DE19506150A1 - Elektronisches Gerät - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät, nämlich einen Spannungswandler, der insbesondere bei Sicherheitseinrichtungen für Fahrzeuginsassen Anwendung findet. Nachdem Sicherheitseinrichtungen wie beispielsweise Airbag und/oder Gurtstraffer und dergleichen bei vielen Pkw heute schon zum Serienstandard gehören, denkt man jetzt auch daran, Nutzfahrzeuge wie Lastkraftwagen und Busse mit derartigen Sicherheitseinrichtungen auszustatten. Bei Nutzfahrzeugen dieser Art sind Bordnetze mit unterschiedlichen Spannungswerten anzutreffen. So sind sowohl Bordnetze mit einer Nennspannung von 12 Volt als auch Bordnetze mit einer Nennspannung 24 Volt üblich. Um nun zu wirtschaftlich sinnvollen Stückzahlen zu kommen, sollten die elektronischen Komponenten der Sicherheitseinrichtungen zweckmäßig mit einer einheitlichen Betriebsspannung betreibbar sein, die eine Nennspannung von 12 Volt nicht wesentlich überschreitet. Ihr Einsatz bei anderen Bordnetzspannungen erfordert daher geeignete Spannungswandler, die den höheren Bordnetzpegel auf den niedrigeren Spannungswert herabsetzen. Zwar gibt es für diesen Zweck schon Linearregler in integrierter Technik. Ein Nachteil dieser Regler ist jedoch die Verlustleistung, die insbesondere bei über 20 Volt liegenden Bordnetzspannungen entsteht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektronische Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht den Betrieb einer universell für eine vergleichsweise niedrige Betriebsspannung ausgelegten elektronischen Schaltungsanordnung in einem vergleichsweise breiten Spannungsbereich, der etwa zwischen 8 Volt und 36 Volt liegt. Bei Eingangsspannungen innerhalb des genannten Spannungsintervalls wird eine stabilisierte Ausgangsspannung von ca. 12 Volt geliefert. Das elektronische Gerät zeichnet sich darüber hinaus noch durch eine relativ einfache Bauweise aus, die eine kostengünstige Fertigung in großen Stückzahlen ermöglicht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts und Fig. 2 einen Stromlaufplan eines serienreif entwickelten elektronischen Geräts.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen Geräts dargestellt. Das Gerät dient als Spannungswandler und wandelt eine eingangsseitig anliegende höhere Spannung U1 in eine ausgangsseitig anstehende niedrigere Spannung U2 um. Der Spannungswandler besteht im wesentlichen aus zwei Schaltelementen S1, S2, einer Induktivität L1, die als Energiezwischenspeicher dient, zwei Freilaufdioden D1, D2, einem Energiespeicherkondensator C2 und einem Strommeßwiderstand R7. Weiterhin ist eine Baugruppe vorgesehen, die der Ansteuerung der Schaltelemente S1 und S2 dient und die im wesentlichen als Pulsweitenmodulator ausgestaltet ist. Schließlich ist auch noch eine Spannungsregelung vorgesehen. Im einzelnen sind die zuvor erwähnten Schaltungselemente wie folgt miteinander verbunden. Ein erster Anschluß des Schaltelements S1 ist mit dem Anschluß für die Eingangsspannung U1 verbunden. Ein Ausgangsanschluß des Schaltelements S1 ist mit dem Kathodenanschluß einer Diode D1 verbunden, deren Anodenanschluß an Masse liegt. Der Kathodenanschluß der Diode D1 ist weiterhin mit einem Eingangsanschluß einer Induktivität L1 verbunden, der Ausgangsanschluß einerseits an einem Eingangsanschluß des Schaltelements S2 und andererseits an dem Anodenanschluß einer zweiten Diode D2 liegt. Der Kathodenanschluß der Diode D2 ist mit dem Ausgangsanschluß verbunden, an dem die Ausgangsspannung U2 ansteht. Der zweite Anschluß des Schaltelements S2 ist über einen Widerstand R7 mit dem Masseanschluß verbunden. Der Ausgangsanschluß für die Ausgangsspannung U2 ist mit einem Anschluß des Kondensators C2 verbunden, dessen anderer Anschluß an Masse liegt. Steuereingänge der Schaltelemente S1 und S2 sind mit einer Steuerbaugruppe (Pulsweitenmodulator) verbunden. Der masseferne Anschluß des Widerstands R7 ist weiterhin mit einer Schaltung zur Begrenzung des Stroms durch die Induktivität L1 verbunden. Der Ausgangsanschluß ist auf eine Spannungsregelschaltung geführt.

