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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Ansteuerschaltung für
ein Zündelement
eines Insassenschutzsystems, beispielsweise eines Airbags, in einem
Kraftfahrzeug.
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Eine derartige Ansteuerschaltung
ist in 1 dargestellt.
Die Ansteuerschaltung umfasst eine Zündeinrichtung 10,
die in dem Beispiel zwei Leistungstransistoren HS, LS aufweist,
die durch eine Steuerschaltung 12 angesteuert sind und
zwischen deren Laststrecken das Zündelement ZP, bzw. die Zündpille,
geschaltet werden kann. Über
der Reihenschaltung mit dem als High-Side-Schalter dienenden Transistor
HS, dem Zündelement
ZP und dem als Low-Side-Schalter dienenden Transistor sowie einer
Diode D2 liegt eine Betriebsspannung Vout an, die durch eine Spannungswandlereinheit 200 aus einer
Batteriespannung Vbat des Fahrzeugs erzeugt wird.
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Zum Auslösen des Schutzsystems im Fall
eines Unfalls ist für
eine vorgegebene Zeitdauer ein vorgegebener Zündstrom Iz, üblicherweise
im Bereich von 2A, durch das Zündelement ZP erforderlich,
der durch die als Strom- bzw. Spannungsregelanordnung ausgebildete
Zündschaltung 10 aus
der Betriebsspannung Vout bereitgestellt wird. Zur Regelung des
Zündstromes
Iz erfasst die Steuerschaltung den Strom durch die Reihenschaltung
mit den beiden Transistoren HS, LS und dem Zündelement ZP und stellt die
beiden Transistoren HS, LS über
deren Steueranschlüsse
so ein, dass der erforderliche Zündstrom
Iz fließt.
Die Zündung
wird durch ein der Steuerschaltung 10 zugeführtes Zündsignal
ZS ausgelöst.
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Aus dem Zündstrom Iz resultiert ein Spannungsabfall
Vz über
dem Zündelement
ZP, der dem Produkt aus dessen ohmschem Widerstand und dem Zündstrom
Iz entspricht. Die Spannungsdiffe renz zwischen der Betriebsspannung
Vout und der Summe aus der Zündspannung
Vz und der Diodenspannung Vd2 wird durch die beiden Transistoren
HS, LS aufgenommen, die durch die Steuerschaltung 12 Idealerweise
so angesteuert sind, dass sie in etwa der gleichen Spannungsbelastung
unterliegen. Im Zündfall
fällt in
den Transistoren Verlustleistung an, die sich jeweils aus dem Produkt
aus dem Zündstrom
Iz und den Spannungen Vhs, Vls über
den Transistoren HS, LS ergibt und die mit steigender Betriebsspannung
Vout und damit steigendem Spannungsabfall über den Transistoren zunimmt.
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Die Spannungswandlereinheit 200 ist
bei herkömmlichen
Ansteuerschaltungen als Hochsetzsteller ausgebildet, der aus der
Batteriespannung Vbat eine Betriebsspannung Vout erzeugt, die größer als
die Batteriespannung ist. Übliche
Werte für
die Batteriespannung während
des Betriebs liegen zwischen 9 V und 13 V, aus denen der Hochsetzsteller eine
gewünschte
Betriebsspannung von üblicherweise
23 V erzeugt, die auch weiteren, nicht näher dargestellten Schaltungskomponenten
zugeführt
sein kann. Die Spannungswandlereinheit 200 umfasst einen
Speicherkondensator C, der auf die Betriebsspannung Vout aufgeladen
wird und der so dimensioniert, dass selbst bei einer Unterbrechung
der Batteriespannungsversorgung der erforderliche Zündstrom
Iz für
die geforderte Zünddauer
bereitgestellt werden kann.
