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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Verfahren nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom Markt her bekannt sind Ansteuerschaltungen für Magnetspulen von elektromagnetischen Aktoren, wie sie beispielsweise für Einspritzventile von Brennkraftmaschinen verwendet werden. Damit kann eine Kraftstoffeinspritzung zylinderindividuell gesteuert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, sowie durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Verfahren nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines induktiven Elements, insbesondere eines elektromagnetischen Aktors, wobei ein erster Ausgangsknotenpunkt zum Anschluss des induktiven Elements mittels eines ersten Schalters mit einem ersten Potenzial einer Betriebsspannung verbindbar ist, und wobei ein zweiter Ausgangsknotenpunkt zum Anschluss des induktiven Elements mit einem zweiten Potenzial der Betriebsspannung verbindbar oder verbunden ist. Dabei ist der erste Ausgangsknotenpunkt mittels einer ersten Diode mit einem ersten Anschluss eines Kondensators verbunden, wobei ein zweiter Anschluss des Kondensators mit einem Bezugspotenzial verbunden ist, und wobei der erste Anschluss des Kondensators mittels eines zweiten Schalters mit dem zweiten Ausgangsknotenpunkt und/oder mit einem elektrischen Verbraucher verbindbar ist, und wobei mindestens eine zweite Diode vorgesehen ist, um den zweiten Ausgangsknotenpunkt von dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und/oder von dem ersten Anschluss des Kondensators zu entkoppeln.
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Der Begriff "Betriebsspannung" kann eine physikalische Spannungsquelle, beispielsweise eine Batterie eines Kraftfahrzeugs umfassen. Ebenso kann dieser Begriff eine virtuelle Bedeutung haben und beispielsweise zwei Netzknoten oder zwei Leiterbahnen einer Leiterplatte der Schaltungsanordnung umfassen, welche mittelbar oder unmittelbar zum Anschluss an eine physikalische Spannungsquelle vorgesehen sind und/oder zwischen denen eine nichtverschwindende Potentialdifferenz besteht.
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Der Begriff "verbunden" charakterisiert vorliegend eine elektrisch leitfähige und vorzugsweise dauerhafte Verbindung. Der Begriff "verbindbar" kann abhängig von einem jeweiligen Sinnzusammenhang vorliegend erstens bedeuten, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung nur zeitweise durch Schließen z.B. eines Schalters erfolgt; zweitens kann dieser Begriff bedeuten, dass eine elektrisch leitfähige und vorzugsweise dauerhafte Verbindung beispielsweise bei einer Montage der Schaltungsanordnung möglich oder vorgesehen ist.
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Das "induktive Element" ist beispielsweise eine Magnetspule des elektromagnetischen Aktors. Ebenso kann das induktive Element ein Transformator, eine Wicklung, oder eine Teilwicklung eines Transformators sein.
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Der besagte "erste Schalter" ist in einer ersten Variante ein beispielsweise periodisch taktbarer Schalter, um das induktive Element gepulst an eine Gleichspannung, insbesondere an die Betriebsspannung, schalten zu können. In einer zweiten Variante ist der erste Schalter lediglich ein Auswahl-Schalter, um eines von mehreren induktiven Elementen nacheinander mittels der Schaltungsanordnung ansteuern zu können. In einer dritten Variante sind die Funktionen des taktbaren Schalters und des Auswahl-Schalters in einem (entsprechend gesteuerten) Schalter vereinigt.
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In einer Ausgestaltung ist der elektromagnetische Aktor ein Element eines Kraftstoff-Einspritzventils für eine Brennkraftmaschine.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine in dem induktiven Element gespeicherte Energie nach einem Abschalten einer das induktive Element ansteuernden Spannungsquelle bzw. Stromquelle gespeichert und wieder verwendet werden kann. Dabei können elektrische Verluste minimiert werden. Außerdem kann eine Betätigung des elektromagnetischen Aktors sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten desselben beschleunigt werden. Bedingt durch das physikalische Induktionsgesetz hat ein in dem induktiven Element fließender Strom das Bestreben, auch nach dem Abschalten weiter zu fließen. Mittels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann dieser Strom über die erste Diode in den Kondensator gespeist werden. Dadurch kann die Energie aus dem Magnetfeld des induktiven Elements als elektrische Energie gespeichert und beispielsweise für eine folgende Ansteuerung des induktiven Elements wieder verwendet werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich, diese Energie zum Betreiben eines sonstigen elektrischen Verbrauchers zu verwenden.
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In einer Ausgestaltung ist ein Kapazitätswert des Kondensators derart bemessen, dass ein aus dem induktiven Element über die erste Diode in den Kondensator eingespeister Strom den Kondensator auf eine Spannung aufladen kann, welche höher ist als die Betriebsspannung. Entsprechend ist der Kapazitätswert vergleichsweise klein bemessen. Dadurch kann vorteilhaft eine folgende Ansteuerung des induktiven Elements zu Beginn einer so genannten "Boostphase" mit einem besonders hohen Strom erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die eine zweite Diode in einem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt geschaltet. Die dadurch bewirkte Entkopplung ermöglicht es, dass der Kondensator vorteilhaft auf eine Spannung aufgeladen werden kann, welche höher ist als die Betriebsspannung. Dabei ist die eine zweite Diode derart gepolt, dass bei geschlossenem ersten Schalter das induktive Element von dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung mit einem Strom gespeist werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Anschluss des Kondensators mittels des zweiten Schalters und mittels einer Induktivität und/oder einer zweiten Diode mit dem zweiten Ausgangsknotenpunkt verbunden. Dabei ist diese zweite Diode derart gepolt, dass bei geschlossenem zweiten Schalter der Kondensator zu dem zweiten Ausgangsknotenpunkt hin entladen werden kann. Diese zweite Diode vermeidet vorteilhaft, dass der Kondensator durch die Betriebsspannung aufgeladen werden kann. Diese zweite Diode ist entbehrlich, falls der zweite Schalter immer dann in den geöffneten Zustand geschaltet würde, wenn andernfalls die zweite Diode sperren würde. Eine Induktivität kann nach einem Öffnen des zweiten Schalters vorteilhaft eine Strombegrenzung ermöglichen. Die Induktivität ist beispielsweise dann entbehrlich, wenn die Schaltungsanordnung derart ausgeführt ist, dass der Kondensator beim Schließen des zweiten Schalters gegen eine im Wesentlichen ohmsche Last und/oder im Wesentlichen induktive Last entladen werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Schaltungsanordnung an Stelle der besagten Induktivität einen ohmschen Widerstand auf. Durch den ohmschen Widerstand ist eine Strombegrenzung auf besonders einfache und kostengünstige Weise möglich.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Schaltungsanordnung zwei "zweite" Dioden, und zwar wie oben beschrieben, die eine zweite Diode in dem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt, und die weitere zweite Diode in einem durch den zweiten Schalter charakterisierten Schaltungspfad.