Die Schaltelemente S1 und S2 werden gleichzeitig geschlossen und geöffnet. Beide Schaltelemente S1, S2 bleiben solange geschlossen, bis der Strom durch den Widerstand R7 und damit auch durch die Induktivität L1 einen bestimmten Wert erreicht hat. Dieser Zeitabschnitt wird in der Regel als Ladephase bezeichnet. In diesem Moment werden beide Schaltelemente S1, S2 geöffnet und die in der Induktivität L1 gespeicherte Energie kann über die Dioden D1 und D2 in den Speicherkondensator C2 geladen werden. Dieses Intervall bezeichnet man auch als Entladephase. Diese Entladung erfolgt für eine vorgegebene feste Zeitdauer. Danach werden beide Schaltelemente S1, S2 wieder geschlossen und der Vorgang wiederholt sich periodisch. Da der Stromanstieg während der Ladephase umso schneller erfolgt, je größer die Spannung an der Induktivität L1 ist, wird die Länge der Ladephase abhängig von der Eingangsspannung U1. Die Schaltelemente S1, S2 werden also mit einem pulsweitenmodulierten Signal angesteuert. Bei dieser Wandlerschaltung ist keine Umschaltung zwischen einem Aufwärts- und einem Abwärtsbetrieb notwendig. Die Wandlerschaltung kann demzufolge auch zur Umsetzung von einer niedrigen Eingangsspannung U1 in eine höhere Ausgangsspannung U2 verwendet werden. Der Schaltvorgang dabei ist immer der gleiche. Unabhängig von der Eingangsspannung wird immer Energie aus der Eingangsspannungsquelle entnommen. Die Regelung auf eine feste Ausgangsspannung U2, die sich von der Eingangsspannung U1 unterscheidet, erfolgt durch geeignete Steuerung des die Schaltelemente S1, S2 ansteuernden Pulsweitenmodulators.

Der Stromlaufplan eines serienreif durchentwickelten elektronischen Geräts ist in Fig. 2 dargestellt. Als Schaltelemente S1, S2 sind in diesem Ausführungsbeispiel Halbleiterschaltelemente, nämlich Transistoren T1, T4 vorgesehen. Die weiter noch eingezeichneten Schaltelemente, nämlich die Transistoren T2, T3 werden zur Steuerung der Schaltelemente T1, T4 benötigt. R7 ist wiederum der schon aus Fig. 1 bekannte Widerstand, der im wesentlichen einer Strommessung dient. Auch die Dioden D1 und D2 entsprechen den in Fig. 1 dargestellten Bauelementen. Über die ausgangsseitig angeschlossene Zenerdiode ZD1 erfolgt eine Begrenzung der Ausgangsspannung durch Beeinflussung des Pulsweitenmodulators. Im einzelnen sind die Bauelemente in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wie folgt verbunden. Am Eingangsanschluß für die Eingangsspannung U1 liegt der Emitteranschluß des Transistors T1, dessen Kollektoranschluß mit dem Kathodenanschluß der Diode D1 verbunden ist, deren Anodenanschluß an Masse liegt. Der Basisanschluß des Transistors T1 ist mit dem Kollektoranschluß des Transistors T2 verbunden, dessen Emitteranschluß über einen Widerstand R2 an Masse liegt. Der Basisanschluß des Transistors T2 ist über einen Widerstand R3 mit dem Emitteranschluß des Transistors T1 verbunden. Zwischen den Emitteranschluß des Transistors T1 und seinen Basisanschluß ist ein Widerstand R1 geschaltet. Der Kollektoranschluß des Transistors T3 ist mit dem Basisanschluß des Transistors T2 verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors T3 liegt an Masse. Der Basisanschluß des Transistors T3 ist mit dem ersten Anschluß des Widerstandes R4 verbunden, dessen zweiter Anschluß mit dem Anodenanschluß der Zenerdiode ZD1 verbunden ist. Der Kathodenanschluß der Zenerdiode ZD1 ist mit dem Kathodenanschluß der Diode D2 verbunden. Der Basisanschluß des Transistors T3 ist mit dem ersten Anschluß eines Widerstandes R6 verbunden, dessen zweiter Anschluß mit dem ersten Anschluß eines Widerstands R7 verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an Masse liegt. Der Basisanschluß des Transistors T4 ist mit dem Basisanschluß des Transistors T2 verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors T4 ist mit dem massefernen Anschluß des Widerstandes R7 verbunden. Der Kollektoranschluß des Transistors T4 ist mit dem ersten Anschluß eines Widerstands R5 verbunden, dessen zweiter Anschluß mit dem ersten Anschluß eines Kondensators C1 verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an dem Basisanschluß des Transistors T3 liegt. Der Kollektoranschluß des Transistors T1 ist mit einem Anschluß der Induktivität L1 verbunden. Der zweite Anschluß der Induktivität L1 ist mit dem Anodenanschluß der Diode D2 verbunden. An dem Ausgangsanschluß für die Ausgangsspannung U2 liegt ein erster Anschluß des Speicherkondensators C2, dessen zweiter Anschluß auf Masse liegt.