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Ungünstigerweise kann die Batteriespannung
im Fall eines Lastabfalls in dem Bordnetz Werte von bis zu 40 V
annehmen, woraus über
den Hochsetzsteller 200 eine Betriebsspannung Vout erzeugt wird,
die ebenfalls in diesem Bereich liegt. Dieser Fall mit einer wesentlich
höheren
Betriebsspannung als im Normalfall muss bei der Dimensionierung
der beiden Transistoren HS, LS der Zündschaltung berücksichtigt
werden. So müssen
diese Zündtransistoren HS,
LS auf die wesentlich höheren
Verlustleistungen ausgelegt sein, die bei derart hohen Betriebsspannungen
Vout anfallen und die durch die Transistoren HS, LS zerstörungsfrei
aufgenommen werden müssen.
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Diese Dimensionierung der Zündtransistoren HS,
LS auf solche im ungünstigen
Fall hohe Betriebsspannungen Vout ist platz- und kostenaufwendig.
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Die
DE 100 51 148 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung eines Zündelements
in einem Insassenschutzsystem. Diese Schaltungsanordnung umfasst
Anschlussklemmen zum Anlegen einer Versorgungsspannung, eine Spannungswandlereinheit
mit einem Ladungsspeicherelement, die aus der Versorgungsspannung
eine Betriebsspannung bereitstellt, sowie eine Zündschaltung mit wenigstens
einem Halbleiterschaltelement der die Betriebsspannung zugeführt wird.
Die Spannungswandlereinheit ist bei dieser Schaltungsanordnung als
Tiefsetzsteller ausgebildet.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es eine Ansteuerschaltung für
ein Zündelement
eines Insassenschutzsystems in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung zu
stellen, die eine kleinere und damit kostengünstigere Dimensionierung der
Zündtransistoren
in einer das Zündelement
enthaltenden Zündschaltung ermöglicht.
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Dieses Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung
gemäß der Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für ein Zündelement
eines Insassenschutzsystems in einem Kraftfahrzeug umfasst Anschlussklemmen zum
Anlegen einer Versorgungsspannung, eine Spannungswandlereinheit
mit einem Ladungsspeicherelement, die aus der Versorgungsspannung
eine Betriebsspannung bereitstellt, und eine Zündschaltung mit wenigstens
einem Halbleiterschaltelement, der die Betriebsspannung zugeführt ist.
Die Spannungswandlereinheit ist bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
als Hochsetz-Tiefsetzsteller (Buck-Boost Converter) ausgebildet.
Derartige Hochsetz-Tiefsetzsteller sind in der Lage aus einer Eingangsspannung,
im vorliegenden Fall der Versorgungsspannung, wahlweise eine Ausgangsspannung,
im vorliegenden Fall die Betriebsspannung, bereitzustellen, die
größer oder
kleiner als die Eingangsspannung ist. Bei der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
wird die Spannungswandlereinheit abhängig vom Wert der Versorgungsspannung,
die üblicherweise
durch eine Fahrzeugbatterie bereitgestellt wird, im Hochsetzmodus
(Boost-Modus) betrieben, wenn die Versorgungsspannung kleiner als
eine gewünschte
Betriebsspannung ist, und im Tiefsetzmodus (Buck-Modus) betrieben,
wenn die Versorgungsspannung größer als
eine gewünschte
Betriebsspannung ist. Hierdurch wird bei solchen Betriebszuständen, bei
denen die Batteriespannung wegen eines Lastabfalls auf hohe Werte
ansteigt, eine Begrenzung der Betriebsspannung erreicht, so dass
Zündtransistoren,
die in einer Zündschaltung
in Reihe zu dem Zündelement
geschaltet sind, auf niedrigere Betriebsspannungen als bei vergleichbaren Ansteuerschaltungen
nach dem Stand der Technik ausgelegt werden können.
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Die Erfindung betrifft weiterhin
eine Verwendung eines Hochsetz-Tiefsetzstellers zur Spannungsversorgung
einer Zündschaltung
für ein
Zündelement
in einem Insassenschutzsystem.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
in den beigefügten
Figuren erläutert.
