-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Wandeln eines differentiellen Eingangssignals in ein rechteckförmiges Ausgangssignal.
-
Stand der Technik
-
Die Drehwinkelposition und die Drehzahl der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sind wesentliche Eingangsgrößen für viele Funktionen der elektronischen Motorsteuerung. Zu ihrer Ermittlung können auf einem mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine rotierenden Körper in gleichen Winkelabständen Markierungen vorgesehen sein. Das Vorbeistreichen einer Markierung infolge der Kurbelwellendrehung kann durch einen Sensor erfasst und als elektrisches Signal an eine Auswertelektronik weitergegeben werden.
-
Diese Elektronik bestimmt für die jeweilige Drehwinkelposition der Kurbelwelle das jeweils hierfür hinterlegte Signal für die Markierung bzw. misst eine Zeitdifferenz zwischen zwei Markierungen und kann aufgrund des bekannten Winkelabstands zweier Markierungen zueinander die Winkelgeschwindigkeit und daraus die Drehzahl ermitteln. Bei Kraftfahrzeugen, insbesondere ATV (engl. All Terrain Vehicle), Motorrädern, Mopeds oder Krafträdern, können die Markierungen beispielweise durch Zähne eines metallischen Zahnrads, eines sogenannten Geberrads, bereitgestellt werden, welche durch ihre Bewegung in dem Sensor eine Änderung des Magnetfelds bewirken. Eine Lücke von einigen Zähnen kann als Bezugsmarke zur Erkennung der absoluten Position dienen.
-
Während bei Pkws zumeist 60-2 Zähne verwendet werden (gleichmäßige Verteilung von 60 Zähnen, wobei zwei ausgespart bleiben), kommen bei Motor- bzw. Krafträdern beispielweise auch Geberräder mit 36-2, 24-2 oder 12-3 Zähnen zum Einsatz. Bei diesem indirekten Prinzip der Drehgeschwindigkeitsbestimmung bzw. Drehwinkelpositionsbestimmung der Kurbelwelle wird die Auflösung des Drehzahlsignals bzw. die absolute Erfassung der Drehwinkelposition durch die Anzahl der Zähne und durch eine sichere Erkennung der Bezugsmarke bestimmt.
-
Bei jedem modernen Fahrzeug mit Brennkraftmaschine ist ein Generator verbaut, der durch die Drehung der Kurbelwelle angetrieben wird und elektrische Signale liefert, die zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie und dem Aufladen der Fahrzeugbatterie dienen. Der vorgesehene Betrieb eines Fahrzeugs ohne diesen Generator ist nicht oder nur für kurze Zeit möglich.
-
Eine Nutzung der elektrischen Ausgangsgrößen einer über die Kurbelwelle angetriebenen elektrischen Maschine (Generator) wird beispielsweise in der
DE 10 2014 206 173 A1 zur Drehzahlbestimmung verwendet. Zu diesem Zweck werden ein oder mehrere Signale der elektrischen Maschine ausgewertet, die jeweils ein oder mehrere Werte aufweisen, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors der elektrischen Maschine auftreten. Durch Berechnen einer Zeitdifferenz zwischen zwei Auftrittszeitpunkten von Werten wird die Drehzahl berechnet.
-
Ferner wird in der
DE 10 2016 221 459 A1 offenbart, derartige elektrische Ausgangsgrößen zur Bestimmung einer Drehwinkelposition einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu verwenden. Zu diesem Zweck wird ein Auftrittszeitpunkt zumindest eines Werts eines Phasensignals der elektrischen Maschine, der jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors auftritt, zur Bestimmung einer Drehwinkellage des Rotors genutzt, bestimmt. Die Drehwinkelposition der Kurbelwelle wird aus der Drehwinkellage und einem Winkelversatz berechnet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund wird eine Schaltungsanordnung zum Wandeln eines differentiellen Eingangssignals in ein rechteckförmiges Ausgangssignal mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Eingangsanschluss und einen zweiten Eingangsanschluss zur Einspeisung des differentiellen Eingangssignals in einen Eingangssignalpfad, einen ersten Potentialanschluss und einen zweiten Potentialanschluss zur Verbindung mit einer Versorgungsspannung sowie einen Ausgangsanschluss zur Ausgabe des rechteckförmigen Ausgangssignals auf. Beispielsweise kann an den Eingangsanschlüssen eine Quelle angeschlossen werden, welche das differentielle Eingangssignal erzeugt, beispielsweise ein Generator bzw. eine entsprechende elektrische Maschine. Als differentielles Eingangssignal wird dabei ein aus zwei gegenphasigen Signalteilen bestehendes Signal verstanden, von denen jeder Signalteil an einem der Eingänge anliegt. Bei einem Generator liegt ein differentielles Signal insbesondere an beiden Enden einer Statorphasenwicklung an.
-
An den Ausgangsanschluss kann beispielsweise eine Recheneinheit angeschlossen werden, etwa ein Steuergerät, zur weiteren, insbesondere digitalen Auswertung des Ausgangssignals. An den Potentialanschlüssen kann insbesondere eine Gleichspannungsquelle, z.B. eine Batterie, angeschlossen werden, um die Schaltungsanordnung bzw. deren Komponenten mit elektrischer Energie zu versorgen.