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in einem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt ein Aufwärts-Gleichspannungswandler derart angeordnet, dass ein Potenzial an dem zweiten Ausgangsknotenpunkt höher sein kann, als das zweite Potenzial. Dadurch kann eine erste Phase einer Ansteuerung des induktiven Elements (so genannte "Boostphase") vorteilhaft mit einer besonders hohen Spannung erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in einem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt ein Aufwärts-Gleichspannungswandler angeordnet, wobei die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet ist, mittels des Aufwärts-Gleichspannungswandlers an dem zweiten Ausgangsknotenpunkt einen oder mehrere Spannungsimpulse und/oder Stromimpulse zur direkten Ansteuerung des induktiven Elements zu erzeugen. Vorzugsweise ist dabei ein Kapazitätswert eines Ausgangs-Ladekondensators des Aufwärts-Gleichspannungswandlers einschließlich vergleichbarer in der Schaltungsanordnung vorhandener Kondensatoren derart klein bemessen, dass beispielsweise ein gepulster Gleichstrom zur direkten Ansteuerung des induktiven Elements erzeugt werden kann. Beispielsweise (aber nicht zwingend) ist an einem Ausgang des Aufwärts-Gleichspannungswandlers ein Maximalwert des gepulsten Gleichstroms größer als das Zweifache eines Minimalwerts des gepulsten Gleichstroms. Dadurch kann ein nach dem Stand der Technik üblicher zu taktender Schalter (vergleiche weiter oben die "erste" Variante) vorteilhaft entfallen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist in dem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt ein dritter Schalter angeordnet. Der dritte Schalter kann vorteilhaft beispielsweise dazu verwendet werden, um das induktive Element in einer so genannten "Haltephase", welche während der Ansteuerung zeitlich nach der oben beschriebenen Boostphase vorliegt, anzusteuern. Während der Boostphase ist der dritte Schalter vorzugsweise geschlossen.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind in Richtung des Schaltungspfads zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt (in dieser Reihenfolge) der Aufwärts-Gleichspannungswandler, der dritte Schalter und eine zweite Diode angeordnet. Dadurch weist die Schaltungsanordnung spezifische Vorteile und Eigenschaften auf.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind in Richtung des Schaltungspfads zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt (in dieser Reihenfolge) der Aufwärts-Gleichspannungswandler, eine zweite Diode und der dritte Schalter angeordnet. Dadurch weist die Schaltungsanordnung spezifische Vorteile und Eigenschaften auf.
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Die Reihenfolge der zweiten Diode und des dritten Schalters in Richtung des Schaltungspfads zwischen dem zweiten Potenzial der Betriebsspannung und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt kann dann von Bedeutung sein, wenn jeweils zwischen dem Aufwärts-Gleichspannungswandler bzw. dem dritten Schalter bzw. der zweiten Diode weitere elektrische Bauelemente angeschlossen sind, wie beispielsweise Kondensatoren, welche als "Abzweig" gegen das erste Potenzial geschaltet sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Schaltungsanordnung sind Mittel vorgesehen, um den Kondensator unabhängig von der ersten Diode laden zu können. Dies kann vorzugsweise vor einer Bestromung des induktiven Elements erfolgen, also vor der Boostphase bei noch geöffnetem ersten Schalter. Beispielsweise kann der Aufwärts-Gleichspannungswandler dazu verwendet werden, den Kondensator auf eine beliebige, jedoch insbesondere vorher definierte Spannung aufzuladen, welche höher ist als die Betriebsspannung. Dadurch kann das induktive Element vorteilhaft mit einem anfänglich besonders hohen Strom angesteuert werden. Alternativ kann der Kondensator mittels des zweiten Schalters (nur) auf die Betriebsspannung aufgeladen werden.
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Vorzugsweise sind der erste Schalter und/oder der zweite Schalter und/oder der dritte Schalter als Halbleiterschalter ausgeführt. Beispielsweise sind die Schalter als bipolarer Transistor, als Sperrschicht-Feldeffekttransistor, als MOSFET (englisch: "metal-oxide-semiconductor field-effect transistor"), oder als VMOS-Transistor (englisch: "v-groved MOS field-effect transistor"), oder als IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, englisch: "insulated gate bipolar transistor") ausgeführt. Dadurch wird die Schaltungsanordnung vorteilhaft verbessert.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine, welche eine Schaltungsanordnung nach wenigstens einer der vorstehenden Ausgestaltungen umfasst. Es ergeben sich vergleichbare Vorteile wie weiter oben beschrieben.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung nach wenigstens einer der vorstehenden Ausgestaltungen, wobei der zweite Schalter in Abhängigkeit von einem Zustand des ersten Schalters betätigt wird. Dadurch kann die Schaltungsanordnung vorteilhaft koordiniert betrieben werden.
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In einer Ausgestaltung dazu ist vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand der erste Schalter und der zweite Schalter geöffnet sind, und in einem folgenden zweiten Betriebszustand ("Boostphase") der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen werden, und in einem folgenden dritten Betriebszustand ("Haltephase") der zweite Schalter geöffnet wird (bzw. ist) und der erste Schalter mindestens einmal geschlossen und geöffnet wird, und in einem folgenden vierten Betriebszustand ("Abklingphase") der erste Schalter und der zweite Schalter geöffnet sind. Das Schließen und Öffnen des ersten Schalters erfolgt beispielsweise periodisch. Dabei kann in dem vierten Betriebszustand die in dem induktiven Element gespeicherte Energie vorteilhaft zurückgewonnen und gespeichert werden, und für eine folgende Ansteuerung, vorzugsweise für den zweiten Betriebszustand, verwendet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand der erste Schalter und der zweite Schalter geöffnet sind, und in einem folgenden zweiten Betriebszustand zunächst der erste Schalter und der zweite Schalter geschlossen werden, und danach der zweite Schalter geöffnet wird und der erste Schalter mindestens einmal geschlossen und geöffnet wird, und in einem folgenden dritten Betriebszustand der zweite Schalter geöffnet ist und der erste Schalter mindestens einmal geschlossen und geöffnet wird, und in einem folgenden vierten Betriebszustand der erste Schalter und der zweite Schalter geöffnet sind. Das Schließen und Öffnen des ersten Schalters erfolgt beispielsweise periodisch. Dabei wird also bereits in dem zweiten Betriebszustand ("Boostphase") der erste Schalter getaktet betrieben, wodurch ein Zeitverlauf des durch das induktive Element fließenden Stroms vorteilhaft gesteuert werden kann.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung zum Betreiben mindestens eines induktiven Elements;
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2 eine zweite Ausführungsform für die Schaltungsanordnung zum Betreiben des induktiven Elements;
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3 eine dritte Ausführungsform für die Schaltungsanordnung zum Betreiben des induktiven Elements;
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4 eine vierte Ausführungsform für die Schaltungsanordnung zum Betreiben des induktiven Elements;
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5 eine fünfte Ausführungsform für die Schaltungsanordnung zum Betreiben des induktiven Elements;
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6 eine detailliert dargestellte erste Teilschaltung für zumindest eine der Ausführungsformen drei bis fünf;
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7 eine detailliert dargestellte zweite Teilschaltung für zumindest eine der Ausführungsformen drei bis fünf;
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8 eine detailliert dargestellte dritte Teilschaltung für zumindest eine der Ausführungsformen drei bis fünf;
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9 eine detailliert dargestellte vierte Teilschaltung für zumindest eine der Ausführungsformen drei bis fünf;
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10 eine detailliert dargestellte fünfte Teilschaltung für zumindest eine der Ausführungsformen drei bis fünf; und
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11 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung.