In den Figuren zeigt
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1 eine
Ansteuerschaltung nach dem Stand der Technik,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
mit einem Hochsetz-Tiefsetzsteller,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
einer Ansteuerschaltung für
einen ersten und zweiten Schalter in dem Hochsetz-Tiefsetzsteller,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines Pulsweitenmodulators.
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In den Figuren bezeichnen, sofern
nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Signale und
gleiche Bauteile mit gleicher Bedeutung.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
mit einer Zündschaltung 10,
die einer Spannungswandlereinheit 20 nachgeschaltet ist,
wobei die Spannungswandlereinheit 20 aus einer Batteriespannung
Vbat eine Betriebsspannung Vout für die Zündschaltung 10 und
gegebenen falls weitere, in der Figur nur gestrichelt eingezeichnete
Schaltungskomponenten bereitstellt.
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Die Zündschaltung 10 umfasst
in bekannter Weise zwei als MOSFET ausgebildete Zündtransistoren
HS, LS zwischen deren Laststrecken ein Zündelement bzw. eine Zündpille
ZP eines Insassenschutzsystems, insbesondere eines Airbags geschaltet
werden kann. Steueranschlüsse
der Zündtransistoren
HS, LS sind an eine Steuerschaltung 10 angeschlossen, die
dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe eines
Zündsignals
ZS die beiden Zündtransistoren HS,
LS so anzusteuern, dass das Zündelement
ZP von einem vorgegebenen Zündstrom
Iz für
eine vorgegebene Zeitdauer durchflossen wir, um das Zündelement
ZP zu zünden.
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Die Spannungswandlereinheit 20,
die die Betriebsspannung Vout bereitstellt, ist als Hochsetz-Tiefsetzsteller
ausgebildet um abhängig
von dem Wert der üblicherweise
durch eine Fahrzeugbatterie bereitgestellten Versorgungsspannung
Vbat eine Betriebsspannung Vout zu erzeugen, die größer oder
kleiner als die Versorgungsspannung Vbat ist. Übliche Wert für die geforderte
Betriebsspannung Vout liegen im Bereich zwischen 20 V und 25 V,
während übliche Werte
der Batteriespannung Vbat im Bereich zwischen 9 V und 13 V liegen.
Der Hochsetz-Tiefsetzsteller wird somit bei normalen Betriebszuständen im
Hochsetzmodus betrieben, um aus der kleineren Batteriespannung Vbat
die größere Betriebsspannung
Vout zu erzeugen. Bei einem Lastabfall im Bordspannungsnetz kann
die Batteriespannung allerdings auf Werte von bis zu 40 V ansteigen, wobei
der Hochsetz-Tiefsetzsteller dann im Tiefsetzmodus betrieben wird,
um die niedrigere Betriebsspannung Vout aus der höheren Batteriespannung Vbat
zu erzeugen und dadurch die Betriebsspannung Vout zu begrenzen.
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Dank dieser Begrenzung der Betriebsspannung
Vout auf Werte, die unterhalb der maximal möglichen Werte der Batteriespannung
liegen, müssen die
Zündtransistoren
HS, LS nur auf die gegenüber der
Batteriespannung Vbat begrenzte Betriebsspan nung Vout ausgelegt
werden, wodurch Platz bei der Realisierung der Zündtransistoren HS, LS und Kosten
gespart werden.
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Der Hochsetz-Tiefsetzsteller 20 umfasst
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Ausgangskondensator C, über
dem die Betriebsspannung Vout anliegt und der so dimensioniert ist,
dass selbst bei einem Ausfall der Batteriespannung Vbat ausreichend
lange der Zündstrom
Iz geliefert werden kann, um das Zündelement ZP nach Maßgabe des Zündsignals
ZS mit dem geforderten Zündstrom
anzusteuern. Zwischen die Versorgungsspannungsklemme, an der die
Versorgungsspannung Vbat anliegt und den Ausgangskondensator C sind
ein als MOSFET mit einer Freilaufdiode ausgebildeter Halbleiterschalter
T2, eine Spule L und eine Diode D1 geschaltet. Parallel zu der Diode
D1 und dem Ausgangskondensator C liegt ein weiterer als MOSFET mit
einer Freilaufdiode ausgebildeter Halbleiterschalter T1. Außerdem ist
ein als Diode ausgebildetes Freilaufelement DF parallel zu der Reihenschaltung mit
der Spule L, der Diode D1 und dem Kondensator C geschaltet.
