, umschaltbar. Im zweiten elektrischen Leitungspfad ist ein Thermoschalter angeordnet, welcher zwischen einem geöffneten Zustand, in welchem er den zweiten elektrischen Leitungspfad elektrisch unterbricht, und einem geschlossenen Zustand, in welchem diese Unterbrechung aufgehoben ist, umschaltbar ist. Erfindungsgemäß wirkt der zweite elektrische Leitungspfad derart mit dem Leistungstransistor zusammen, dass dieser in Abhängigkeit von dem im Thermoschalter eingestellten Zustand zwischen dem geöffneten und geschlossenen Zustand umschaltet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite elektrische Leitungspfad parallel zum ersten elektrischen Leitungspfad geschaltet. Dies erlaubt es, die beiden elektrischen Leitungspfade über dieselbe elektrische Spannungsquelle mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite elektrische Leitungspfad zum Umschalten des Leistungstransistors elektrisch mit einem Steuerungsanschluss des Leistungstransistors verbunden. Dies ermöglicht ein einfaches Steuern des Leistungstransistors durch Umschalten des Thermoschalters zwischen seinem geöffneten und seinem geschlossenen Zustand.
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Technisch besonders einfach realisieren lässt sich diese elektrische Verbindung zwischen Thermoschalter und Leistungstransistor mittels eines dritten elektrischen Leitungspfads. Dieser zweigt zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Widerstand, die beide elektrisch zueinander in Reihe geschaltet im zweiten elektrischen Leitungspfad angeordnet sind, vom zweiten elektrischen Leitungspfad ab. Der dritte elektrische Leitungspfad ist bei dieser Variante elektrisch mit dem Steuerungsanschluss des Leitungstransistors verbunden.
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Zweckmäßig sind die beiden elektrischen Widerstände als ohmsche Widerstände realisiert. Die beiden elektrischen Widerstände können bei dieser Variante einen elektrischen Spannungsteiler ausbilden. Ist der zweite elektrische Leitungspfad elektrisch mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden und befindet sich der Thermoschalter im geschlossenen Zustand, so bilden die beiden Widerstände einen elektrischen Spannungsteiler derart aus, dass die am Steuerungsanschluss des Leistungstransistors abfallende elektrische Spannung diesen in den geöffneten oder geschlossenen Zustand umschaltet.
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Zweckmäßig kann der Thermoschalter elektrisch in Reihe zu den beiden elektrischen Widerständen im zweiten elektrischen Leitungspfad angeordnet sein. Auf diese Weise kann der Verdrahtungsaufwand zur Herstellung der elektrischen Schaltungsanordnung gering gehalten werden.
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Bevorzugt ist der Leistungstransistor ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET). Dies erlaubt die Führung eines sehr hohen elektrischen Stroms, wie dieser zum Betreiben von Heizelementen erforderlich ist.
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Besonders bevorzugt weist der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor einen elektrischen Durchgangswiderstand von höchstens 20 mOhm, vorzugsweise von höchstens 18mOhm, auf. Diese Eigenschaft des Leistungstransistors stellt sicher, dass die am Leistungstransistor abfallende Verlustleistung gering gehalten werden kann.
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Werden die beiden zueinander parallel geschalteten elektrischen Leitungspfade an dieselbe elektrische Spannungsquelle angeschlossen oder mit derselben elektrischen Versorgungsspannung versorgt, so muss sichergestellt werden, dass nur ein geringer elektrischer Strom durch den zweiten elektrischen Leitungspfad strömt, um eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Thermoschalters zu verhindern. Daher wird in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, den ersten elektrischen Leitungspfad mit einem ersten elektrischen Leitungspfadwiderstand zu versehen, der höchstens ein Hundertstel eines zweiten elektrischen Leitungspfadwiderstands des zweiten elektrischen Leitungspfads beträgt.
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Besonders zweckmäßig ist der erste elektrische Leitungspfad mit dem Leistungstransistor zum Führen eines elektrischen Stroms von bis zu 18 Ampere ausgebildet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass von den im ersten elektrischen Leitungspfad angeordneten elektrischen Heizelementen die gewünschte, hohe Heizleistung bereitgestellt werden kann.