Die Funktionsweise des in Fig. 2 dargestellten elektronischen Geräts läßt sich wie folgt beschreiben: Die Eingangsspannung U1 wird an den für diese Eingangsspannung vorgesehenen Anschluß angelegt. Über den Widerstand R3 fließt danach Strom in die Basisanschlüsse der Transistoren T2 und T4, wodurch diese in den leitenden Zustand übergeführt werden. Der Kollektorstrom des Transistors T2 steuert dabei den Transistor T1 in den leitenden Zustand. Dadurch sind die Schaltelemente S1 und S2, entspricht den Transistoren T1 und T4, geschlossen. Der Basisstrom des Transistors T1 wird durch den Widerstand R2 sowie durch die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T4 und den Spannungsabfall an dem Widerstand R7 auf zulässige Werte begrenzt. Als Transistor T4 wird zweckmäßigerweise ein Darlingtontransistor eingesetzt. Der Strom durch die Induktivität L1 steigt an und damit auch der Spannungsabfall an dem für eine Strommessung vorgesehenen Widerstand R7. Dadurch erhöht sich gleichzeitig der Basisstrom des Transistors T1, der dadurch mit zunehmendem Strom durch die Induktivität L1 immer besser durchgeschaltet wird. Der Spannungsabfall an dem Widerstand R7 erreicht schließlich die Basis-Emitter-Schwell­ spannung des Transistors T3, wodurch dieser in den leitenden Zustand überführt wird. Dadurch fließt ein Teil des Basisstromes der Transistoren T2 und T4 durch den Kollektoranschluß des Transistors T3 nach Masse ab. Der Basisstrom des Transistors T4 reicht nun nicht mehr aus, um den Spulenstrom der Induktivität L1 durch den Kollektoranschluß fließen zu lassen. Infolge der Selbstinduktion der Induktivität L1 steigt daraufhin die Spannung an dem Kollektor des Transistors T4 an. Daraufhin lädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand R5 auf die an dem Kollektoranschluß des Transistors T4 anstehende Spannung auf. Dabei fließt der Ladestrom in den Basisanschluß des Transistors T3. Dieser wird dadurch noch stärker angesteuert und vermindert den Basisstrom der Transistoren T1 und T4 weiter. Diese kapazitive Mitkopplung des Kollektoranschlusses des Transistors T4 auf den Basisanschluß des Transistors T3 sorgt also für ein schnelles Abschalten der Schalttransistoren T1 und T4. Der Widerstand R6 verhindert dabei das Abfließen des Ladestromes von dem Kondensator C1 über den Widerstand R7 nach Masse. Der Widerstand R1 beschleunigt das Ausschalten des Transistors T1. T1 und T4 sind nunmehr vollständig gesperrt. Der Spulenstrom der Induktivität L1 fließt demzufolge nunmehr im Freilaufkreis über die Dioden D1 und D2 in den Kondensator C2. Der Kondensator C1 lädt sich gleichzeitig über den Widerstand R5 weiter auf die Kollektorspannung des Transistors T4 auf. Der Ladestrom hält dabei den Transistor T3 in dem leitenden Zustand. Der Kondensator C1 sei nunmehr aufgeladen. Der Transistor T3 beginnt dann zu sperren. Über den Widerstand R3 kann nunmehr wieder Basisstrom zu den Transistoren T1 und T4 fließen. Diese beginnen wiederum, in den leitenden Zustand überzugehen. Der Transistor T4 zieht sein Kollektorpotential in Richtung Masse. Der Kondensator C1 wird dadurch über die Widerstände R5, R6 und R7 entladen. Gleichzeitig fließt ein negativer Basisstrom aus dem Transistor T3, welcher dafür sorgt, daß der Transistor T3 sehr schnell sperrt. Hier führt die kapazitive Mittkopplung zwischen dem Transistor T4 und dem Transistor T3 zu einem schnellen Umschalten in den leitenden Zustand der Schalttransistoren T1 und T4.