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Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen zumindest teilweise die gleichen bzw. ähnliche Bezugszeichen verwendet.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform für eine Schaltungsanordnung 10 zum Betreiben mindestens eines induktiven Elements 12a, 12b, insbesondere eines elektromagnetischen Aktors, wobei ein erster Ausgangsknotenpunkt 14 zum Anschluss des induktiven Elements 12a, 12b mittels eines ersten Schalters 16 mit einem ersten Potenzial 18 einer Betriebsspannung 20 verbindbar ist, und wobei ein zweiter Ausgangsknotenpunkt 22 zum Anschluss des induktiven Elements 12a, 12b mit einem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 verbindbar oder verbunden ist, und wobei der erste Ausgangsknotenpunkt 14 mittels einer ersten Diode 26 mit einem ersten Anschluss 28_1 eines Kondensators 28 verbunden ist, wobei ein zweiter Anschluss 28_2 des Kondensators 28 mit einem Bezugspotenzial verbunden ist, und wobei der erste Anschluss 28_1 des Kondensators 28 mittels eines zweiten Schalters 30 mit dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 und/oder mit einem elektrischen Verbraucher 32 verbindbar ist, und wobei mindestens eine zweite Diode 34a vorgesehen ist, um den zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 von dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 und/oder von dem ersten Anschluss 28_1 des Kondensators 28 zu entkoppeln.
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Wie in 1 zu erkennen, ist die zweite Diode 34a in einem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 geschaltet. Das besagte Bezugspotenzial entspricht vorliegend einem Massepotenzial, welches vorliegend dem ersten Potenzial 18 entspricht. Parallel zu dem zweiten Schalter 30 kann eine (beispielsweise parasitäre) Diode 30a geschaltet sein, vergleiche dazu weiter unten die 3 bis 5.
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Weiterhin zeigt die 1 ausgehend von einem Anschluss des zweiten Schalters 30 zwei elektrische Verbindungen 36, 38 als gestrichelte Linien, wobei die elektrischen Verbindungen 36, 38 gleichzeitig oder – vorzugsweise – alternativ geschaltet sind. Sofern die elektrische Verbindung 36 geschaltet ist, kann eine in dem Kondensator 28 gespeicherte elektrische Energie dem Ausgangsknotenpunkt 22 zugeführt werden, wie weiter unten noch näher erläutert werden wird. Sofern die elektrische Verbindung 38 geschaltet ist, kann die in dem Kondensator 28 gespeicherte elektrische Energie dem elektrischen Verbraucher 32 zugeführt werden. Vorliegend umfasst der elektrische Verbraucher 32 eine ohmsche Last 32a und einen dazu parallel geschalteten Kondensator 32b.
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Die induktiven Elemente 12a und 12b sind jeweils über einen Auswahl-Schalter 40a bzw. 40b mit dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 verbunden. Die Auswahl-Schalter 40a bzw. 40b entsprechen vorliegend so genannten "high-side"-Schaltern und sind vorzugsweise während einer gesamten Ansteuerung des jeweiligen induktiven Elements 12a bzw. 12b geschlossen.
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Der erste Schalter 16, der zweite Schalter 30 sowie die Auswahl-Schalter 40a und 40b sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt, beispielsweise jeweils als bipolarer Transistor, als Sperrschicht-Feldeffekttransistor, als MOSFET (englisch: "metal-oxide-semiconductor field-effect transistor"), oder als VMOS-Transistor (englisch: "v-groved MOS field-effect transistor"), oder als IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, englisch: "insulated gate bipolar transistor").
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Ein Betrieb der Schaltungsanordnung 10 von 1 zum Betätigen des (nicht dargestellten) elektromagnetischen Aktors mittels Ansteuerung der induktiven Elemente 12a bzw. 12b erfolgt beispielsweise durch eine Mehrzahl von Ansteuerimpulsen. Dabei kann jeweils einer dieser Ansteuerimpulse wie folgt mittels der Schaltungsanordnung 10 erzeugt werden:
In einem ersten Betriebszustand (Ruhephase) sind der erste Schalter 16 und der zweite Schalter 30 geöffnet, wobei der Kondensator 28 gegebenenfalls bereits eine elektrische Spannung aufweist, welche größer ist als die Betriebsspannung 20.
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In einem folgenden zweiten Betriebszustand (so genannte "Boostphase") werden der erste Schalter 16 und der zweite Schalter 30 geschlossen. Sofern dabei eine an dem Kondensator 28 anliegende Spannung größer ist als die Betriebsspannung 20, sperrt die zweite Diode 34a (sofern Pfad 36 verwendet wird). Dabei ergibt sich ein Stromfluss wie folgt: von dem ersten Anschluss 28_1 des Kondensators 28 über den zweiten Schalter 30, danach über die elektrische Verbindung 36, danach über den zweiten Ausgangsknotenpunkt 22, danach durch das induktive Element 12a (bei geschlossenem Schalter 40a), danach über den ersten Schalter 16 auf das erste Potenzial 18 und hin zu dem zweiten Anschluss 28_2 des Kondensators 28, wodurch der Stromkreis geschlossen ist. Dabei kann ein vergleichsweise starker Strom durch das induktive Element 12a fließen, wobei ein Anker des Aktors magnetisch angezogen wird und somit eine erste mechanische Position annehmen kann.
