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Die Erfindung betrifft eine Solenoidvorrichtung, insbesondere ein Solenoidventil.
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Solenoidvorrichtungen werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen verwendet, zum Beispiel um eine elektromechanische Steuerung für Ventile in fluidischen Systemen bereitzustellen. Eine Solenoidspule in einem derartigen Ventil erzeugt ein Magnetfeld, das einen Ventilkolben, eine Membran oder dergleichen in Bewegung setzt, um das Ventil zwischen einem geöffneten und geschlossenen Zustand zu schalten.
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Um das Solenoid zu steuern, ist eine Ansteuereinheit notwendig, die die benötigte Spannung und den benötigten Strom bereitstellt, um das Solenoid in einen vordefinierten Zustand zu versetzen. Derartige Ansteuereinheiten sind gewöhnlich extern zum Solenoid selbst platziert, das gewöhnlich in einem separaten Gehäuse untergebracht ist. Im Allgemeinen ist die Ansteuereinheit auf einer Leiterplatte (PCB) bereitgestellt.
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Ein Beispiel für eine Solenoidvorrichtung gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Ein Solenoid S ist in einem Gehäuse 10 angeordnet. Anschlusskontakte A, B des Solenoids S sind mit einer externen Ansteuereinheit 12 in Form einer PCB verbunden. Die Ansteuereinheit 12 umfasst Verbinder 14 für eine Leistungsversorgung und Verbinder 16 für eine Kommunikationsverbindung mit weiteren externen Steuerungskomponenten.
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Bei einer komplexeren Anwendung, die mehrere Solenoide enthält, erfordert jegliche Änderung des Solenoidlayouts während der Konzeptionsphase eine Neukonzeption der PCB der Ansteuereinheit 12, um geänderten, hinzugefügten oder entfernten Solenoiden S Rechnung zu tragen. Darüber hinaus nimmt eine derartige PCB viel Platz ein, was in vielen Anwendungen mit eingeschränktem Installationsraum problematisch sein kann, wie dies zum Beispiel bei Kraftfahrzeuganwendungen der Fall ist.
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Es ist somit das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem, eine Solenoidvorrichtung bereitzustellen, die leicht anpassbar und insbesondere kompakt ist.
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Dieses Problem wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung umfasst eine Solenoidvorrichtung, insbesondere für ein Solenoidventil, eine Solenoidspule mit einem Gehäuse und eine Ansteuereinheit für die Solenoidspule, wobei die Ansteuereinheit innerhalb des Gehäuses der Solenoidspule angeordnet ist.
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Durch das Integrieren der Ansteuereinheit in das Solenoidgehäuse wird die Notwendigkeit für externe Schaltungen verringert, was eine kompakte Konfiguration gestattet. Darüber hinaus, da jede Solenoidvorrichtung ihre eigene Ansteuereinheit führt, müssen die externen Schaltkreise, falls überhaupt vorhanden, nicht neu konzipiert werden, falls irgendwelche Änderungen bezüglich des Solenoidlayouts einer bestimmten Einrichtung während der Konzeptionsphase oder während späterer Überarbeitungen vorgenommen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ansteuereinheit eine High-Side-Schaltertreiberschaltung und einen ersten Transistor, insbesondere einen MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor), wobei der erste Transistor dazu ausgelegt ist, ein erstes Potenzial an das Solenoid anzulegen, wenn er durch die High-Side-Schaltertreiberschaltung aktiviert wird.
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Der High-Side-Schalter ist so zu verstehen, dass der erste Transistor zwischen einem hohen Potenzial, d. h. der Leistungsversorgung, und dem Solenoid angeordnet ist. High-Side-Treiber sind gegenüber Massefehlern robust, die die häufigste Fehlerart in Kraftfahrzeuganwendungen sind.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ansteuereinheit eine Freilaufdioden-Treiberschaltung und einen zweiten Transistor, insbesondere einen MOSFET, wobei der zweite Transistor dazu ausgelegt ist, ein zweites Potenzial an das Solenoid anzulegen, wenn er durch die Freilaufdioden-Treiberschaltung aktiviert wird.