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Die beiden Halbleiterschalter T1,
T2, die die Leistungsaufnahme des Schaltwandlers bestimmen und die über diese
Leistungsaufnahme die am Ausgang anliegende Betriebsspannung Vout
regeln, sind durch eine Ansteuerschaltung 22 angesteuert,
die ein erstes Ansteuersignal S1 für den Halbleiterschalter T1
und ein zweites Ansteuersignal S2 für den Halbleiterschalter T2
bereitstellt. Zur Regelung der Ausgangsspannung ist ein von der
Ausgangsspannung Vout abhängiges
Ausgangsspannungssignal S3 an die Ansteuerschaltung 22 zurückgekoppelt. Außerdem ist
in dem Beispiel gemäß 2 auch die Versorgungsspannung
Vbat an die Ansteuerschaltung 22 gekoppelt.
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Die Betriebsweise dieses Hochsetz-Tiefsetzstellers
wird nachfolgend erläutert:
Während des
Hochsetzbetriebes ist der zwischen die Versorgungsanschlussklemme
und die Spule L geschaltete Halbleiter schalter T2 dauerhaft leitend
angesteuert, während
der parallel zu der Diode D1 und dem Kondensator C geschaltete Halbleiterschalter T1 über das
Ansteuersignal S1 getaktet geöffnet
und geschlossen wird, wobei das Tastverhältnis des Taktsignals S1 vorzugsweise
von dem Ausgangsspannungssignal S3 abhängig ist. Während dieses Hochsetzbetriebs,
bei dem aus der Batteriespannung Vbat eine größere Betriebsspannung Vout
bereitgestellt wird, nimmt die Spule L bei geschlossenem Halbleiterschalter
T1 Energie über
die Versorgungsspannung Vbat auf und gibt diese Energie bei anschließend geöffnetem
Schalter über
die Diode D1 an den Ausgangskondensator C ab. Dabei gilt, dass die Leistungsaufnahme
umso größer ist,
je größer das Tastverhältnis des
Halbleiterschalters T1 ist, je länger der
Halbleiterschalter T1 pro Ansteuerperiode also geschlossen ist.
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Während
des Tiefsetzbetriebes, bei dem aus der Batteriespannung Vbat eine
kleinere Betriebsspannung Vout als die Batteriespannung Vbat, bereitgestellt
wird, ist der während
des Hochsetzbetriebes getaktete angesteuerte Halbleiterschalter
T1 dauerhaft gesperrt, während
der zwischen die Eingangsklemme und die Spule L geschaltete Halbleiterschalter
T2 getaktet über
das Ansteuersignal S2 angesteuert ist. Bei leitend angesteuertem
Schalter T2 nimmt die Spule L Energie auf und gibt diese bei anschließend sperrendem
Halbleiterschalter T2 über die
Diode D1 an den Ausgangskondensator C ab, wobei die Freilaufdiode
DF nach dem Sperren des Halbleiterschalters T2 als Freilaufelement
für den Stromkreis
mit der Spule L der Diode D1 und dem Kondensator C dient.
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Die Umschaltung des Hochsetz-Tiefsetzsteller
auf Hochsetzbetrieb oder Tiefsetzbetrieb erfolgt abhängig vom
Wert der Versorgungsspannung Vbat, wobei die Ansteuerschaltung 22 abhängig vom
Wert dieser Versorgungsspannung Vbat wahlweise den Halbleiterschalter
T1 getaktet und den Halbleiterschalter T2 dauerhaft leitend oder
den Halbleiterschalter T1 dauerhaft gesperrt und den Halbleiterschalter
T2 getaktet ansteuert.