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In einem folgenden dritten Betriebszustand ("Haltephase") wird der zweite Schalter 30 geöffnet und der erste Schalter 16 wird mindestens einmal geschlossen und geöffnet. Das Schließen und Öffnen des ersten Schalters 16 erfolgt beispielsweise periodisch.
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Wenn in dem dritten Betriebszustand der erste Schalter 16 geschlossen ist, dann ergibt sich ein Stromfluss wie folgt: Von dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 über die Diode 34a zu dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22, danach über den geschlossenen Auswahl-Schalter 40a, danach über das induktive Element 12a zu dem ersten Ausgangsknotenpunkt 14, danach über den geschlossenen ersten Schalter 16, und danach hin zu dem ersten Potenzial 18 der Betriebsspannung 20, wodurch der Stromkreis geschlossen ist.
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Wenn in dem dritten Betriebszustand der erste Schalter 16 geöffnet ist, dann ergibt sich ein Stromfluss wie folgt: Von dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 über die Diode 34a zu dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22, danach über den geschlossenen Auswahl-Schalter 40a, danach über das induktive Element 12a zu dem ersten Ausgangsknotenpunkt 14, danach über die erste Diode 26, danach über den Kondensator 28 und hin zu dem ersten Potenzial 18 der Betriebsspannung 20, wodurch der Stromkreis geschlossen ist. Dabei wird der Kondensator 28 von dem durch das induktive Element 12a (noch) fließenden Strom aufgeladen, wobei der Strom vergleichsweise schnell kleiner wird. Nachdem der Strom durch das induktive Element 12a auf Null zurückgegangen ist, verhindert die Diode 26 einen negativen Strom.
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Vorzugsweise ist ein Kapazitätswert des Kondensators 28 derart bemessen, dass ein aus dem induktiven Element 12a über die erste Diode 26 in den Kondensator 28 eingespeister Strom den Kondensator 28 auf eine Spannung aufladen kann, welche höher ist als die Betriebsspannung 20. Somit ist in dem Kondensator 28 eine vergleichsweise große zusätzliche Energie vorhanden, welche zur Erzeugung eines zeitlich nachfolgenden Ansteuerimpulses vorteilhaft verwendet werden kann. Zudem kann die Kapazität des Kondensators 28 bei einer Ausführungsform verhältnismäßig klein ausgeführt sein, was eine zusätzliche Kosteneinsparung bringen kann.
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In einem folgenden vierten Betriebszustand ("Abklingphase") sind der erste Schalter 16 und der zweite Schalter 30 geöffnet, wobei der Strom in dem induktiven Element 12a vergleichsweise schnell und zumindest näherungsweise auf Null abklingen kann. Dabei kann der Anker des elektromagnetischen Aktors abfallen und somit eine zweite mechanische Position annehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem ersten Betriebszustand der erste Schalter 16 und der zweite Schalter 30 geöffnet sind, und in einem folgenden zweiten Betriebszustand zunächst der erste Schalter 16 und dann der zweite Schalter 30 geschlossen werden, und danach der zweite Schalter 30 geöffnet wird und der erste Schalter 16 mindestens einmal geschlossen und geöffnet wird, und in einem folgenden dritten Betriebszustand der zweite Schalter 30 geöffnet ist und der erste Schalter 16 mindestens einmal geschlossen und geöffnet wird, und in einem folgenden vierten Betriebszustand der erste Schalter 16 und der zweite Schalter 30 geöffnet sind. Das Schließen und Öffnen des ersten Schalters 16 erfolgt beispielsweise periodisch. Dabei wird also bereits in dem zweiten Betriebszustand ("Boostphase") der erste Schalter 16 getaktet betrieben. Bei einer weiteren Ausführungsform kann der erste Schalter 16 auch geöffnet werden und statisch geöffnet bleiben, so dass der Strom direkt in den Kondensator 28 fließt und sehr schnell abklingt.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10, wobei der erste Anschluss 28_1 des Kondensators 28 mittels des zweiten Schalters 30 und mittels einer Induktivität 44 und einer (weiteren) zweiten Diode 34b mit dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 verbunden ist. Dabei kann die Induktivität 44 einen über den zweiten Schalters 30 fließenden Strom begrenzen und somit eventuelle Stromspitzen vermeiden. Zur Strombegrenzung kann bei einer anderen Ausführungsform anstelle der Induktivität 44 auch ein Ohmwiderstand verwendet werden. Bei einer Ausführungsform ist die Reihenfolge der Anordnung von Diode 34b, Schalter 30 und Induktivität 44 beliebig, so dass diese Elemente untereinander in ihrer Position getauscht werden können. Bei einer weiteren Ausführungsform kann ferner eine nicht abgebildete Freilaufdiode vorgesehen sein, deren Anode mit dem in 2 rechten Anschluss des Schalters 30 und deren Kathode mit dem Anschluss 28_1 des Kondensators 28 verbunden ist.
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Die zweite Diode 34b kann eine mögliche Rückspeisung des Kondensators 28 durch die Betriebsspannung 20 über die zweite Diode 34a verhindern. Ebenso kann die zweite Diode 34b eine mögliche Rückspeisung aus dem Kondensator 32b des elektrischen Verbrauchers 32 verhindern.
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In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 gemäß 2 ist die zweite Diode 34b nicht vorhanden. Dies ist möglich, wenn die besagte Rückspeisung in den Kondensator 28 hingenommen wird, oder wenn die Funktion der zweiten Diode 34b durch eine geeignete Betätigung des zweiten Schalters 30 übernommen wird. Ist die Möglichkeit der Rückspeisung bei einer anderen Ausführungsform jedoch erwünscht, so sollte die Diode 34b nicht vorhanden sein. In diesem Fall kann über eine zeitweise höhere Betriebsspannung 20 gegenüber der Spannung des Kondensators 28 der Kondensator 28 (vor-)geladen werden. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Betriebsspannung 20 nicht nur eine konstante Spannung ist, sondern z.B. durch einen dazu geschalteten DC/DC-Wander variabel wird.
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In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 gemäß 2 ist die Induktivität 44 nicht vorhanden. Dies ist möglich, wenn eine Begrenzung des über den zweiten Schalter 30 fließenden Stroms nicht erforderlich ist. Beispielsweise kann bei vorhandener Verbindung 36 (und nicht vorhandener Verbindung 38) eine Strombegrenzung durch die Wirkung des induktiven Elements 12a bzw. 12b erfolgen. Die Induktivität 44 und die zweite Diode 34b können also einzeln weggelassen werden.