-
Ferner weist die Schaltungsanordnung eine Signalauswertungseinheit mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang auf, die dazu eingerichtet ist, an ihrem Ausgang darzustellen, ob ein Eingangssignal eine positive oder negative Potentialdifferenz zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Eingang aufweist, Insbesondere kann dies mittels eines positiven und negativen Ausgangssignalpegels erfolgen, wobei insbesondere Nulldurchgänge des Eingangssignals an dem Ausgang als Signalflanken ausgegeben werden. Eine solche Signalauswertungseinheit kann insbesondere eine Verstärkerschaltung mit einem ersten Eingang (insbesondere nicht invertierender Eingang), einem zweiten Eingang (insbesondere invertierender Eingang) und einem Ausgang sein. Die Ein- und Ausgänge der Verstärkerschaltung sind insbesondere jeweils in einem Signalpfad mit den entsprechenden Ein- und Ausgängen der Signalauswertungseinheit verbunden. Die Verstärkerschaltung kann insbesondere einen Operationsverstärker, einen Komparator, einen Differenzverstärker oder auch entsprechende diskrete Schaltungen mit vergleichbarer Funktionalität aufweisen.
-
Ferner ist über den Eingangssignalpfad der erste Eingang der Signalauswertungseinheit mit dem ersten Eingangsanschluss verbunden, der zweite Eingang der Signalauswertungseinheit mit dem zweiten Eingangsanschluss und der Ausgang der Signalauswertungseinheit über einen Ausgangsignalpfad mit dem Ausgangsanschluss. Somit wird der Signalauswertungseinheit zweckmäßigerweise das differentielle Eingangssignal zugeführt und von dieser in das rechteckförmige Ausgangssignal gewandelt, welches an den Ausgangsanschluss weitergeleitet bzw. bereitgestellt wird.
-
Die Schaltungsanordnung ist dazu eingerichtet, ein differentielles, analoges Eingangssignal, insbesondere ein symmetrisches, periodisches Signal, in ein rechteckförmiges, digitales Ausgangssignal insbesondere mit zwei diskreten Pegeln zu wandeln. Durch die Schaltungsanordnung werden die Nulldurchgänge des Eingangssignals als Flanken des Ausgangssignals dargestellt, insbesondere als steigende oder fallende Flanken im Ausgangssignal. Dabei zeigt der aktuelle Pegel des Ausgangssignals zweckmäßigerweise an, ob aktuell eine positive oder eine negative Potentialdifferenz zwischen den Eingangsanschlüssen vorliegt. Insbesondere kann - bezogen auf den ersten Eingangsanschluss - ein positives Eingangssignal bzw. eine positive Eingangsspannung (d.h. Potential am ersten Eingangsanschluss höher als am zweiten) als ein High-Pegel ausgegeben werden und ein negatives Vorzeichen des Eingangssignals bzw. eine negative Eingangsspannung entsprechend als ein Low-Pegel. Ein Umschalten des Ausgangs erfolgt insbesondere dann, wenn das Vorzeichen der Differenz der Eingänge wechselt, also ein Nulldurchgang im differentiellen Eingangssignal vorliegt.
-
Als Eingangssignal kann insbesondere ein elektrisches Signal eines Generators bzw. einer entsprechenden elektrischen Maschine verwendet werden, insbesondere ein Spannungs- oder Stromsignal einer derartigen elektrischen Maschine, zweckmäßigerweise eine Phasenspannung oder ein Phasenstrom einer Phase der elektrischen Maschine. Somit kann durch die Schaltungsanordnung ein analoges elektrisches Signal der elektrischen Maschine digitalisiert werden, beispielsweise zur Auswertung oder Überwachung der elektrischen Maschine oder mit diesen verbundenen Komponenten. Vorteilhafterweise ist daher an dem ersten Eingangsanschluss und dem zweiten Eingangsanschluss eine Phase einer elektrischen Maschine bzw. deren beide Enden angeschlossen.
-
Besonders eignet sich die Schaltungsanordnung zur Verwendung in einem Fahrzeug, insbesondere für eine mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine des Fahrzeuges gekoppelte elektrische Maschine, die z.B. als Drehstromlichtmaschine ausgebildet sein kann. Elektrische Signale der elektrischen Maschine, insbesondere Phasenströme oder Phasenspannungen, weisen Nulldurchgänge auf, die jeweils wenigstens einmal pro Umdrehung des Rotors und somit pro Umdrehung der gekoppelten Brennkraftmaschine auftreten. Ein Auswerten dieser Nulldurchgänge, insbesondere der Zeitabstände dieser Nulldurchgänge, ermöglicht es zweckmäßigerweise auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine rückzuschließen.
-
Der Schaltungsanordnung kann somit zweckmäßigerweise ein Phasenstrom oder eine Phasenspannung einer derartigen elektrischen Maschine als differentielles Eingangssignal zugeführt werden, so dass Nulldurchgänge dieses Eingangssignals in Flanken des rechteckförmigen Ausgangssignals umgewandelt werden. Ein Auswerten dieser Flanken bzw. deren Zeitabstände zueinander ermöglicht es zweckmäßigerweise, Rückschlüsse auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu ziehen. Vorteilhafterweise ist daher an dem ersten und zweiten Eingangsanschluss eine Phase einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs angeschlossen. An dem ersten und zweiten Potentialanschluss ist vorteilhafterweise eine Batterie angeschlossen, vorzugsweise eine Fahrzeugbatterie.