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Mit anderen Worten agiert der zweite Transistor wie eine Schutzdiode, die Rücklaufspannungsspitzen eliminiert, die durch einen Verlust oder eine Unterbrechung der Leistungsversorgung für die induktive Last des Solenoids verursacht werden. Zu diesem Zweck ist der zweite Transistor vorzugsweise parallel zum Solenoid angeordnet. Des Weiteren kann der zweite Transistor zum Beibehalten eines Stromflusses durch das Solenoid angewendet werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ansteuereinheit eine Low-Side-Schaltertreiberschaltung und einen dritten Transistor, insbesondere einen MOSFET, wobei der dritte Transistor dazu ausgelegt ist, ein drittes Potenzial an das Solenoid anzulegen, wenn er durch die Low-Side-Schaltertreiberschaltung aktiviert wird.
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Ein Low-Side-Schaltertreiber umfasst den Schalttransistor, der zwischen dem Solenoid und Masse angeordnet ist. Low-Side-Treiber sind allgemein leichter zu steuern, aber besitzen keinen Schutz vor Massefehlern im Vergleich zu High-Side-Treibern.
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Es wird ferner bevorzugt, dass der erste, der zweite und der dritte Transistor in Reihe geschaltet sind. Bei einer derartigen Ausführungsform bietet das Ansteuern die Möglichkeit, zwischen dem High-Side- und dem Low-Side-Treiber auszuwählen, um das Solenoid zu steuern, während der zweite Transistor einen Überspannungsschutz liefert, wenn das Solenoid in beiden dieser Fälle geschaltet wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist das erste und/oder das zweite und/oder das dritte Potenzial ein pulsweitenmoduliertes Signal. Pulsweitenmodulation (PWM) basiert auf dem Bereitstellen eines Rechtecksignals, das zwischen einem HIGH-Potenzialzustand und einem LOW-Potenzialzustand mit variierenden Impulslängen schaltet. Dies ermöglicht das Einstellen der Magnetfeldstärke des Solenoids auf eine analoge Art und Weise, während ein digitales Steuersignal bereitgestellt wird. Aufgrund der Tiefpassfilterungscharakteristiken des Solenoids hängt die resultierende durchschnittliche Magnetfeldstärke vom Tastverhältnis des an das Solenoid angelegten PWM-Signals ab, d. h. dem Verhältnis zwischen den Zeiten, in denen sich das PWM-Signal im HIGH-Zustand und im LOW-Zustand befindet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Solenoid mit einem Mess-Shunt in Reihe geschaltet und die Ansteuereinheit umfasst eine Messschaltung zum Messen eines Potenzialabfalls über den Mess-Shunt. Dies ermöglicht eine Überwachung der an das Solenoid angelegten Last.
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Es wird ferner bevorzugt, wenn das Solenoid und der Mess-Shunt mit dem zweiten Transistor parallel geschaltet sind, um einen Schutz gegenüber Rücklaufspannungsspitzen bereitzustellen.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ansteuereinheit eine Schnittstelle zum Empfangen von Befehlsanweisungen für die Solenoidvorrichtung und/oder zum Senden von Statusinformationen über die Solenoidvorrichtung, insbesondere über einen Feldbus, vorzugsweise einen CAN-Bus oder einen FlexRay-Bus. Dies ermöglicht eine Verbindung der Solenoidvorrichtung mit anderen Steuerungsvorrichtungen, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, auf eine standardisierte Weise.
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Es wird ferner bevorzugt, dass die Ansteuereinheit im Gehäuse des Solenoids eine die Schnittstelle bereitstellende Kommunikationsschaltung umfasst, wobei die Schnittstelle insbesondere eine Form einer CAN-Bus- oder FlexRay-Bus-Buchse besitzt. Die Kommunikationsschaltung kann externe Steuerbefehle in interne Befehle für die Treiber übersetzen und interne Statusinformationen der Ansteuereinheit an externe Vorrichtungen übermitteln.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ansteuereinheit als eine integrierte Schaltung konstruiert. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Form der Ansteuereinheit und somit der gesamten Solenoidvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung werden jetzt in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
- 1 eine Solenoidvorrichtung gemäß dem Stand der Technik darstellt;
- 2 eine schematische Darstellung einer Solenoidvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt und
- 3 einen schematischen Schaltplan einer Solenoidvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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Die in 2 dargestellte Solenoidvorrichtung umfasst ein Solenoid S, das in einem Gehäuse 10 angeordnet ist. Eine Ansteuereinheit 12 ist mit Anschlussverbindern A, B des Solenoids S verbunden und im Gehäuse 10 zusammen mit dem Solenoid S angeordnet. Die Ansteuereinheit 12 ist mit einer externen Leiterplatte, PCB, 18 verbunden, die Verbinder 14 für eine Leistungsversorgung und Verbinder 16 für Steuersignale bereitstellt. Da die Ansteuereinheit 12 mit dem Solenoidgehäuse 10 integriert ist, kann die externe Leiterplatte 18 kleiner als im Fall des in 1 dargestellten Stands der Technik sein und kann von der Art des Solenoids S unabhängig sein.