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Vorliegend ist das zweite Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 positiv in Bezug auf das erste Potenzial 18. Es versteht sich, dass die Schaltungsanordnung 10 ebenso für eine umgekehrte Polarität ausgeführt sein kann. In diesem Fall sind auch die Dioden 26, 34a und 34b entsprechend umgekehrt gepolt. Entsprechendes gilt für die nachfolgenden 3 bis 5.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10, wobei in einem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 ein Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 derart angeordnet ist, dass ein Potenzial an dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 höher sein kann, als das zweite Potenzial 24. Vorliegend umfasst der Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 eine Magnetspule 48, einen vierten Schalter 50 und einen optionalen Kondensator 52. Parallel zu dem vierten Schalter 50 ist eine Diode 50a geschaltet, welche beispielsweise eine parasitäre Diode 50a des vierten Schalters 50 ist. Ein "dritter" Schalter 54 der Schaltungsanordnung 10 von 3 wird weiter unten beschrieben werden. Somit kann der Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 bei einer vorteilhaften Ausführungsform das induktive Element 12a, 12b alleine ansteuern oder die Schaltung 10 kann mittels Schalter 30 und dem Kondensator 28a, 28b das induktive Element 12a, 12b alleine ansteuern, oder aber die Schaltung 10 kann mittels Schalter 30 und dem Kondensator 28a, 28b zusammen mit dem Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 das induktive Element 12a, 12b ansteuern.
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Die Magnetspule 48, der vierte Schalter 50 und der optionale Kondensator 52 sind an einem gemeinsamen Netzknoten (ohne Bezugszeichen) miteinander verbunden, wobei an diesem Netzknoten ein drittes Potenzial 24a anliegt. Übrige Anschlüsse der besagten drei Elemente sind an das erste Potenzial 18 bzw. an das zweite Potenzial 24 geschaltet, wie es in 3 gezeigt ist.
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In dem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 bzw. dem dritten Potenzial 24a einerseits und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 andererseits, sind in der 3 von links nach rechts ein dritter Schalter 54 sowie die zweite Diode 34a geschaltet. Parallel zu dem dritten Schalter 54 ist eine (beispielsweise parasitäre) Diode 54a geschaltet. Elektrisch zwischen dem ersten Ausgangsknotenpunkt 14 und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 sind eine dritte Diode 56 und parallel dazu ein Kondensator 58 geschaltet. Die dritte Diode 56 ist derart gepolt, dass sie dann sperrt, wenn die zweite Diode 34a leiten kann.
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Im Unterschied zu den 1 und 2 sind bei der Schaltungsanordnung 10 von 3 die Auswahl-Schalter 40a bzw. 40b jeweils an (in der Zeichnung untere) Anschlüsse 12a_2 bzw. 12b_2 der induktiven Elemente 12a bzw. 12b geschaltet, und werden auch als so genannte "low-side"-Schalter benannt. Ebenfalls im Unterschied zu den 1 und 2 sind in der 3 für jedes induktive Element 12a bzw. 12b jeweils eine eigene erste Diode 26a bzw. 26b vorgesehen. Der Kondensator 28 ist vorliegend durch eine Mehrzahl von Kondensatoren 28a, 28b, usw. realisiert. In einer Ausführungsform umfasst diese Mehrzahl sechs Kondensatoren 28a, 28b, usw. zu jeweils einigen µF (Mikrofarad), welche somit zusammengeschaltet eine Gesamtkapazität von beispielsweise etwa 100 µF aufweisen. Beispielsweise sind die Kondensatoren 28, 28b, usw. als hochkapazitive keramische Kondensatoren ausgeführt.
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3 zeigt also eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10, wobei in Richtung des Schaltungspfads zwischen dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 der Aufwärts-Gleichspannungswandler 46, der dritte Schalter 54 und die zweite Diode 34a (in dieser Reihenfolge) angeordnet sind.
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Anders als in den 1 und 2 weist die Schaltungsanordnung 10 von 3 keinen ersten Schalter 16 auf, weil dessen Funktion vorliegend durch den vierten Schalter 50 des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46 übernommen werden kann. Der vierte Schalter 50 kann beispielsweise als Halbleiterschalter ausgeführt sein. Dazu ist eine Kapazität der Kondensatoren 52 und 58 derart klein bemessen, dass mittels des vierten Schalters 50 erzeugte elektrische Impulse die induktiven Elemente 12a bzw. 12b direkt ansteuern können. Eine höhere Spannung z.B. zum Aufladen der Kondensatoren 28a, 28b kann einer Ausführungsform zufolge durch den Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 erhalten werden, jedoch auch beim Abschalten der Schalter 40a, 40b, ... über die dann noch stromführenden Induktivitäten 12a, 12b, .... Ein Betrieb der Schaltungsanordnung 10 von 3 erfolgt beispielsweise wie nachfolgend beschrieben:
In einem ersten Betriebszustand (Ruhephase) sind alle Schalter 30, 40a, 40b, 50 und 54 geöffnet.
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In einem folgenden zweiten Betriebszustand (Boostphase) sind der dritte Schalter 54 dauernd und der zweite Schalter 30 und der vierte Schalter 50 zumindest zeitweise geschlossen. Außerdem ist jeweils zumindest einer der Auswahl-Schalter 40a bzw. 40b geschlossen. Mittels des zweiten Schalters 30 wird eine in den Kondensatoren 28a, 28b, usw. gespeicherte Ladung vorteilhaft zur Bestromung der induktiven Elemente 12a bzw. 12b verwendet. Dazu weisen die Kondensatoren 28a, 28b, usw. anfänglich eine Spannung auf, welche höher ist als die Betriebsspannung 20. Sollte die Spannung in den Kondensatoren 28a, b, c ... anfänglich nicht höher sein, kann bei einer Ausführungsform vorgesehen sein, zuvor mittels des Schalters 50 getaktet die Kondensatoren 28a, b, c vorzuladen auf die gewünschte höhere Spannung, indem der Schalter 30 geöffnet wird und die Schalter 40a, b, c ebenfalls geöffnet werden.
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Sobald die Ladung der Kondensatoren 28a, 28b, usw. auf eine Spannung unterhalb des dritten Potenzials 24a (unter Berücksichtigung einer Durchlassspannung der zweiten Diode 34a) abgebaut ist, wird der zweite Schalter 30 wieder geöffnet. Durch ein einmaliges oder mehrmaliges (vorzugsweise) periodisches Takten des vierten Schalters 50 erfolgt mittels des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46 eine weitere Ansteuerung der induktiven Elemente 12a bzw. 12b während der Boostphase. Während des zweiten Betriebszustands kann ein Anker des elektromagnetischen Aktors magnetisch bewegt, das heißt, angezogen werden. Bei einer Ausführungsform können Schalter 54 und Diode 34a auch in ihren Positionen vertauscht werden.