-
Die Schaltungsanordnung stellt somit insbesondere eine Schaltung zur Gewinnung von Drehzahlinformationen einer Brennkraftmaschine aus elektrischen Signalen einer mit dieser Schaltungsanordnung gekoppelten elektrischen Maschine dar. Zu diesem Zweck ermöglicht die Schaltungsanordnung, insbesondere Informationen aus den elektrischen Signalen einer derartigen elektrischen Maschine zu extrahieren und in einer geeigneten Form für eine digitale Auswertung in einer Recheneinheit bereitzustellen, beispielsweise in Form eines Steuergeräts bzw. Motorsteuergeräts. Insbesondere eignet sich die Schaltungsanordnung somit für Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wie sie in der
DE 10 2014 206 173 A1 oder der
DE 10 2016 221 459 A1 gezeigt sind.
-
Vorteilhafterweise weist die Schaltungsanordnung ferner eine Signalverarbeitungseinheit zur Filterung des Eingangssignals auf. Insbesondere ist diese Signalverarbeitungseinheit der Signalauswertungseinheit im Eingangssignalpfad direkt vorgeschaltet. Die Signalverarbeitungseinheit fungiert insbesondere als ein Filter, beispielsweis als ein Tiefpassfilter. Mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit können somit insbesondere Störungen aus dem Eingangssignal entfernt werden, um eine brauchbare Auswertung des Eingangssignals zu ermöglichen. Die Signalverarbeitungseinheit weist beispielsweise zwei Widerstandselemente und einen Kondensator auf.
-
Vorzugsweise weist die Schaltungsanordnung ferner eine Signalaufbereitungseinheit zur Aufbereitung des Eingangssignals auf. Bevorzugt ist diese Signalaufbereitungseinheit der Signalverarbeitungseinheit im Eingangssignalpfad vorgeschaltet. Durch die Signalaufbereitungseinheit kann das Eingangssignal insbesondere aufbereitet werden, um eine Verarbeitung in den nachfolgenden Schaltungsteilen zu ermöglichen. Insbesondere kann das Eingangssignal durch die Signalaufbereitungseinheit mit einem Spannungsoffset versehen werden, um dieses in einen optimalen Arbeitspunkt nachfolgender Schaltungsteile zu verschieben. Die Signalaufbereitungseinheit weist beispielsweise vier Widerstandselemente und drei Kondensatoren auf.
-
Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung ferner eine Begrenzungseinheit zur Begrenzung der Spannung und des Stroms des Eingangssignals auf. Vorzugsweise ist diese Begrenzungseinheit der Signalaufbereitungseinheit im Eingangssignalpfad vorgeschaltet. Je nach Spannungsamplitude oder Leistung des Eingangssignals kann dessen Spannung und Strom mit Hilfe der Begrenzungseinheit eingangs begrenzt werden, um die nachfolgenden Schaltungsteile nicht zu überlasten oder zu beschädigen. Die Begrenzungseinheit weist beispielsweise zwei Widerstandselemente und zwei Dioden auf.
-
Vorteilhafterweise weist die Schaltungsanordnung sowohl die Begrenzungseinheit als auch die Signalaufbereitungseinheit und die Signalverarbeitungseinheit auf. Die Signalaufbereitungseinheit ist vorteilhafterweise der Begrenzungseinheit nachgeschaltet und die Signalverarbeitungseinheit ist vorteilhafterweise der Signalaufbereitungseinheit nachgeschaltet.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als ein Blockidagramm.
- 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als ein Schaltdiagramm.
- 3 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer Gleichrichterschaltung als ein Schaltdiagramm.
- 4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung als ein Schaltdiagramm.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder baugleiche Elemente.
-
In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt. Die einzelnen in 1 dargestellten Funktionsblöcke repräsentieren dabei verschiedene Schaltungsteile der Schaltungsanordnung 100.
-
Die Schaltungsanordnung 100 weist einen ersten Potentialanschluss V+ und einen zweiten Potentialanschluss V- zur Verbindung mit einer Versorgungsspannung auf.
-
Ein erster Funktionsblock 110 ist zur Versorgung für die nachfolgenden Funktionsblöcke vorgesehen. Je nach an den Potentialanschlüssen V+ und V-angeschlossener Versorgungsspannungsquelle kann diese Versorgungsspannung entsprechend stabilisiert werden und deren Spannungsniveau angepasst werden, um einen stabilen Betrieb der nachfolgenden Schaltungsteile zu ermöglichen. Hierfür kann der Funktionsblock 110 beispielsweise Stützkapazitäten, Spannungsregler, Spannungs- oder Strombegrenzer (insbesondere Widerstand) umfassen.