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Wie in 3 dargestellt, umfasst die Ansteuereinheit 12 einen High-Side-Schaltertreiber 20, der mit einem MOSFET T1 verbunden ist. Wenn der High-Side-Schaltertreiber 20 den MOSFET T1 aktiviert, wird der Anschlussverbinder A des Solenoids S mit dem hohen Potenzialniveau der Leistungsversorgung (gewöhnlich zwischen 10 V und 15 V) verbunden, während der Anschlussverbinder B über einen Mess-Shunt RS mit Masse verbunden wird.
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Ein weiterer MOSFET T2 kann über einen Freilaufdioden-Treiber 22 aktiviert werden. Der MOSFET T2 ist mit dem Solenoid S und dem Mess-Shunt RS parallel geschaltet und agiert als eine Rücklaufdiode, die Rücklaufspannungsspitzen bei einer Deaktivierung des Solenoids S verhindert. Er kann ferner zum Beibehalten eines Stromflusses durch das Solenoid S genutzt werden.
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Ein Low-Side-Schaltertreiber 24 steuert einen dritten MOSFET T3. Wenn er aktiviert ist, verbindet der MOSFET T3 den Anschlussverbinder B des Solenoids über den Mess-Shunt RS mit Masse, während der Anschlussverbinder A des Solenoids mit dem hohen Potenzialniveau der Leistungsversorgung verbunden wird.
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Diese Anordnung ermöglicht ein Ansteuern des Solenoids S entweder in einem High-Side-Modus oder in einem Low-Side-Modus. Welcher Modus gewählt wird, hängt von der bestimmten Anwendung des Solenoids S ab. Ein Verbinderstift 19 der Ansteuereinheit 20 kann ein externes Signal zum Steuern des Ansteuermodus empfangen oder kann entweder mit Masse oder einem hohen Potenzial fest verdrahtet sein, um einen festen Ansteuermodus für das Solenoid S einzustellen.
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Wenn er sich im High-Side-Modus befindet, stellt der erste MOSFET T1 eine Steuerung für das Solenoid S bereit. Der MOSFET T3 wird in dieser Anordnung nicht für Steuerungszwecke verwendet, sondern stellt stattdessen eine Schutzfunktion bereit, indem das Solenoid im Fall einer Fehlfunktion, wie einem Überstrom, einem Kurzschluss am Solenoid oder einem Defekt des Low-Side-Schaltertreibers 24, von der Masse getrennt wird.
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Die Treiber 20, 22, 24 liefern pulsweitenmodulierte (PWM) Signale an die jeweiligen Gates der MOSFETS T1, T2, T3, um sie zu aktivieren oder zu deaktivieren. Da die MOSFETS im Gleichlauf mit dem PWM-Signal aktiviert und deaktiviert werden, folgt das resultierende Potenzial zum Solenoid S auch dem PWM-Signal. Aufgrund der Induktivität des Solenoids S ist das Signal geglättet, so dass das resultierende Magnetfeld größtenteils konstant ist. Die resultierende Feldstärke kann durch ein Ändern des Tastverhältnisses des PWM-Signals moduliert werden.
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Ein Strommessblock 26 kann den Spannungsabfall über den Mess-Shunt RS überwachen, um die an das Solenoid S angelegte Last zu bestimmen.
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Die Steuersignale für die Treiber 20, 22, 24 können über eine Kommunikationsschaltung 28 empfangen werden, die auch interne Informationen der Ansteuereinheit 12 zurück zu externen Vorrichtungen übertragen kann. Die Kommunikationsschaltung 28 ist mit den Verbindern 16 gekoppelt, die vorzugsweise eine CAN- oder FlexRay-Busschnittstelle für Kraftfahrzeuganwendungen bereitstellen.