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In einem folgenden dritten Betriebszustand ("Haltephase") sind der zweite Schalter 30 und der vierte Schalter 50 geöffnet. Der dritte Schalter 54 wird mehrmals (beispielsweise periodisch) geschlossen und wieder geöffnet. Solange der dritte Schalter 54 geöffnet ist, erfolgt ein Stromfluss statt über die zweite Diode 34a alternativ über die dritte Diode 56 ("Freilaufdiode") in an sich bekannter Weise. Dadurch ergibt sich eine weitere Ansteuerung der induktiven Elemente 12a bzw. 12b, wobei ein über den zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 fließender Strom im Mittel kleiner ist als während des zweiten Betriebszustands.
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In einem folgenden vierten Betriebszustand ("Abklingphase") sind wiederum alle Schalter 30, 40a, 40b, 50 und 54 der Schaltungsanordnung 10 von 3 geöffnet. Dabei kann jeweils ein in dem induktiven Element 12a bzw. 12b fließender Strom die Kondensatoren 28a, 28b, usw. über die jeweilige erste Diode 26 bzw. 26b aufladen. Der Anker des elektromagnetischen Aktors kann daher abfallen. Alternativ dazu können bei einer weiteren Ausführungsform alle Schalter 30, 40a, 40b, 50, außer Schalter 54 geöffnet sein. Damit kann eine höhere Spannung an C28a, b, c erreicht werden, wenn dabei Schalter 54 geschlossen ist.
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In einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 wird eine an den Kondensatoren 28a, 28b, usw. anliegende Spannung ermittelt und ergänzend als Kriterium für eine Steuerung der in der 3 gezeigten Schalter 30, 50 und 54 verwendet.
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Bei anderen Ausführungsformen basierend auf der Schaltung nach 3 sind folgende Aspekte vorteilhaft: wenn einer der Schalter 40a, b, c, aktiv (also geschlossen bzw. getaktet) ist, kann
- 1.) nur der Schalter 30 aktiv sein, um aus der Spannung 28 die Induktivitäten 12 zu bestromen, (=> Boosterphase aus Energie-Rückgewinnung)
- oder 2.) es kann nur der Schalter 50 aktiv (also getaktet) sein, um aus der Spannung 24a mittels geboosterter Spannung die Induktivitäten 12 zu bestromen (Boosterphase per DC/DC)
- oder 3.) es kann nur der Schalter 54 aktiv (also getaktet oder konstant ein) sein, um aus der Spannung 24 bzw. 24a die Induktivitäten 12 zu bestromen (=> Haltephase)
- soder 4.) es können durch die Kombination aus getaktetem Schalter 50 (Schalter 54a ist "ein") in Kombination mit Schalter 30 "ein" aus zwei Quellen die Induktivitäten 12 bestromt werden.
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Die vorstehend unter Punkt 4.) genannte Funktion ist besonders vorteilhaft, da darüber die Kondensatoren 28a, 28b zum Hochspannungs-Zwischenpuffer werden, aus denen Energie abfließt, solange der DC/DC-Wandler 46 die Spule 48 auflädt, während der DC/DC-Wandler 46 versucht, die hohe Spannung in den Kondensatoren 28a, 28b weiterhin zu erhalten. (=> Boosterphase aus Energie-Rückgewinnung & DC/DC-Wandler)
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Die Energie-Rückgewinnung wird mit den bestromten Induktivitäten 12a, 12b, 12c über die Schalter 40a, 40b beim Schalten in die Kondensatoren 28a, 28b gebildet. Bei einer Ausführungsform ist ein "Pre-Charging" (Vorladen) von den Kondensatoren 28a, 28b über aktiven (getakteten) Gleichspannungswandler 46 ist nur bei geöffnetem Schalter 40a, 40b und geschlossenem Schalter 54 möglich. Das Pre-Charging ist z.B. an dem Ausgangsknotenpunkt 22 sichtbar.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10, wobei in Richtung des Schaltungspfads zwischen dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 und dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 der Aufwärts-Gleichspannungswandler 46, die zweite Diode 34a und der dritte Schalter 54 (in dieser Reihenfolge) angeordnet sind. Der in 4 obere Anschluss des Schalters 30 ist mit einem Knotenpunkt zwischen Diode 34a und Schalter 54 verbunden. Daraus ergibt sich, dass mit geöffnetem Schalter 54 trotzdem die Kondensatoren 28a, 28b vorgeladen werden können, ohne dass es an den Magnetventilen 12a, 12b sichtbar wird, indem bei geöffnetem Schalter 54 der Gleichspannungswandler 46 mit Schalter 50 taktet. Die übrigen Abschnitte der Schaltungsanordnung 10 von 4 entsprechen denen von 3.
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Ebenso ist bevorzugt eine Kapazität der Kondensatoren 52a, 52b und 58 derart klein bemessen, dass mittels des vierten Schalters 50 erzeugte elektrische Impulse die induktiven Elemente 12a bzw. 12b direkt ansteuern können. Ein Betrieb der Schaltungsanordnung 10 von 4 kann daher zumindest in ähnlicher Weise erfolgen, wie es bei der 3 weiter oben bereits beschrieben wurde.
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Bei anderen Ausführungsformen basierend auf der Schaltung nach 4 sind folgende Aspekte vorteilhaft:
- 1.) wenn die Schalter 40a, b inaktiv sind, kann z.B. nur der Schalter 50 aktiv (also getaktet) sein, um aus der Spannung 24 per Gleichspannungswandler über die geboosterte Spannung 24a über die Diode 30a die Kondensatoren 28a, 28b vorzuladen ("Pre-charging"). Wenn dann einer der Schalter 40a, 40b aktiv ist, kann folgender Ablauf erfolgen:
- 1.1) es kann nur der Schalter 54 aktiv (also getaktet oder konstant ein) sein, um aus der Spannung 24 bzw. 24a die Spulen 12 zu bestromen (=> Haltephase),
- oder 2.1) es kann der Schalter 54 aktiv (konstant ein) sein, um mit getakteten Schalter 50 eine höhere Spannung an 22 zu generieren, die Spulen 12 zu bestromen, wobei die maximale Spannung an Ausgangsknotenpunkt 22 durch die Spannung in den Kondensatoren 28a, 28b begrenzt wird (=> Boosterphase),
- oder 3.1) nur der Schalter 30 (konstant oder getaktet) zusammen mit Schalter 54 (konstant ein) aktiv sein, um aus der Spannung 28 die Spulen 12 zu bestromen, (=> Boosterphase aus Energie-Rückgewinnung),
- oder 4.1) es kann die Kombination aus getaktetem Schalter 50 (Schalter 54a ist ein) in Kombination mit Schalter 30 ein aus zwei Quellen die Spulen 12 bestromt werden. Auch hier können die Kondensatoren 28a, 28b zum "Hochspannungs"-Zwischenpuffer werden, aus denen Energie abfließt, solange der DC/DC-Wandler die Spule 48 auflädt, während der DC/DC-Wandler versucht die hohe Spannung in den Kondensatoren 28a, 28b weiterhin zu erhalten. (=> Boosterphase aus Energie-Rückgewinnung & DC/DC-Wandler).