-
Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 100 einen ersten Eingangsanschluss In+ und einen zweiten Eingangsanschluss In- zur Einspeisung eines differentiellen Eingangssignals in einen Eingangssignalpfad, welches von den Funktionsblöcken 120, 130, 140, 150 und 160 in ein rechteckförmigesAusgangssignal gewandelt wird, welches an einem Ausgangsanschluss Out ausgegeben wird.
-
Der Funktionsblock 120 ist als eine Begrenzungseinheit für eine Spannungs- und/oder Strombegrenzung vorgesehen. Je nach Spannungsamplitude oder Leistung des Eingangssignals kann es notwendig sein, dessen Spannung und Strom eingangsseitig mit Hilfe des Funktionsblocks 120 zu begrenzen, um die nachfolgenden Schaltungsteile nicht zu überlasten oder zu beschädigen.
-
Der Funktionsblock 130 ist als eine Signalaufbereitungseinheit vorgesehen. Gegebenenfalls kann es notwendig sein, ein limitiertes Eingangssignal aufzubereiten, um eine Verarbeitung in den nachfolgenden Schritten zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Eingangssignal zu diesem Zweck von dem Funktionsblock 130 mit einem Spannungsoffset versehen werden, um es in einen optimalen Arbeitspunkt nachfolgender Blöcke zu verschieben.
-
Der Funktionsblock 140 ist als eine Signalverarbeitungseinheit vorgesehen. Um eine brauchbare Auswertung des Signals zu ermöglichen, können in dem Funktionsblock 140 Störungen aus dem Eingangssignal mit Hilfe eines Filters entfernt werden, z.B. mittels eines Tiefpass-Filters.
-
Der Funktionsblock 150 ist als eine Signalauswertungseinheit ausgeführt. Die Schaltungsanordnung 100 ist dazu vorgesehen, an ihrem Ausgang darzustellen, ob das Eingangssignal eine positive oder negative Potentialdifferenz aufweist. Das Eingangssignal wird zu diesem Zweck in dem Funktionsblock 150 derart ausgewertet bzw. umgewandelt, dass Nulldurchgänge der Eingangsspannung an dem Ausgang als (möglichst steile) Signalflanken ausgegeben werden, so dass aus einem beliebigen Eingangssignal ein rechteckförmiges Ausgangssignal entsteht, welches das Vorzeichen der Eingangsspannung durch dessen Pegel und die Nulldurchgänge der Eingangsspannung als steigende beziehungsweise fallende Flanken darstellt. Ein positives Vorzeichen der Eingangsspannung wird dabei insbesondere als High-Pegel dargestellt und ein negatives Vorzeichen insbesondere als Low-Pegel. Hierfür wird in diesem Funktionsblock 150 insbesondere ausgewertet, welches Vorzeichen die Eingangsspannung aufweist und ein entsprechendes Signal für die Ausgangsstufe erzeugt.
-
In dem Funktionsblock 160 kann das Ausgangssignal je nach benötigter Ausgangsspannung und Ausgangsleistung entsprechend verstärkt und an dem Ausgang der Schaltungsanordnung 100 ausgegeben werden.
-
2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 als ein Schaltdiagramm.
-
Eine hier einen Operationsverstärker OPV sowie ein Widerstandselement R10 und einen Kondensator C6 aufweisende Verstärkerschaltung stellt dabei die Signalauswertungseinheit bzw. den Funktionsblock 150 dar. Über den Eingangssignalpfad ist ein erster Eingang des Operationsverstärkers OPV mit dem ersten Eingangsanschluss In+ verbunden und ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers OPV mit dem zweiten Eingangsanschluss In-. Ein erster Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers OPV ist mit dem ersten Potentialanschluss V+ verbunden und ein zweiter Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers OPV mit dem zweiten Potentialanschluss V-. Ein Ausgang des Operationsverstärkers OPV ist über einen Ausgangssignalpfad mit dem Ausgangsanschluss Out verbunden. Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers OPV über das Widerstandselement R10 und den ersten Kondensator C6 mit dem ersten Eingang des Operationsverstärkers OPV verbunden bzw. rückgekoppelt.
-
Ein Widerstandselement R1 ist dem ersten Potentialanschluss V+ nachgeschaltet und dient zusammen mit einem Kondensator C5 als Funktionsblock 110 zur Strombegrenzung und Spannungsstabilisierung für die Spannungsversorgung. Der Kondensator C5 ist parallel zu den Versorgungsanschlüssen des Operationsverstärkers OPV zwischen den ersten Potentialanschluss V+ und den zweiten Potentialanschluss V- geschaltet. Wenn der Leistungsbedarf der Schaltungsanordnung 100 so gering ist, dass eine Strombegrenzung für die an V+, V- angeschlossene Quelle nicht notwendig ist, kann das Widerstandselement R1 auch weggelassen werden kann. Wenn die Spannung ausreichend stabil ist, sodass die Pufferwirkung des Kondensators C5 nicht benötigt wird, kann dieser auch weggelassen werden.
