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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer
elektrischen Schaltung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen
Verbrauchers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beispielsweise aus der
DE 43 21 127 A1 ist es bekannt,
einen elektromagnetischen Verbraucher in Serie mit einem ersten
Schalter zu verschalten. Parallel zu dem elektromagnetischen Verbraucher
ist dort ein zweiter Schalter vorgesehen, der als Freilaufkreis
ausgebildet ist.
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Die beiden Schalter werden von einem
Steuergerät
angesteuert. Dabei wird der erste Schalter leitend geschaltet, um
dem elektromagnetischen Verbraucher einen Strom zuzuführen. Wird
der erste Schalter wieder sperrend geschaltet, so wird der zweite
Schalter leitend geschaltet, um die in dem elektromagnetischen Verbraucher
vorhandene elektrische Energie über
den Freilauf kreis abzuführen.
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Aufgabe und Vorteile der
Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
elektrische Schaltung zu schaffen, mit der einerseits die zeitlichen
Abläufe
der Ansteuerungen der beiden Schalter exakt und zuverlässig durchgeführt werden können, und
die andererseits möglichst
wenig elektrische Verluste im Freilauf kreis aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Schaltung
nach dem Anspruch 1 gelöst.
Ebenfalls wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Anspruch
8 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird als zweiter Schalter ein
Transistor und eine dazu parallel geschaltete Diode verwendet. Dadurch
wird erreicht, dass die elektrischen Verluste im Freilauf kreis
durch die Verwendung des Transistors nahezu 0 sind.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
der Transistor leitend geschaltet wird, wenn die Spannung an der
Diode in Sperrrichtung kleiner als 0 Volt wird. Dies ermöglicht eine äußerst exakte
und vor allem absolut zuverlässige
Steuerung des zweiten Schalters im Freilauf kreis. Die Spannung
an der Diode in Sperrrichtung kann nämlich nur dann kleiner als
0 Volt werden, wenn der erste Schalter sich in seinem gesperrten
Zustand befindet. Dies bedeutet, dass der zweite Schalter im Freilauf
kreis nur dann leitend geschaltet werden kann, wenn der erste Schalter
gesperrt ist. Eine gleichzeitige Leitendschaltung des ersten und
des zweiten Schalters und daraus resultierende Schäden an der
gesamten elektrischen Schaltung sind damit nicht mehr möglich.
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Ebenfalls wird durch die erfindungsgemäße Abhängigkeit
des zweiten Schalters von der Spannung an der Diode in Sperrrichtung
erreicht, dass bei einem Kurzschluss des elektromagnetischen Verbrauchers
und der daraus resultierenden Erhöhung der Spannung an der Diode
in Sperrrichtung in jedem Fall der zweite Schalter in seinen gesperrten
Zustand geschaltet wird. Ein aus einem derartigen Kurzschluss möglicherweise
resultierender Defekt des zweiten Schalters wird damit ebenfalls
vermieden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung schaltet das Steuergerät den Transistor erst dann
leitend, wenn die Spannung an der Diode in Sperrrichtung kleiner
als etwa -0,3 Volt oder etwa -0,5 Volt wird. Der zweite Schalter
wird also nicht mehr beim Unterschreiten von exakt 0 Volt in seinen
gesperrten Zustand geschaltet, sondern erst bei einem Unterschreiten
von etwa -0,3 Volt oder etwa -0,5 Volt. Auf diese Weise können Schaltungs-
und Bauteiltoleranzen der gesamten elektrischen Schaltung berücksichtigt
bzw. kompensiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung schaltet das Steuergerät den Transistor sperrend,
wenn die Spannung an der Diode in Sperrrichtung größer als
0 Volt wird. Dies stellt letztlich den Schaltvorgang in die Gegenrichtung
dar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
das Steuergerät
den Transistor bereits dann sperrend schaltet, wenn der erste Schalter
leitend geschaltet wird. Auf diese Weise wird eine direkte Verknüpfung der beiden
Schalter erreicht.