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Die Energie-Rückgewinnung wird mit den bestromten Spulen 12a, 12b über die Schalter 40a, 40b beim Schalten in die Kondensatoren 28a, 28b gebildet. Pre-Charging (Vorladen) von Kondensator 28a, 28b ist bei geöffnetem Schalter 54 möglich, die Schalter 40a, 40b können geöffnet oder geschlossen sein. Das Pre-Charging ist insbesondere nicht am Ausgangsknotenpunkt 22 sichtbar, was ggf. hilfreich ist um die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) der Schaltung zu steigern.
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Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10, welche ähnlich zu der 4 ausgeführt ist. Im Unterschied zur 4 ist in 5 der zweite Schalter 30 nicht vorhanden, das heißt vorliegend, durch eine dauerhafte elektrische Verbindung ersetzt. Die Schaltungsanordnung 10 von 5 ist derart strukturiert, dass die Funktion des zweiten Schalters 30 von dem dritten Schalter 54 mit übernommen werden kann. Dazu wird der dritte Schalter 54 in den jeweiligen Betriebszuständen entsprechend gesteuert. Die Einzelheiten dazu können aus den weiter oben erfolgten Beschreibungen zu den Ausführungsformen der 1 bis 4 abgeleitet werden.
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Bei anderen Ausführungsformen basierend auf der Schaltung nach 5 sind folgende Aspekte vorteilhaft:
- 1.) wenn die Schalter 40a, 40b inaktiv sind, kann z.B. nur der Schalter 50 aktiv (also getaktet) sein, um aus der Spannung 24 per Gleichspannungswandler über die geboosterte Spannung 24a über die Diode 34a die Kondensatoren 28a, 28b vorzuladen (Pre-charging). Wenn dann einer der Schalter 40a, 40b aktiv ist, kann folgender Ablauf erfolgen:
- 1.1) es kann nur der Schalter 54 aktiv (also getaktet oder konstant ein) sein, um aus der Spannung an Element 54 bzw. Element 28a, 28b die Spulen 12 zu bestromen (=> Booster als auch Haltestromphase, je nach Spannung 24 an Betriebsspannung 20),
- oder 2.1) es kann der Schalter 54 aktiv (konstant ein) sein, um mit getakteten Schalter 50 eine höhere Spannung an 22 zu generieren, die Spulen 12 zu bestromen, wobei die maximale Spannung an Ausgangsknotenpunkt 22 durch die Spannung in den Kondensatoren 28a, 28b begrenzt wird (=> Boosterphase durch die Kondensatoren 28a, 28b und getaktetem DC/DC-Wandler).
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Die Energie-Rückgewinnung wird mit den bestromten Spulen 12a, 12b über die Schalter 40a, 40b beim Schalten in die Kondensatoren 28a, 28b gebildet. Pre-Charging von Kondensator 28a, 28b mittels DC/DC-Wandler 46 ist weiterhin bei geöffnetem Schalter 54 möglich, die Schalter 40a, 40b können geöffnet oder geschlossen sein. Das Pre-Charging ist insbesondere nicht am Ausgangsknotenpunkt 22 sichtbar, was ggf. hilfreich für die EMV ist.
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In einer Ausführungsform gemäß den 3 bis 5 ist (wie teilweise oben bereits beschrieben) die Schaltungsanordnung 10 dazu ausgebildet, mittels des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46 an dem zweiten Ausgangsknotenpunkt 22 einen oder mehrere Spannungsimpulse und/oder Stromimpulse zur direkten Ansteuerung des induktiven Elements 12a bzw. 12b zu erzeugen. Vorzugsweise ist dabei ein Kapazitätswert eines Ausgangs-Ladekondensators (Kondensator 52 bzw. 52a und 52b) des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46 einschließlich vergleichbarer in der Schaltungsanordnung 10 vorhandener Kondensatoren (Kondensator 58, gegebenenfalls auch die Kondensatoren 28a, 28b) derart klein bemessen, dass beispielsweise ein gepulster Gleichstrom zur direkten Ansteuerung des induktiven Elements 12a bzw. 12b erzeugt werden kann. Dabei ergibt sich gegebenenfalls durch die Wirkung der Diode 30a aus 3 und 4 und des Kondensators 28 bzw. 28a und 28b eine gewisse "Glättung" der mittels des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46 erzeugten Impulse.
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Ein Vergleich der Ausführungsformen für die Schaltungsanordnung 10 gemäß den 1 bis 5 zeigt, dass die Schaltungsanordnung 10 gemäß den 3 bis 5 den ersten Schalter 16 nicht identisch aufweist. Jedoch sind die beschriebenen Auswahl-Schalter 40a und 40b vorhanden, welche in einer ersten Betriebsart zumindest zeitweise getaktet betrieben werden können, ähnlich wie es weiter oben bei 1 für den ersten Schalter 16 beschrieben wurde.
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In einer zweiten Betriebsart werden die Auswahl-Schalter 40a und 40b nicht getaktet, sondern lediglich als "Auswahl-Schalter" (ggf. auch als "Zylinder-Selekt-Schalter" bezeichnet) betrieben. Beispielsweise kann das induktive Element 12a bzw. 12b dabei mittels des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46 gepulst angesteuert werden, wie es weiter oben bereits beschrieben wurde. Sofern aktiviert, bleiben die Auswahl-Schalter 40a und 40b dabei bis zum Beginn des vierten Betriebszustands (Abklingphase) geschlossen. Im vierten Betriebszustand kann bei dann geöffneten Auswahl-Schaltern 40a und 40b ein durch das jeweilige induktive Element 12a bzw. 12b fließender Strom über die jeweilige erste Diode 26a bzw. 26b in die Kondensatoren 28a, 28b, usw. strömen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung 10 sind Mittel vorgesehen, um den Kondensator 28 bzw. 28a und 28b unabhängig von der ersten Diode 26 bzw. 26a und 26b laden zu können. Diese Mittel umfassen beispielsweise die Diode 30a, die zweite Diode 34a, die Verbindung 36, und den Aufwärts-Gleichspannungswandler 46. Das Laden (auch als "pre-charging" bezeichnet) kann vorzugsweise zeitlich vor einer Bestromung des induktiven Elements 12a, 12b erfolgen, also vor der Boostphase bei noch geöffnetem ersten Schalter 16 bzw. 40a, 40b. Alternativ kann der Kondensator 28 bzw. 28a und 28b mittels des zweiten Schalters 30 bzw. mittels des dritten Schalters 54 (nur) auf die Betriebsspannung 20 aufgeladen werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann der Schalter 54 gemäß 3, 4 oder 5 auch zwischen dem das zweite Potential 24 aufweisenden Knotenpunkt und der Magnetspule 48 angeordnet sein.