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Besonders zweckmäßig sind im ersten elektrischen Leitungspfad elektrisch in Reihe zum Leistungstransistor wenigstens zwei elektrische Heizelemente angeordnet. Bei dieser Variante sind wenigstens zwei vorhandene Heizelemente elektrisch parallel zueinander geschaltet. Mit Hilfe einer solchen Parallelschaltung kann die elektrische Versorgungsspannung zum Versorgen der elektrischen Heizelemente mit elektrischer Energie relativ niedrig gehalten werden.
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Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine elektrische Heizelement als PTC-Heizelement realisiert.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Thermoschalter auf Basis einer Formgedächtnislegierung ausgebildet.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Heizeinrichtung mit einer vorangehend vorgestellten elektrischen Schaltungseinrichtung.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Kraftstofffilter, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer solchen Heizeinrichtung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine aus dem Stand der Technik bekannte elektrische Schaltungsanordnung für eine Heizeinrichtung in schaltplanartiger Darstellung,
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2 eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung für eine Heizeinrichtung in schaltplanartiger Darstellung.
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1 zeigt in einer schaltplanartigen Darstellung ein Beispiel einer herkömmlichen elektrischen Schaltungsanordnung 100 zum Steuern einer Heizeinrichtung eines Kraftstofffilters. Diese umfasst einen elektrischen Leitungspfad 101, welcher einenends mit einem Massepotential 105 und anderenends mit einer eine elektrische Versorgungsspannung bereitstellenden elektrischen Spannungsquelle 106 verbunden sein kann. im elektrischen Leitungspfad 101 sind parallel zueinander geschaltet zwei elektrische Heizelemente 103, beispielsweise realisiert als PTC-Heizelemente, angeordnet. Elektrisch in Reihe geschaltet zu diesen beiden Heizelementen 103 ist ein Thermoschalter in Form eines Bimetallschalters 102, der als Temperaturschalter wirkt. Dies bedeutet, dass er bei Unterschreiten einer bestimmten Schwell-Umgebungstemperatur in einen geöffneten Zustand umschaltet, in welcher ein elektrischer Strom I von der Spannungsquelle 106 zum Massepotential 105 fließen kann. Besagter elektrischer Strom I fließt auch durch die elektrischen Heizelemente 103, so dass diese ihrer Umgebung eine elektrische Heizleistung bereitstellen können. Bei Überschreiten einer vorbestimmten Schwell-Temperatur schaltet der Bimetallschalter 102 in einen geöffneten Zustand, in welchem der elektrische Leitungspfad 101 elektrisch unterbrochen ist, so dass kein elektrischer Strom I mehr durch die elektrischen Heizelemente 103 strömen kann. In diesem Zustand stellen die Heizelemente 103 ihrer Umgebung keine Heizleistung bereit. Für den Betrieb der elektrischen Heizelemente 103 ist typischerweise ein elektrischer Strom von bis zu 20 Ampere erforderlich, welcher bei der elektrischen Schaltungsanordnung 100 zwangsweise auch durch den Bimetallschalter 102 strömt. Dies bedeutet, dass der Bimetallschalter 102 entsprechend groß dimensioniert werden muss, was mit zusätzlichen Herstellungskosten verbunden ist. Auch die besteht die Gefahr eingangs erwähnter elektrischer Spannungsspitzen beim Umschalten.
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Dieses Problem ist bei der hier vorgestellten, erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1, die im Folgenden anhand der 2 erläutert wird, behoben.