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Besonders zweckmäßig ist es, als Transistor einen
Feldeffekttransistor (FET), insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET)
vorgesehen ist. Ein derartiger Transistor weist üblicherweise herstellungsbedingt
bereits eine parallelgeschaltete Diode auf und ist als einheitliches Halbleiter-Bauteil ausgebildet.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft,
die Erfindung im Zusammenhang mit einem elektromagnetischen Einspritzventil
einer Brennkraftmaschine insbesondere eines Kraftfahrzeugs zu verwenden.
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Weitere Merkmale Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren und der Zeichnung dargestellt
sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale
für sich oder
in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung,
sowie unabhängig
von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw.
in der Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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1 zeigt
einen schematischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen
Schaltung, und
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2 zeigt
sechs schematische Zeitdiagramme von Signalen der elektrischen Schaltung
der 1.
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In der 1 ist
eine elektrische Schaltung 10 dargestellt, bei der ein
elektromagnetischer Verbraucher 11 und ein erster Schalter 12 einer
Serienschaltung bilden. Die Serienschaltung ist zwischen einer positiven
Batteriespannung +UB und einer negativen Batteriespannung – UB, insbesondere
Masse geschaltet. Über
den elektromagnetischen Verbraucher 11 fließt der Strom
i L1 und über
den ersten Schalter 12 fließt der Strom i S1. An dem elektromagnetischen Verbraucher 11 fällt die
Spannung u_21 ab.
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Parallel zu dem elektromagnetischen
Verbraucher 11 ist ein zweiter Schalter 13 geschaltet. Dieser
zweite Schalter 13 ist als sogenannte aktive Diode ausgebildet
und besteht aus einem Transistor 14 und einer Diode 15.
Insbesondere kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor
(MOS-FET) vorgesehen sein, wie dies in der 1 dargestellt ist. Der Transistor 14 und
die Diode 15 sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Halbleiterbauelement
integriert.
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Die Diode 15 ist zu der
Drain-Source-Strecke des Transistors 14 parallel geschaltet.
Dabei ist die Anode der Diode 15 an einem Knoten K1 mit
dem Kollektor des Transistors 14 und die Kathode der Diode 15 an
einem Knoten K2 mit dem Emitter des Transistors 14 verbunden.
In den zweiten Schalter 13 und damit in die Parallelschaltung
aus dem Transistor 14 und der Diode 15 fließt der Strom
i_AD. An dem zweiten Schalter 13 fällt die Spannung u_21 ab.
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Der elektromagnetische Verbraucher 11 und der
zweite Schalter 13 bilden einen sogenannten Freilauf kreis.
Die Richtung des in diesem Freilauf kreis fließenden Stromes wird durch die
Anoden-Kathoden-Strecke der Diode 15 festgelegt.
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Es ist ein Steuergerät 16 vorgesehen,
das über
Steuerleitungen mit dem ersten Schalter 12 und dem zweiten
Schalter 13 verbunden ist, und zwar jeweils mit der Basis
bzw. dem Gate des vorhandenen Transistors. Das Steuergerät 16 ist
dazu geeignet, ein erstes Steuersignal S1 zur Ansteuerung des ersten
Schalters 12 und ein zweites Steuersignal S2 zur Ansteuerung
des zweiten Schalters 13 zu erzeugen. Mit den beiden Steuersignalen
S1, S2 können
die beiden Schalter 12, 13 in ihre leitenden und
sperrenden Zustände
geschaltet werden. Die Steuersignale S1, S2 werden dabei von dem
Steuergerät 16 völlig unabhängig voneinander
erzeugt.
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Weiterhin ist ein Komparator 17 vorgesehen, dessen
beide Eingangssignale mit den Knoten K1, K2 der Drain-Source-Strecke des Transistors 14 und der
Anoden-Kathoden-Strecke der Diode 15 verbunden sind. Das
Ausgangssignal des Komparators 17 beaufschlagt das Steuergerät 16.
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Bei dem elektromagnetischen Verbraucher 11 kann
es sich beispielsweise um ein Magnetventil einer Brennkraftmaschine
insbesondere eines Kraftfahrzeugs handeln. Bei dem ersten Schalter 12 kann es
sich um einen beliebigen Halbleitertransistor, insbesondere einen
Leistungstransistor handeln. Bei dem Steuergerät 16 handelt es sich
vorzugsweise um eine analoge oder digitale Schaltung oder einen programmierbaren
digitalen Mikroprozessor. Der Komparator 17 kann als Operationsverstärker oder als
diskreter oder integrierter Komparatorbaustein, insbesondere in
Form eines entsprechenden Halbleiterbauelements vorhanden sein.