-
Die Begrenzungseinheit bzw. der Funktionsblock 120 weist zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse im Eingangssignalpfad auf und ist in Form von zwei Widerstandselementen R2 und R3 sowie zwei Dioden D1 und D2 realisiert. Das Widerstandselement R2 ist zwischen einen ersten Eingangsanschluss und einen ersten Ausgangsanschluss der Begrenzungseinheit geschaltet, das Widerstandselement R3 zwischen einen zweiten Eingangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss der Begrenzungseinheit. Eine Anode der Diode D1 ist mit dem ersten Widerstandselement R2 verbunden ist und eine Kathode dieser Diode D1 mit dem zweiten Potentialanschluss V-. Entsprechend ist eine Anode der Diode D2 mit dem zweiten Widerstandselement R3 verbunden ist und die Kathode dieser Diode D2 mit dem zweiten Potentialanschluss V-. Die Dioden D1 und D2 bewirken eine Begrenzung positiver Eingangsspannungen auf ihre Durchlassspannung (typisch 0,3-0,7 Volt). Ist zusätzlich eine Begrenzung negativer Spannungen gewünscht, können jeweils zu den Dioden D1 und D2 antiparallele Dioden ergänzt werden. Deren Kathoden wären dann mit den Widerständen R2 beziehungsweise R3 und deren Anoden mit dem Potentialanschluss V- verbunden.
-
Die Dimensionierung der Widerstandselemente R2 und R3 kann abhängig von der zu erwartenden maximalen Eingangsspannung und der damit verbundenen Verlustleistung erfolgen, die an den Dioden D1 und D2 auftreten darf. Insbesondere sind dabei die Widerstandselemente R2 und R3 sowie die Dioden D1 und D2 jeweils identisch dimensioniert.
-
Die Signalaufbereitungseinheit bzw. der Funktionsblock 130 weist zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse im Eingangssignalpfad auf und ist in Form von mit vier Widerstandselementen R4, R5, R6, R7 und drei Kondensatoren C1, C2, C3 realisiert. Dabei sind die Widerstandselemente R6 und R7 als Spannungsteiler parallel zwischen den ersten Potentialanschluss V+ und den zweiten Potentialanschluss V- geschaltet. Der Kondensator C1 ist zwischen einen ersten Eingangsanschluss und einen ersten Ausgangsanschluss der Signalaufbereitungseinheit geschaltet und eingangsseitig mit dem Widerstandselement R2 verbunden. Entsprechend ist der Kondensator C2 zwischen einen zweiten Eingangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss der Signalaufbereitungseinheit geschaltet und eingangsseitig mit dem Widerstandselement R3 verbunden. Ferner ist der erste Kondensator C1 über das Widerstandselement R4 mit dem Widerstandselement R6 verbunden und der Kondensator C2 über das Widerstandselement R5 mit dem Widerstandselement R7. Der Kondensator C3 ist ferner mit einem Punkt zwischen den Widerstandselementen R6 und R7 sowie mit dem zweiten Potentialanschluss V- verbunden.
-
Insbesondere werden die Kondensatoren C1, C2, C3 und die Widerstände R4, R5, R6, R7 dazu verwendet, das eingangsseitig begrenzte Eingangssignal mit einer Offsetspannung zu versehen. Diese Offsetspannung wird insbesondere dabei über den Spannungsteiler R6, R7 so gewählt, dass das auszuwertende differentielle Eingangssignal in einem geeigneten Bereich für den nachfolgenden Operationsverstärker OPV liegt.
-
Der Kondensator C3 dient dazu, die Offsetspannung zu stabilisieren. Die Kondensatoren C1 und C2 ziehen die limitierten Eingangsspannungen auf das Niveau der Offsetspannung. Die Dimensionierung dieser beiden Kondensatoren C1 und C2 wird insbesondere so groß gewählt, dass auch für niedrige Eingangsfrequenzen keine Sättigung der Kondensatoren auftritt und die Spannungsschwankungen am Eingang auch in der mit einem Offset versehenen Spannung vor den nachfolgenden Widerstandselementen R8 bzw. R9 erhalten bleiben.
-
Die Widerstandselemente R4 und R5 dienen dazu, die vorgegebene Offsetspannung zwischen den Widerstandselementen R6 und R7 durch Aufladevorgänge der Kapazitäten C1 und C2 zu entlasten. Sie wirken dabei als Strombegrenzung und damit offsetspannungs-stabilisierend. Insbesondere sind die Widerstandselemente R4 und R5 sowie die Kondensatoren C1 und C2 jeweils identisch dimensioniert.
-
Die Signalverarbeitungseinheit bzw. der Funktionsblock 140 weist zwei Eingangsanschlüsse und zwei Ausgangsanschlüsse im Eingangssignalpfad auf und ist in Form von zwei Widerstandselementen R8 und R9 sowie eines Kondensators C4 realisiert. Das Widerstandselement R8 ist zwischen einen ersten Eingangsanschluss und einen ersten Ausgangsanschluss der Signalverarbeitungseinheit geschaltet und mit dem Kondensator C1 verbunden. Entsprechend ist das Widerstandselement R9 zwischen einen zweiten Eingangsanschluss und einen zweiten Ausgangsanschluss der Signalverarbeitungseinheit geschaltet und mit dem Kondensator C2 verbunden. Der Kondensator C4 ist zwischen die zwei Ausgangsanschlüsse der Signalverarbeitungseinheit geschaltet. Insbesondere ist dieser Kondensator somit dem Operationsverstärker OPV vorgeschaltet und zweckmäßigerweise parallel zu den Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers geschaltet.