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Es besteht auch die Möglichkeit,
auf die Rückkopplung
der Versorgungsspannung Vbat auf die Ansteuerschaltung 22 zu
verzichten und den Hochsetz-Tiefsetzsteller abhängig von dem Ausgangsspannungssignal
S3 im Hochsetzmodus oder Tiefsetzmodus zu betreiben. Man macht sich
hierbei zunutze, dass bei Betrieb im Hochsetzmodus die Ausgangsspannung
Vout stets größer oder
gleich der Versorgungsspannung Vbat ist, wobei auf den Tiefsetzmodus
umgeschaltet wird, wenn diese Ausgangsspannung Vout einen oberen
Grenzwert überschreitet,
weil dann davon auszugehen ist, dass die Batteriespannung Vbat angestiegen
ist, um im Weiteren Betriebsspannungen Vout im Tiefsetzmodus aus der
Versorgungsspannung Vbat zu erzeugen.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Ansteuerschaltung 22 gemäß 2 für
die beiden Halbleiterschalter T1, T2. Die Ansteuerschaltung umfasst
einen ersten und zweiten Pulsweitenmodulator PWM1, PWM2, wobei der
erste Pulsweitenmodulator PWM1 ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal
S1 für
den ersten Halbleiterschalter T1 abhängig von dem Ausgangsspannungssignal
S3 bereitstellt. Der zweite Pulsweitenmodulator PWM2 stellt abhängig von
dem Ausgangsspannungssignal S3 das zweite pulsweitenmodulierte Ansteuersignal
S2 für
den Halbleiterschalter T2 zur Verfügung. Die Pulsweitenmodulatoren
PWM1, PWM2, besitzen weiterhin Ansteuereingänge, über welche die Pulsweitenmodulatoren
PWM1, PWM2 über
Ansteuersignale S5, S6 dazu angesteuert werden können, entweder ein pulsweitenmoduliertes
Signal abhängig
von dem Ausgangsspannungssignal S3 zu Erzeugen oder ein konstantes
Ausgangssignal zu erzeugen, um im Fall des ersten Pulsweitenmodulators
PWM1 den ersten Halbleiterschalter T1 dauerhaft zu sperren und im Fall
des zweiten Pulsweitenmodulators PWM2 den Halbleiterschalter T2
dauerhaft leitend anzusteuern.
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Die beiden Steuersignale S5, S6 sind
komplementär
zueinander, wodurch sichergestellt ist, dass nur jeweils einer der
beiden Pulsweitenmodulatoren PWM1, PWM2 ein pulsweitenmoduliertes Signal
erzeugt. Diese beiden Steuersignale 55, S6 werden aus dem
Versorgungsspannungssignal S4 mittels eines Spannungsteilers R1,
R2, eines Komparators K1 sowie eines Inverters INV erzeugt. Der
Komparator K1 vergleicht das heruntergeteilte Versorgungsspannungssignal
S4 mit einem Referenzsignal Vref, wobei am Ausgang des Komparators
K1 das Steuersignal S6 für
den zweiten Pulsweitenmodulator PWM2 und an den dem Komparator K1
nachgeschalteten Inverter INV das Steuersignal S5 für den ersten
Pulsweitenmodulator PWM1 anliegt. Das Steuersignal S6 nimmt einen
High-Pegel an, um den Pulsweitenmodulator PWM2 freizugeben, ein
pulsweitenmoduliertes Steuersignal S2 zu erzeugen, wenn das heruntergeteilte
Ausgangsspannungssignal S4 den Wert des Referenzsignals Vref übersteigt. Das
Steuersignal S5 nimmt in diesem Betriebszustand entsprechend einen
Low-Pegel an, um den ersten Pulsweitenmodulator PWM1 für die Erzeugung
eines pulsweitenmodulierten Signals S1 zu sperren und ein konstantes,
den Halbleiterschalter T1 sperrendes Signal zu erzeugen. Entsprechend wird
der erste Pulsweitenmodulator PWM1 zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten
Signals freigegeben, wenn das heruntergeteilte Ausgangsspannungssignal
S4 unter den Wert des Referenzsignals Vref absinkt, und der zweite
Pulsweitenmodulator PWM2 wird für
die Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Ausgangssignals gesperrt
und das Ausgangssignal S2 auf einen konstanten High-Pegel gelegt,
um den Halbleiterschalter T2 dauerhaft leitend anzusteuern.