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In der 2 sind
die Ströme
i_S1, i_L1, i_AD, die Spannung u_21 sowie die Steuersignale S1 und
S2 jeweils über
der Zeit t aufgetragen. Bei den beiden Steuersignalen S1, S2 bedeutet
ein nicht-vorhandenes Signal („0" bzw. „low"), dass der jeweils
zugehörige
Schalter 12, 13 sperrend geschaltet ist, während ein
vorhandenes Signal („1" bzw. „high") die Bedeutung hat,
dass der jeweils zugehörige
Schalter 12, 13 leitend geschaltet ist.
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Es wird von dem Steuersignal S1 ausgegangen.
In einem Zeitpunk T1 wird der erste Schalter 12 in seinen
leitenden Zustand geschaltet. Der zweite Schalter 13 befindet
sich in diesem Zeitpunkt gemäß dem Steuersignal
S2 in seinem sperrenden Zustand.
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Daraus ergibt sich, wie dies auch
in dem Diagramm des Stroms i_S1 dargestellt ist, dass der Strom
i_S1 über
den ersten Schalter 12 ausgehend von 0 ansteigt. Gleichzeitig
fällt der
Strom i_AD auf den Wert 0 ab. Dies ist in dem entsprechenden Diagramm
des Stroms i_AD dargestellt.
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In einem Zeitpunkt T2 wird der Strom
i_AD zu 0. Ab diesem Zeitpunkt wird die Spannung u_21, die an dem
elektromagnetischen Verbraucher 11 und auch an dem zweiten
Schalter 13 anliegt, größer als 0.
Gemäß dem Diagramm
der Spannung u_21 steigt diese Spannung nach dem Zeitpunkt T2 an
und erreicht einen konstanten Maximalwert. Ebenfalls steigt der
Strom i_S1 sowie der Strom i_L1 entsprechend den jeweils zugehörigen Diagrammen
an.
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In einem Zeitpunkt T3 wird der erste
Schalter 12 gemäß dem zugehörigen Steuersignal
S1 wieder in seinen sperrenden Zustand geschaltet. Der zweite Schalter 13 befindet
sich weiterhin gemäß dem Steuersignal
S2 in seinen sperrenden Zustand. Dies hat zur Folge, dass in einem
Zeitpunkt T4 die Spannung u_21 am elektromagnetischen Verbraucher 11 bzw. am
zweiten Schalter 13 abfällt.
In einem Zeitpunkt T5 wird die Spannung u_21 zu 0. In diesem Zeitpunkt
T5 hat der Strom i_S1 über
den ersten Schalter 12 sowie der Strom i_L1 über den
elektromagnetischen Verbraucher 11 jeweils sein Maximum
erreicht. Der Strom i_AD verbleibt während des gesamten Zeitraums
zwischen den Zeitpunkten T2 und T5 auf 0.
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Nach dem Zeitpunkt T5 wird die Spannung u_21,
die an dem elektromagnetischen Verbraucher 11 bzw. an dem
zweiten Schalter 13 abfällt,
kleiner als 0 Volt. Aufgrund der Diode
15 sinkt die Spannung auf
etwa -0,7 Volt. Dies ist in dem Diagramm der Spannung u_21 angegeben.
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Die Spannung u_21 wird von dem Komparator 17 erfasst.
Durch einen beispielsweise innerhalb des Steuergeräts 16 durchgeführten Vergleich
mit entsprechenden Vergleichsspannungen wird daraufhin derjenige
Zeitpunkt T6 ermittelt, in dem die Spannung u_21 einen Wert von
beispielsweise -0,5 Volt erreicht. In diesem Zeitpunkt T6 wird der
zweite Schalter 13, und zwar insbesondere der Transistor 14 von
dem Steuergerät 16 über das
Steuersignal S2 in seinen leitenden Zustand geschaltet.