-
Über die Widerstände R8, R9 und den Kondensator C4 wird eine Filterung des differentiellen, offset-verschobenen Eingangssignals vorgenommen. Dieser Filter verhält sich insbesondere wie ein Tiefpass und dient zweckmäßigerweise dazu hochfrequentes Rauschen auf dem Eingangssignal, welches durch Umgebungsrauschen etc. auf die Signalleitungen am Eingang einkoppeln kann, zu unterdrücken. Die Dimensionierung erfolgt insbesondere derart, dass die höchste zu erwartende Frequenz der Eingangssignale noch nicht in den Dämpfungsbereich des Filters fällt. Insbesondere sind die Widerstandselemente R8 und R9 identisch dimensioniert.
-
Der Operationsverstärker OPV zeigt an seinem Ausgang durch eine Spannung auf Niveau seiner positiven Versorgungsspannung an, dass die Differenz seiner Eingangssignale positiv ist, und durch eine Spannung auf Niveau seiner negativen Versorgungsspannung, dass die Differenz seiner Eingangssignale negativ ist. Das bedeutet, dass ein Umschalten des Eingangs immer dann erfolgt, wenn das Vorzeichen der Differenz der Eingangssignale wechselt, also ein Nulldurchgang im differentiellen Eingangssignal vorliegt.
-
Durch die Offset-Verschiebung der Eingangssignale in den optimalen Arbeitspunkt des Operationsverstärkers OPV kann in dieser Schaltung ein Operationsverstärker verwendet werden, der ohne negative Versorgungsspannung auskommt. Damit können an V+ und V- die Pole einer Fahrzeugbatterie angeschlossen werden und es muss keine weitere Anpassung dieser Spannung vorgenommen werden.
-
Der Ausgang des Operationsverstärkers OPV wird über den Widerstand R10 und den Kondensator C6 auf den ersten Eingang des Operationsverstärkers OPV zurückgekoppelt. Das hat zur Folge, dass bei jedem Umschalten des Ausgangs ein kurzer Puls auf den ersten Eingang gegeben wird und damit dessen Spannungsniveau deutlich gegenüber dem anderen Eingang verändert. Die Auslenkung erfolgt dabei immer in Richtung der zu erwartenden Differenz der Eingangssignale nach dem Umschalten des Ausgangs, sodass ein schnelles erneutes Umschalten des Ausgangs durch Signalrauschen im Bereich sehr kleiner Spannungsdifferenzen an den Eingängen vermieden wird. Die Rückkopplung unterdrückt damit Rauscheinflüsse im Bereich der Nulldurchgänge des differentiellen Eingangssignals und dient als weitere Sicherheit neben dem Tiefpassfilter.
-
Die Pulslänge wird dabei durch die Dimensionierung des Widerstandselements R10 und des Kondensators C6 insbesondere derart gewählt, dass der Puls sicher vorbei ist, bevor auch für die maximale zu erwartende Frequenz an den Eingängen ein neuer Nulldurchgang der differentiellen Spannung vorliegt.
-
Der Kondensator C5 dient zur Stabilisierung der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers OPV und sollte möglichst in dessen Nähe platziert werden. Geeignete Dimensionierungen können beispielsweise in Datenblättern des gewählten Operationsverstärkers OPV vorgeschlagen sein.
-
Der erste Versorgungsspannungsanschluss des Operationsverstärkers OPV kann ferner über ein Widerstandselement R11 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OPV verbunden sein. Das Ausgangssignal Out kann über dieses Widerstandselement R11 strombegrenzt werden, um nachfolgende Schaltungen zu schützen. Außerdem dient dieses Widerstandselement R11 insbesondere dazu, bei der Verwendung eines Operationsverstärkers mit Open-Collector-Ausgang einen definierten Signalzustand am Ausgang für High-Pegel zu liefern.
-
Soll die Ausgangsspannung am Ausgang Out einen bestimmten Wert nicht überschreiten, kann beispielsweise eine Zener-Diode mit entsprechender Zener-Spannung zur Spannungsbegrenzung zwischen den Ausgang Out und den Potentialanschluss V- geschaltet werden, wobei die Anode mit dem Potentialanschluss V- und die Kathode mit dem Ausgang Out verbunden wird, oder der Widerstand R11 nicht zwischen die Versorgungsspannung und den Ausgang Out gesetzt werden, sondern statt der Versorgungsspannung eine entsprechende Spannung angelegt werden.
-
Wird eine höhere Stabilität der Offsetspannung benötigt, die mittels der Widerstandselemente R6 und R7 generiert wird, kann das Widerstandselement R7 durch eine Zener-Diode mit gewünschter Zener-Spannung ersetzt werden, wobei die Anode mit dem Potentialanschluss V- und die Kathode mit Widerstandselement R4 bzw. R6 verbunden wird. In diesem Fall wirkt das Widerstandselement R6 als Strombegrenzer zum Schutz der Zener-Diode und als Einstellparameter für deren Arbeitspunkt und nicht mehr als Teil eines Spannungsteilers.