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Als Referenzwert zur Einstellung
der Betriebsspannung Vout dient bei Betrieb des Hochsetz-Tiefsetzstellers
im Hochsetzbetrieb ein intern in dem Pulsweitenmodulator PWM1 in
herkömmlicher Weise
bereitgestellter Referenzwert, während
bei einem Betrieb im Tiefsetzbetrieb ein intern in dem Pulsweitenmodulator
PWM2 bereitgestelltes Referenzsignal zur Einstellung der Ausgangsspannung
Vout dient. Dabei bestimmt jeweils das Verhältnis dieser Referenzwerte
zu dem rückgekoppelten
Signal die Dauer der einzelnen Ansteuerimpulse in dem getakteten
Signal S1 bzw. S2 und damit die Leistungsaufnahme. Diese beiden
Referenzwerte sind vorzugsweise gleich, um so wohl im Hochsetz- als
auch im Tiefsetzbetrieb gleiche Ausgangsspannungen Vout zu erzeugen.
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Anstelle des Versorgungsspannungssignals S4
kann auch das Ausgangsspannungssignal S3 für die Erzeugung der Steuersignale
S5, S6 mittels Vergleich mit dem Referenzsignal Vref verwendet werden.
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Bei einer weiteren nicht dargestellten
Ausführungsform
ist der Komparator durch einen Schmitt-Trigger ersetzt, um Steuersignale
S5, S6 mit einer Schalthysterese zu erzeugen und dadurch ein ständiges Umschalten
zwischen Hochsetz- und Tiefsetzbetrieb zu vermeiden, wenn die Batteriespannung
Vbat um den Umschaltwert schwankt.
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4 zeigt
ein Realisierungsbeispiel für
den ersten Pulsweitenmodulator PWM1. Dieser Pulsweitenmodulator
umfasst einen herkömmlichen
Pulsweitenmodulator PWM, der abhängig
von dem Ausgangsspannungssignal S3 stets ein pulsweitenmoduliertes
Signal S1' erzeugt,
wobei dieses pulsweitenmoduliertes Signal S1' abhängig
vom Wert des Steuersignals S5 über
ein UND-Glied AND als Ansteuersignal S1 abgegeben wird. Weist das
Steuersignal S5 einen High-Pegel auf, so entspricht das Ansteuersignal
S1 dem pulsweitenmodulierten Signal S1' des Pulsweitenmodulators, während bei
einem Low-Pegel des Steuersignals S5 das Ausgangssignal S1 dauerhaft
einen Low-Pegel annimmt, um den Halbleiterschalter T1 dauerhaft
zu sperren.
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- Vbat
- Versorgungsspannung
- D3
- Diode
- T1,
T2
- Halbleiterschalter
- S1,
S2
- Ansteuersignale
- S3
- Ausgangsspannungssignal
- S4
- Versorgungsspannungssignal
- 22
- Ansteuerschaltung
- 20
- Spannungswandlereinheit
- 10
- Zündschaltung
- 12
- Ansteuerschaltung
- HS,
LS
- Zündtransistoren
- D2
- Diode
- Vd2
- Diodenspannung
- Vhs,
Vls
- Spannungen über den
Zündtransistoren
- ZP
- Zündelement
- Iz
- Zündstrom
- Vz
- Zündspannung
- Zs
- Zündsignal