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Die Vergleichspannung von -0,5 Volt
kann auch anderweitig gewählt
werden, beispielsweise -0,3 Volt. Prinzipiell kann die Vergleichsspannung zwischen
0 und -0,7 Volt gewählt
werden. So ist es auch möglich,
dass die Vergleichsspannung zu 0 gewählt wird. Dies hat zur Folge,
dass der Zeitpunkt T6 und der Zeitpunkt T5 identisch zusammenfallen. Letzteres
ist in dem Diagram des Steuersignals S2 der 2 gestrichelt dargestellt.
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Unabhängig von der Umschaltung des
Transistors 14 in seinen leitenden Zustand beginnt der Strom
i_AD bereits ab dem Zeitpunkt T5 anzusteigen. Der Strom i_AD fließt dabei
zunächst über die Diode 15.
Sobald der Transistor 14 ab dem Zeitpunkt T6 sich in seinem
leitenden Zustand befindet, wird der Strom i_AD im wesentlichen
von dem Transistor 14 übernommen.
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Der erste Schalter 12 befindet
sich gemäß dem Steuersignal
S1 weiterhin in seinem gesperrten Zustand. Dies hat insgesamt zur
Folge, dass der Strom i_S1 nach dem Zeitpunkt T5 auf 0 abfällt. Der Strom
i_L1 über
den elektromagnetischen Verbraucher 11 wird nach dem Zeitpunkt T5
ebenfalls kleiner, fällt
jedoch nicht auf 0 ab. Der Strom i_AD wird ebenfalls kleiner, wird
jedoch nicht zu 0.
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In einem Zeitpunkt T7 wird der erste
Schalter 12 gemäß dem Steuersignal
S1 wieder in seinen leitenden Zustand geschaltet. Insoweit entspricht
der Zeitpunkt T7 dem bereits erläuterten
Zeitpunkt T1. Gleichzeitig wird in dem Zeitpunkt T7 der Transistor 14 des
zweiten Schalters 13 gemäß dem Steuersignal S2 in seinen
gesperrten Zustand geschaltet.
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Dies hat zur Folge, dass ab einem
Zeitpunkt T8 der Strom i_S1 über
den ersten Schalter 12 ausgehend von 0 wieder ansteigt.
Der Strom i_AD fällt
ab dem Zeitpunkt T8 gegen 0 ab. Wie bereits im Zusammenhang mit
dem Zeitpunkt T2 erläutert
wurde, erreicht der Strom i_AD in einem Zeitpunkt T9 den Wert 0.
Der Zeitpunkt T9 entspricht insoweit dem Zeitpunkt T2.
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Der Zeitpunkt T9 wird von dem Steuergerät 16 in
Abhängigkeit
von der Spannung u_21 erkannt. Der Zeitpunkt T9 liegt dann vor,
wenn die Spannung u_21 vom negativen in den positiven Bereich übergeht,
also 0 ist.
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Ab dem Zeitpunkt T8 wiederholt sich
somit der bereits beschriebene Ablauf in entsprechender Weise.
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Wie vorstehend beschrieben, wird
der zweite Schalter 13 genau dann in seinen gesperrten
Zustand übergeführt, wenn
der erste Schalter 12 im Zeitpunkt T7 in seinen leitenden
Zustand geschaltet wird. Wie dies in dem Diagramm des Steuersignals S2
der 2 gestrichelt dargestellt
ist, besteht alternativ die Möglichkeit,
dass der Transistor 14 des zweiten Schalters 13 nicht
bereits im Zeitpunkt T7, sondern erst im Zeitpunkt T9 in seinen
gesperrten Zustand übergeführt wird.
Dies bedeutet gleichzeitig, dass der zweite Schalter 13 erst
dann in seinem gesperrten Zustand übergeführt wird, wenn die Spannung
u_21 wieder größer als
0 wird.
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Die Zeiträume zwischen den Zeitpunkten
T1 und T2, zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 sowie zwischen den
Zeitpunkten T7 und T8 stellen Zeitverzögerungen dar, die sich aus
den verwendeten Schaltern 12, 13 sowie dem vorhandenen
elektromagnetischen Verbraucher 11 ergeben. Diese Zeitverzögerungen
können
somit auch wesentlich kleiner oder auch größer sein.
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In der 1 weist
der erste Schalter einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET)
auf. Anstelle eines derartigen Bauteils kann auch ein entsprechender
Bipolar-Transistor oder ein Thyristor oder dergleichen verwendet
werden.