-
In besonders vorteilhafter Weise eignet sich die Schaltungsanordnung 100 zur Verwendung in einem Fahrzeug, um ein elektrisches Signal einer elektrischen Maschine bzw. eines Generators des Fahrzeugs als differentielles, analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal zu wandeln. Insbesondere kann ein Phasenstrom oder eine Phasenspannung einer Phase einer derartigen elektrischen Maschine als Eingangssignal verwendet werden. Da eine derartige elektrische Maschine insbesondere mit einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs gekoppelt ist, kann aus charakteristischen Merkmalen dieses Eingangssignals, insbesondere aus den Nulldurchgängen bzw. aus deren Zeitabständen, auf die Drehzahl der Brennkraftmaschine rückgeschlossen werden. Das rechteckförmige Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 100 kann daher beispielsweise einem Steuergerät des Fahrzeugs zu einer Bestimmung der Drehzahl zugeführt werden.
-
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Gleichrichterschaltung 200, die bevorzugt als Teil einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 insbesondere bei Verwendung in einem Fahrzeug verwendet werden kann. 4 zeigt eine solche bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100 in einer derartigen Verwendung in einem Fahrzeug. Eine elektrische Maschine des Fahrzeugs ist mit 210 bezeichnet und beispielhaft als eine einphasige elektrische Maschine dargestellt, kann jedoch in entsprechender Weise beispielsweise auch als dreiphasige elektrische Maschine ausgebildet sein. Insbesondere ist die elektrische Maschine 210 als eine Drehstromlichtmaschine ausgebildet und mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine des Fahrzeuges gekoppelt, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3 nicht explizit dargestellt ist. Insbesondere ist die elektrische Maschine 210 zum Laden einer Batterie vorgesehen, die insbesondere als Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet und Teil eines Bordnetzes sein kann. Anschlüsse dieser Batterie sind in 3 mit B+ und B- bezeichnet.
-
Diese Fahrzeugbatterie B+, B- ist ferner an den Potentialanschlüssen V+ und V-der Schaltungsanordnung 100 (4) als Versorgungsspannung angeschlossen. An dem ersten Eingangsanschluss In+ und dem zweiten Eingangsanschluss In- der Schaltungsanordnung 100 ist die eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine 210 angeschlossen, als differentielles Eingangssignal wird der Schaltungsanordnung 100 die Phasenspannung dieser Phasenwicklung zugeführt.
-
Die Schaltungsanordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich in besonders vorteilhafter Weise, um in Kombination mit einer Gleichrichterschaltung verwendet zu werden, wie sie 3 schematisch dargestellt und mit 200 bezeichnet ist.
-
Eine derartige Gleichrichterschaltung 200 ist in der am selben Tag eingereichten Patentanmeldung „Schaltungsanordnung und Gleichrichterschaltung für eine elektrische Maschine“ der Anmelderin offenbart, auf welche hinsichtlich Details zu einer solchen Gleichrichterschaltung verwiesen wird und deren Inhalt hiermit vollumfänglich zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
-
Die Gleichrichterschaltung 200 ist dazu vorgesehen, eine von der elektrischen Maschine 210 erzeugte und an Ausgängen Vgen+ und Vgen- bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung gleichzurichten, welche zum Aufladen der Fahrzeugbatterie verwendet werden kann.
-
Zu diesem Zweck weist die Gleichrichterschaltung 200 einen Brückengleichrichter 220 aus Highside-Schaltern 200a, 200b und Lowside-Schaltern 200c, 200d auf.
-
Diese Schalter 200a, 200b, 200c, 200d sind jeweils gemäß eine besonders vorteilhafteren Ausgestaltung als eine Schaltungsanordnung ausgebildet, in welcher ein Schalttransistor M201 mit Hilfe einer Ansteuerschaltung derart angesteuert wird, dass dieser Schalttransistor M201 in eine erste Richtung von einem ersten zu einem zweiten seiner Anschlüsse leitet, insbesondere von einem Source-Anschluss zu einem Drain-Anschluss im Falle eines MOSFET, und in eine entgegengesetzte Richtung von dem zweiten zu dem ersten Anschluss sperrt.
-
Die Schalter 200a, 200b, 200c, 200d ermöglichen es zweckmäßigerweise, den jeweiligen Schalttransistor analog zu einer Diode zu betreiben und das Verhalten einer Diode mit dem jeweiligen Schalttransistor nachzubilden, welcher jedoch wesentlich geringere Verlustleistungen als eine Diode aufweist. Insbesondere können die Schalter 200a, 200b, 200c, 200d in der Gleichrichterschaltung 200 anstelle von Dioden verwendet werden, wodurch Verlustleistungen und ein Bedarf an Kühlelementen reduziert werden können.
-
In den einzelnen Schaltern 200a, 200b, 200c, 200d umfassen die jeweiligen Ansteuerschaltung zur Ansteuerung des entsprechenden Schalttransistors M201 jeweils eine Vielzahl von Bauteilen, insbesondere eine Diode D201, Widerstandselemente R201, R202, R203, R204, R205, Kondensatoren C201, C202 sowie weitere Transistoren z.B. in der Form von Bipolartransistoren Q201, Q202, Q203, Q204. Hinsichtlich des Zwecks dieser verschiedenen Bauteile sowie weiterer Details derartiger Schalter 200a, 200b, 200c, 200d sei an dieser Stelle auf die genannte parallele Patentanmeldung der Anmelderin verwiesen.