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2 illustriert in einer schaltplanartigen Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung 1, die zum Steuern einer Heizeinrichtung eines Kraftstofffilters eingesetzt werden kann. Hierzu besitzt die elektrische Schaltungsanordnung 1 einen ersten elektrischen Leitungspfad 2a und einem elektrisch parallel zum ersten elektrischen Leitungspfad 2a geschalteten, zweiten elektrischen Leitungspfad 2b. Beide elektrische Leitungspfade 2a, 2b verbinden einen gemeinsamen Spannungsanschluss 6, der mit einer elektrischen Spannungsquelle 14 verbindbar ist, mit einem Massepotential 7. Der zweite elektrische Leitungspfad 2b kann in einem Abzweigpunkt 11 vom ersten elektrische Leitungspfad 2a abzweigen (vgl. 2) oder umgekehrt (nicht gezeigt). Denkbar ist auch eine getrennte Anordnung der zwei Leitungspfade 2a, 2b durch Anschluss an separate elektrische Spannungsquellen (nicht gezeigt).
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Im ersten elektrischen Leitungspfad 2a sind in Form einer Parallelschaltung zwei elektrische Heizelemente 3 angeordnet. In Varianten des Beispiels kann auch eine andere Anzahl an Heizelementen 3 vorgesehen sein. Zu den Heizelementen 3 ist ein steuerbarer Leistungstransistor 4 elektrisch in Reihe geschaltet, der vorzugsweise als Feldeffekt-Transistor 5 ausgebildet ist. Der Leistungstransistor 4 ist zwischen einem geöffneten Zustand, in welchem er den ersten elektrischen Leitungspfad 2a elektrisch unterbricht, und einem geschlossenen Zustand, in welchem diese Unterbrechung aufgehoben ist, umschaltbar. Hierzu weist der Leistungstransistor 4 einen Steuerungsanschluss 8 auf, der dem einschlägigen Fachmann als „Gate“ bekannt ist. Selbst wenn am elektrischen Spannungsanschluss 6 eine elektrische Heizspannung V0 anliegt, kann im geöffneten Zustand des Leistungstransistors kein elektrischer Heizstrom IH durch die elektrischen Heizelemente 3 strömen, d.h. diese sind ausgeschaltet und erzeugen folglich keine Heizleistung. Im geschlossenen Zustand des Leistungstransistors 4 kann hingegen ein elektrischer Heizstrom IH durch die elektrischen Heizelemente 3 strömen, so dass diese Heizleistung erzeugen. Mit anderen Worten, der Leistungstransistor 4 folgt dem Wirkprinzip eines Leistungsschalters.
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Aufgrund der Verwendung eines Leistungstransistors 4 kann der erste elektrische Leitungspfad 2a einen zum Betrieb der Heizelemente 3 erforderlichen elektrischen Heizstrom IH von bis zu 18 Ampere führen. Der Leistungstransistor 4 ist vorzugsweise als Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) realisiert. Bevorzugt weist der Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor einen elektrischen Durchgangswiderstand von höchstens 20 mOhm, vorzugsweise von höchstens 18mOhm, auf.
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Im zweiten elektrischen Leitungspfad ist ein Thermoschalter in Form eines Bimetallschalters 9 angeordnet, welcher zwischen einem geöffneten Zustand, in welchem er den zweiten elektrischen Leitungspfad 2b elektrisch unterbricht, und einem geschlossenen Zustand, in welchem diese Unterbrechung aufgehoben ist, umschaltbar ist. Anstelle des Bimetallschalters 9 kann auch ein Thermoschalter auf Basis einer Formgedächtnislegierung verwendet werden. 2 zeigt den Bimetallschalter 9 exemplarisch im geöffneten Zustand. Bei Verwendung in einer Heizeinrichtung eines Kraftstofffilters ist der Bimetallschalter 9 bevorzugt als Temperaturschalter ausgebildet, d.h. er schaltet in Abhängigkeit seiner Temperatur selbsttätig zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand um.