Hat sich an dem Kondensator C2 die gewünschte Ausgangsspannung U2 eingestellt, so beginnt die Zenerdiode ZD1 zu leiten. Dadurch wird über den Widerstand R4 der Transistor T3 leitend gesteuert. Dieser sperrt nunmehr die Schalttransistoren T1 und T4 solange, bis die Ausgangsspannung wieder abgesunken ist, danach schwingt die Wandlerschaltung selbständig wieder an. Dadurch wird auf eine näherungsweise konstante Ausgangsspannung geregelt. Das in Fig. 2 dargestellte elektronische Gerät stellt einen vergleichsweise einfachen Schaltwandler dar, der eine stabile Ausgangsspannung erzeugen kann, die sowohl größer als auch kleiner als die anliegende Eingangsspannung sein kann. Dies wird zudem mit sehr wenigen Bauelementen erreicht, was die Schaltung zuverlässig und preiswert macht. In erster Linie ist das Gerät nur zur Erzeugung von relativ kleinen Ausgangsströmen geeignet, die etwa unter 100 Milliampere liegen. Jedoch ist bei Auswahl geeigneter leistungsfähiger Schaltelemente, zum Beispiel MOSFET-Transistoren und einer erst bei höherem Strom magnetisch bestätigten Induktivität L1, auch eine Erhöhung des Ausgangsstroms möglich.

Claims (4)

1. Elektronisches Gerät, insbesondere zur Verwendung bei Sicherheitseinrichtungen für Fahrzeuginsassen, dem eingangsseitig eine erste Eingangsspannung zwecks Umwandlung in eine ausgangsseitig abgreifbare von der Eingangsspannung abweichende Ausgangsspannung zuführbar ist, mit mindestens einem Energiespeicher und mit mindestens einem Schaltelement, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Energiespeicher in Form einer Induktivität und ein zweiter Energiespeicher in Form eines Kondensators vorgesehen ist, daß weiterhin zwei gleichsinnig ansteuerbare Schaltelemente (S1, S2, T1, T4) sowie einer Steuerschaltung zur Ansteuerung der Schaltelemente vorgesehen sind, und daß die Schaltelemente (S1, S2, T1, T4) derart ansteuerbar sind, daß in einer ersten Phase (Ladephase) die Induktivität (L1) aufgeladen und daß in einer zweiten Phase (Entladephase) der zweite Energiespeicher (C2) aufgeladen werden.

2. Elektronisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (S1, S2, T1, T4) in Abhängigkeit von einem Strom steuerbar sind, der vermittels eines in Serie zu dem Schaltelement (S2) geschalteten Strommeßwiderstandes R7 erfaßt wird.

3. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ansteuerung der Schaltelemente (S1, S2, T1, T4) eine Pulsweitenmodulationsschaltung (R6, R7, T2, T3) vorgesehen ist.

4. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsweitenmodulationsschaltung vermittels einer Zenerdiode (ZD1) gesteuert wird, die die Ausgangsspannung (U2) stabilisiert.