-
Ferner weist die Gleichrichterschaltung 200 eine Kurzschlusseinheit 230 auf, welche die Schalter 200a, 200b, 200c und 200d derart ansteuern kann, dass ein Kurzschluss der Phasen der elektrischen Maschine 210 erzeugt wird. Ein derartiger Kurzschluss kann z.B. durch ein externes Steuergerät ausgelöst werden, welches beispielsweise an einem Signaleingang ein Steuersignal bzw. Kurzschlusssignal KS an die Gleichrichterschaltung 200 senden kann. Ebenso ist es denkbar, dass ein derartiges Kurzschlusssignal durch eine interne Überwachungseinheit ausgelöst wird. Ein derartiger Kurzschluss kann verwendet werden, um im Falle einer vollständig geladenen Batterie diese nicht weiter zu laden und damit nicht zu überladen.
-
Wird die Entscheidung über einen Kurzschluss nicht von einem externen Steuergerät getroffen, beispielsweise weil die Kommunikationsleitung zwischen der Kurzschlusseinheit und dem Steuergerät defekt ist, dient ferner eine Fehlerschutzeinheit 240 dazu, diese Entscheidung zu treffen. Zu diesem Zweck überwacht die Fehlerschutzeinheit 240 die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 200 und somit insbesondere die Batteriespannung. Bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwertes löst die Fehlerschutzeinheit zweckmäßigerweise einen Kurzschluss der elektrischen Maschine aus. Ebenfalls kann die Fehlerschutzeinheit den Kurzschluss wieder beenden, wenn ein sicherer Betrieb wieder gewährleistet ist.
-
Beispielsweise kann zur Erzeugung eines derartigen Kurzschlusses von der Kurzschlusseinheit 230 an den Schalter 200a ein Steuersignal Off1 übermittelt werden und an den Schalter 200b ein Steuersignal Off2, um diese Highside-Schalter dauerhaft zu sperren. Ferner kann von der Kurzschlusseinheit 230 zur Kurzschlusserzeugung an den Schalter 200c ein Steuersignal On3 übermittelt werden und an den Schalter 200d ein Steuersignal On4, um diese Lowside-Schalter dauerhaft leitend zu schalten. Durch die vollständig leitenden Lowside-Schalter 200c, 200d werden die Phasenanschlüsse der elektrischen Maschine 210 zweckmäßigerweise kurzgeschlossen und die sperrenden Highside-Schalter 200a, 200b entkoppeln die elektrische Maschine 210 zweckmäßigerweise von der Batterie. Somit wird diese nicht kurzgeschlossen und gleichzeitig ein weiterer Stromfluss aus der elektrischen Maschine in die Batterie unterbunden und ein Überladen vermieden. Die Batterie kann sich in diesem Fall beispielsweise über ein Bordnetz entladen. Der Kurzschlusszustand wird zweckmäßigerweise beendet, sobald keine weitere Gefahr der Überladung mehr droht.
-
Die Kurzschlusseinheit 230 und die Fehlerschutzeinheit 240 umfassen zweckmäßigerweise eine Vielzahl von Bauteilen, insbesondere Transistoren, z.B. MOSFETs, M205, M206, M207, M208, Widerstandselemente R225, R226, R227, R228, R229, eine Diode R205 sowie einen Kondensator C229. Auch hinsichtlich des Zwecks dieser verschiedenen Bauteile sowie weiterer Details der Kurzschlusseinheit 230 und der Fehlerschutzeinheit 240 sei an dieser Stelle auf die genannte parallele Patentanmeldung der Anmelderin verwiesen.
-
In besonders vorteilhafter Weise kann somit mit einer bevorzugten Ausgestaltung einer Schaltungsordnung gemäß der vorliegender Erfindung in Kombination mit einer Ausgestaltung einer Gleichrichterschaltung, wie sie in der genannten parallelen Patentanmeldung der Anmelderin offenbart ist, eine Gesamtschaltung realisiert werden, um die von einer elektrischen Maschine in einem Fahrzeug erzeugte Phasenspannung gleichzurichten und zur Versorgung einer Batterie bzw. eines Bordnetzes zu nutzen und um ferner die Phasenspannung oder den Phasenstrom der elektrischen Maschine gleichzeitig zur Bestimmung der Drehzahl einer Kurbelwelle einer mit der elektrischen Maschine gekoppelten Brennkraftmaschine zu nutzen. Somit kann insbesondere eine Regelung der Ausgangsspannung der elektrischen Maschine sowie eine Extraktion von Drehzahlinformationen aus den Phasensignalen der elektrischen Maschine mit einer einzigen Schaltungsanordnung ermöglicht werden. Insbesondere können die Schaltungsordnung sowie die Gleichrichterschaltung dabei als eine gemeinsame bauliche Einheit realisiert werden, z.B. als gemeinsamer integrierter Schaltkreis (IC, ASIC), wodurch insbesondere Bauteilkosten und Platinenplatz eingespart werden können.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014206173 A1 [0006, 0017]
- DE 102016221459 A1 [0007, 0017]