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Die folgenden 6 bis 10 zeigen beispielhafte Einzelheiten der Schaltungsanordnung 10, wie sie beispielsweise für die Ausführungsformen gemäß der 3 bis 5 verwendet werden können.
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Die 6 zeigt ein Tiefpassfilter 60, welches als so genanntes "PI-Filter" ausgeführt ist und vorzugsweise in einem Schaltungspfad zwischen dem zweiten Potenzial 24 der Betriebsspannung 20 und dem Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 angeordnet ist. Siehe dazu den Pfeil VI in den 3 bis 5. Das Tiefpassfilter 60 umfasst vorliegend eine Filterspule 62 sowie drei Kondensatoren 64, 66a und 66b. Die Kondensatoren 66a und 66b weisen zusammen eine vergleichsweise große Kapazität auf und sind daher vorzugsweise als Elektrolytkondensatoren ausgeführt.
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Die 7 zeigt eine erste Ausführungsform für den Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 von 3 im Detail. Vorliegend ist der vierte Schalter 50 als MOSFET 72 mit einer parasitären Diode 50a ausgeführt. Anstelle des Kondensators 52 von 3 umfasst die Ausführungsform von 7 zwei Kondensatoren 74a und 74b sowie einen ohmschen Widerstand 76. Die Kondensatoren 74a und 74b weisen beispielsweise eine Kapazität von etwa 1nF (Nanofarad) bis etwa 20 nF auf. Weiterhin ist ein S-Anschluss (englisch: "source") des MOSFETs 72 über einen optionalen niederohmigen Widerstand 78 gegen das erste Potenzial 18 geschaltet. Beispielsweise kann an dem optionalen Widerstand 78 ein Strom des MOSFETs 72 mittels einer Spannungsmessung ermittelt werden.
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Die 8 zeigt eine zweite Ausführungsform für den Aufwärts-Gleichspannungswandler 46 der 4 und 5 im Detail. Vorliegend ist unter anderem die zweite Diode 34a formal ein Bestandteil des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46.
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Die 9 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform für den zweiten Schalter 30 bzw. den dritten Schalter 54, jeweils zusammen mit einem Teil einer peripheren Beschaltung derselben. Dargestellt sind ein MOSFET 92, sowie drei Widerstände 93, 94 und 95, sowie drei Kondensatoren 96, 97 und 98.
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Die 10 zeigt Details zu einer beispielhaften Beschaltung der induktiven Elemente 12a und 12b sowie der zugehörigen Auswahl-Schalter 40a und 40b mitsamt Dioden 26a, 26b. Dargestellt sind zwei MOSFETs 102a und 102b, zwei Kondensatoren 104a und 104b, sowie ein für beide MOSFETs 102a und 102b gemeinsamer niederohmiger Widerstand 108 zur optionalen Ermittlung eines durch die MOSFETs 102a und 102b fließenden Stroms. Die Kondensatoren 104a und 104b weisen beispielsweise jeweils eine Kapazität von kleiner als etwa 20 nF auf.
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Die Schaltungsanordnung 10 in den oben beschriebenen Ausführungsformen ist beispielsweise in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet.
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Die 11 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Schaltungsanordnung 10, wobei der zweite Schalter 30 in Abhängigkeit von einem Zustand des ersten Schalters 16 bzw. 40a, 40b betätigt wird. In einem Startblock 200 beginnt die in der 11 dargestellte Prozedur.
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In einem folgenden Block 202 sind in einem ersten Betriebszustand (Ruhephase) der erste Schalter 16 und der zweite Schalter 30 geöffnet. In einem folgenden Block 204 kann der Kondensator 28 bzw. 28a und 28b optional vorgeladen werden ("pre-charging"), insbesondere mittels des Aufwärts-Gleichspannungswandlers 46. Dies erfolgt vorzugsweise auf eine Spannung, welche höher ist als die Betriebsspannung 20.
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In einem folgenden zweiten Betriebszustand (Boostphase) werden zunächst in einem Block 206 der erste Schalter 16 bzw. 40a, 40b und der zweite Schalter 30 geschlossen. Optional werden in dem zweiten Betriebszustand danach in einem Block 208 der zweite Schalter 30 geöffnet und der erste Schalter 16 bzw. 40a, 40b mindestens einmal periodisch geschlossen und geöffnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann in der Boostphase nur Schalter 30 mit Schalter 16 bzw. 40a, 40b, ... aktiv sein.
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Es kann bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform aber auch sein, dass Schalter 30 aktiv ist, aber auch der Gleichspannungswandler 46 aktiv ist (taktet). Des weiteren kann bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch Gleichspannungswandler 46 aktiv sein (taktet), während dieser Zeit der Schalter 30 nur zeitweise aktiv ist, d.h. zeitweise den Gleichspannungswandler 46 unterstützt.
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In einem folgenden Block 210 ist in einem folgenden dritten Betriebszustand (Haltephase) der zweite Schalter 30 geöffnet und der erste Schalter 16; 40a, 40b wird mindestens einmal geschlossen und geöffnet. Alternativ kann der dritte Schalter 54 mindestens einmal geschlossen und geöffnet werden, wobei die Auswahl-Schalter 40a, 40b geschlossen sind, vergleiche die 3 bis 5.
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In einem folgenden Block 212 werden bzw. sind in einem folgenden vierten Betriebszustand (Abklingphase) der erste Schalter 16 bzw. 40a, 40b und der zweite Schalter 30 geöffnet. Optional ist ein "Restart" des Verfahrens möglich, d.h. nach dem Block 212 wird erneut in den Block 202 verzweigt (nicht in 11 gezeigt).
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können Mittel (nicht gezeigt) zur Messung der Spannung an dem bzw. den Kondensatoren 28a, 28b vorgesehen sein, so dass aus den ermittelten Kondensatorspannungen auch die in den Kondensatoren 28a, 28b gespeicherte Energie ermittelt bzw. errechnet werden kann.
