DE19630036A1 - Steuerschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Drehzahlsteuerung von Gleichstrommotoren erfolgt nor­ malerweise über die angelegte Spannung, die mit Hilfe ei­ nes variablen Vorwiderstands einstellbar ist. An diesem Vorwiderstand treten notwendigerweise Verluste auf. Um die Verluste zu vermeiden, werden neuerdings getaktete Stromversorgungen zur Drehzahlsteuerung eingesetzt, die mit einer Pulsweitenmodulation arbeiten. Die Taktfrequenz liegt aus Komfortgründen meist außerhalb des menschlichen Hörbereichs bei etwa 20 kHz oder höher. Bildet man das Verhältnis aus Pulsdauer und Periodendauer (Kehrwert der Taktfrequenz), so erhält man das Tastverhältnis in Pro­ zent. Die Drehzahl des Motors ist unabhängig von der Taktfrequenz nur durch das Tastverhältnis festgelegt. Es ist möglich, das Tastverhältnis kontinuierlich oder dis­ kret zu verändern. Bei hohen Taktfrequenz kommt es bei Tastverhältnis sen von über 50% zu großen Schaltverlusten und Schaltbelastungen der elektronischen Bauteile. Dies hat zur Folge, daß sich die gesamte Schaltung sehr stark erwärmt. Um eine Zerstörung der elektronischen Bauteile zu vermeiden, muß für eine entsprechende Kühlung gesorgt werden. In nachteiliger Weise benötigen derartige Kühleinrichtungen einen erheblichen Platzbedarf. Außerdem muß gewährleistet sein, daß auch andere elektronische Bauteile, die in der Nähe angeordnet sind, nicht eben­ falls von der erhöhten Wärmebelastung negativ beeinflußt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Steuerschalter zu schaffen, bei dem die Wärmeentwicklung erheblich verrin­ gert ist und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angege­ benen Merkmale. Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die Steuerlogik im Steuerschalter für einen Gleichstrommotor so auszubilden, daß zwei Taktfrequenzen vorgesehen sind. Die eine Taktfrequenz liegt bei etwa 20 kHz, die andere bei etwa 20 Hz. Bei einem Betrieb des Steuerschalters mit etwa 20 Hz ist die Wärmeentwicklung aufgrund weniger Schaltvorgänge erheblich geringer. Bei dieser niedrigen Taktfrequenz muß jedoch ein für das menschliche Ohr hör­ bares Brummen in Kauf genommen werden. Deshalb erfolgt eine Umschaltung auf diese geringere Taktfrequenz nur für den Fall, daß die Temperatur der Steuerschaltung einen gewissen Grenzwert übersteigt. Sinkt die Temperatur unter den Grenzwert ab, so wird die Taktfrequenz wieder erhöht.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung bestehen darin, daß bei einem nur geringen Komfortnachteil (Brummen) die Kühleinrichtung des Steuerschalters erheblich kleiner di­ mensionierbar ist und dadurch eine kompaktere, leichtere und billigere Bauweise des Steuerschalters möglich ist. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau ist eine solche Ge­ wichtsersparnis von erheblicher Bedeutung.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Schaltplan eines erfindungsgemäßen Steuerschal­ ters mit Steuereinheit und Last in schematischer Darstellung,

Fig. 2 Steuersignal am Ausgang einer Steuerlogik.

Der Steuerschalter 1 besteht im wesentlichen aus einer Steuerlogik 20 und einem Halbleiterschalter 12 und dient als Gleichstromschalter für eine Last 14. Die Steuerlogik 20 liefert ein einstellbares Steuersignal S2 mit zwei Taktfrequenzen F, wobei F1 = 20 kHz und F2 = 20 Hz ist. Die Wärmeentwicklung der Schaltung ist bei der Taktfrequenz F1 = 20 kHz höher als bei der Taktfrequenz F2 = 20 Hz. Bei dem Halbleiterschalter 12 handelt es sich in vorteilhaf­ ter Weise um einen MOS-FET, dessen Drain-Anschluß D mit einer Batterie 10 verbunden ist. Der Source-Anschluß S ist über eine Diode 18 geerdet. Parallel zur Diode 18 ist die Last 14 (z. B. Gleichstrommotor) geschaltet. Der Gate-Anschluß G ist mit der Steuerlogik 20 verbunden. An die Steuerlogik 20 ist ein Temperatursensor 16 angeschlossen, der ein zur Temperatur T des Steuerschalters 1 proportio­ nales Temperatursignal S1 liefert. Die Steuerlogik 20 ist mit einer Steuereinheit 20a verbunden, die bei einer An­ wendung im Kfz-Bereich in nicht dargestellter Weise mit der Motorsteuerung verbunden bzw. in diese integriert ist. Die Steuerschaltung 1 weist zur Wärmeabfuhr eine in der Zeichnung nicht dargestellte Kühleinrichtung (z. B. Kühlkörper) auf.

Fig. 2 zeigt das rechteckförmige Steuersignal S2 am Aus­ gang der Steuerlogik 20 als Funktion der Zeit t. Das Ver­ hältnis von Pulsdauer PS und Periodendauer PD ergibt das Tastverhältnis TV. Im dargestellten Fall ist das Tastver­ hältnis TV = 50%.

Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung und das Steuerverfahren näher erläutert. Die Steuereinheit 20a gibt aufgrund von externen Einflußparametern ein Signal an die Steuerlogik 20, das einer gewissen Solldrehzahl der Last 14 entspricht. Im folgenden bezieht sich die Last 14 auf einen Lüftermotor für Kraftfahrzeuge. In den meisten Fällen sind für solche Lüftermotoren vier ver­ schiedene Solldrehzahlen ausreichend. Es soll aber betont werden, daß die Erfindung auch auf stufenlose Regelungen der Solldrehzahl anwendbar ist. Die vier Solldrehzahlen N1 = 25% N0, N2 = 50% N0, N3 = 75% N0 und N4 = 100% N0 entspre­ chen den Tastverhältnissen TV = 25%, 50%, 75%, 100%. Mit N0 ist die Maximaldrehzahl des Lüftermotors 14 be­ zeichnet. Die Steuerlogik 20 erzeugt an ihrem Ausgang ein Steuersignal S2 mit einem Tastverhältnis TV, das der ge­ wünschten Solldrehzahl entspricht. Das Steuersignal S2 schaltet in bekannter Weise die Stromversorgung für den Lüftermotor 14. Im Normalfall liegt die Taktfrequenz F des Steuersignals S2 etwa bei F1 = 20 kHz und somit am obe­ ren Ende bzw. oberhalb des menschlichen Hörbereichs. Schaltgeräusche sind somit nicht wahrnehmbar. Mit Hilfe des Temperatursensors 16 wird die Temperatur des Steuer­ schalters 1 an einer geeigneten Stelle gemessen und das entsprechende Temperatursignal S1 in der Steuerlogik 20 ausgewertet. Überschreitet das Temperatursignal S1 einen entsprechenden Grenzwert G, so schaltet die Steuerlogik 20 von der Taktfrequenz F1 = 20 kHz auf F2 = 20 Hz um. Bei der Taktfrequenz F2 = 20 Hz ist die Wärmeentwicklung des Steuerschalters 1 erheblich geringer. Somit kann die Wärme durch die Kühleinrichtung schneller abgeführt wer­ den und es tritt eine Abkühlung ein. In vorteilhafter Weise muß die Kühleinrichtung nicht mehr für die bei der Frequenz F1 maximal auftretende Wärmeentwicklung ausge­ legt sein. Eine Anpassung an die Frequenz F2 ist ausrei­ chend. Somit läßt sich die Kühleinrichtung erheblich kleiner dimensionieren und damit eine Gewichtsersparnis erreichen.

Die Frequenz F2 liegt am unteren Ende des Hörbereichs und ist je nach Hörfähigkeit als Brummen wahrnehmbar. Da das Tastverhältnis TV beibehalten wird, ändert sich dabei die Drehzahl des Lüftermotors 14 nicht. Sobald das vom Tempe­ ratursensor 16 gemessene Temperatursignal S1 den Grenz­ wert G unterschreitet, schaltet die Steuerlogik 20 die Taktfrequenz F wieder auf F1 = 20 kHz. Dadurch wird die Zeitspanne bei der der Steuerschalter 1 mit der geringen Taktfrequenz F2 geschaltet wird, relativ kurz gehalten. Meistens ist die Leistung des Lüftermotors 14 so ausge­ legt, daß hohe Lüfterleistungen (Drehzahlen) nur in Aus­ nahmefällen notwendig sind, so daß eine Frequenzumschal­ tung ebenfalls nur recht selten erfolgt.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen in der kleiner dimensionierten Kühleinrichtungen, die durch die geringere Wärmeentwicklung des Steuerschalters 1 ermög­ licht wird. Die Erfindung läßt sich bei allen Steuer­ schaltern einsetzen, die aus Komfortgründen bei einer ho­ hen Frequenz arbeiten.

Claims (5)

1. Steuerschalter für eine Last mit einem über eine Steu­ erlogik ansteuerbaren Halbleiterschalter, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerlogik (20) mit einem an dem Steuerschalter (1) angebrachten Temperatursensor (16) verbunden ist, der ein Temperatursignal (S1) liefert, und daß die Taktfrequenz (F) der Steuerlogik (20) in Abhängigkeit des Temperatursignals (51) zwischen zwei Taktfrequenzen (F1, F2) schaltbar ist.

2. Steuerschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last ein Lüftermotor (12) ist.

3. Steuerschalter nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Taktfrequenzen (F1, F2) am oberen bzw. am unteren Ende des menschlichen Hörbereichs lie­ gen.

4. Steuerschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz F1 = 20 kHz und die Frequenz F2 = 20 Hz beträgt.

5. Verfahren zur Steuerung eines Steuerschalters, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur (T) des Steuerschal­ ters (1) mit einem Temperatursensor (16) gemessen wird, und daß das entsprechende Temperatursignal (S1) mit ei­ nen Grenzwert (G) verglichen wird und falls S1 < G, die Taktfrequenz (F) des Steuerschalters (1) von einer ho­ hen Frequenz (F1) auf eine niedrigere Frequenz (F2) um­ geschaltet wird.