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Der zweite elektrische Leitungspfad 2b wirkt derart mit dem Leistungstransistor 4 bzw. dem Feldeffekttransistor 5 zusammen, dass der Leistungstransistor 4 bzw. Feldeffekttransistor 5 in Abhängigkeit von dem im Bimetallschalter 9 eingestellten Zustand zwischen dem geöffneten und geschlossenen Zustand umschaltet. Bevorzugt ist eine Variante, bei welcher der Leistungstransistor 4 bei geöffnetem Bimetallschalter 9 sperrt, sich also in dem geöffneten Zustand befindet. Bei geschlossenem Zustand des Bimetallschalters 9 ist dieser Sperrzustand aufgehoben, d.h. der Leistungstransistor 4 befindet sich im geöffneten Zustand. Denkbar ist bei geeigneter Verdrahtung des Steuerungsanschlusses 8, insbesondere mit dem zweiten elektrischen Leitungspfad 2b, auch eine umgekehrte Zuordnung, d.h. der Leistungstransistor 4 befindet sich bei geschlossenem Bimetallschalter 9 im geöffneten Zustand und umgekehrt.
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Gemäß 2 ist der zweite elektrische Leitungspfad 2b zum Umschalten des Leistungstransistors 4 elektrisch mit dem Steuerungsanschluss 8 des Leistungstransistors 4 verbunden. Hierzu ist ein dritter elektrischer Leitungspfad 2c vorgesehen, der in einem Abzweigpunkt 12 zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Widerstand 10a, 10b, die beide elektrisch zueinander in Reihe geschaltet im zweiten elektrischen Leitungspfad angeordnet 2b sind, vom zweiten elektrischen Leitungspfad 2b abzweigt. Der dritte elektrische Leitungspfad 2c ist elektrisch mit dem Steuerungsanschluss 8 des Leitungstransistors 4 verbunden. Wie 2 anschaulich belegt, ist der Bimetallschalter 9 elektrisch in Reihe zu den beiden elektrischen Widerständen 10a, 10b im zweiten elektrischen Leitungspfad 2b angeordnet. Die beiden elektrischen Widerstände 10a, 10b sind bevorzugt als ohmsche Widerstände realisiert. Ist der elektrische Spannungsanschluss 6 elektrisch mit einer elektrischen Spannungsquelle 14 verbunden, so dass der elektrische Spannungsanschluss 6 auf einem von Null verschiedenen elektrischen Potential V0 liegt, und befindet sich der Bimetallschalter 9 im geschlossenen Zustand, so dass ein elektrischer Strom I0 vom elektrische Spannungsanschluss 6 über den zweiten elektrischen Leitungspfad 2b zum Massepotential 7 fließen kann, so bilden die beiden elektrischen Widerstände 10a, 10b einen elektrischen Spannungsteiler aus. Bei geeigneter Dimensionierung des Spannungsteilers – beispielsweise kann der der erste elektrische Widerstand 10a einen Wert von ca. 47 kOhm und der zweite elektrische Widerstand 10b einen Wert von ca. 1 kOhm aufweisen – fällt am Steuerungsanschluss 8 diejenige elektrische Spannung ab, die erforderlich ist, um den Leistungstransistor 4 in den geöffneten oder geschlossenen Zustand umzuschalten. Für den Fall, dass der Bimetallschalter 9 sich im geöffneten Zustand befindet, ist der Steuerungsanschluss 8 potentialfrei, so dass der Leistungstransistor 4 in den geschlossenen bzw. geöffneten Zustand geschaltet ist. Der Steuerungsanschluss 8 kann mittels einer Diode 15 gegen elektrische Spannungsspitzen etc. geschützt werden.
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Vorzugsweise weist der erste elektrische Leitungspfad 2a einen ersten elektrischen Leitungspfadwiderstand R1 auf, der höchstens ein Hundertstel eines zweiten elektrischen Leitungspfadwiderstands R2 des zweiten elektrischen Leitungspfad 2b beträgt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass nahezu der gesamte elektrische Heizstrom IH durch den ersten elektrischen Leitungspfad 2b mit dem hierfür ausgelegten Leistungstransistor 4 strömt und nicht durch den zweiten elektrischen Leitungspfad 2b mit dem Bimetallschalter 9. Eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Bimetallschalters 9 durch einen zu hohen elektrischen Stromfluss oder elektrische Spannungsspitzen beim Umschalten des Bimetallschalters 9 wird auf diese Weise weitgehend oder sogar vollständig vermieden.
