DE19640433C2 - Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher - Google Patents
Leistungsendstufe zum Schalten induktiver VerbraucherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe zum Schalten
induktiver Verbraucher, beispielsweise von Kraftstoff-Ein
spritzventilen für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen, nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Beim Schalten induktiver Verbraucher, insbesondere beim Ab
schalten, wird in sehr kurzer Zeit ein hoher Spannungshub
durchlaufen. Aus der EP 0 680 147 A2 ist eine Leistungsend
stufe bekannt, bei der zum Schutz des Schalttransistors diese
hohe Abschaltspannung durch Zenerdioden begrenzt wird; beim
Einsetzen der Zenerung entsteht ein scharfer Knick im zeitli
chen Spannungsverlauf, wodurch eine elektromagnetische Ab
strahlung verursacht wird, welche die Umgebung, d. h., andere
elektrische oder elektronische Systeme, in Kraftfahrzeugen,
beispielsweise ein Autoradio, negativ beeinflussen kann.
Zur Verringerung von Störstrahlung auch bei geschalteten Lei
stungsendstufen mit Zenerung wird bislang die allgemein be
kannte Lösung angewandt, den zeitlichen Verlauf des hohen
Spannungshubs beim Abschalten zu verlangsamen, was aber den
gesamten Schaltvorgang verlangsamt, wodurch der Schalttransi
stor höherer Verlustleistung ausgesetzt wird und die Ab
schaltgeschwindigkeit verschlechtert wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine geschaltete Leistungsend
stufe für induktive Verbraucher dahingehend weiterzubilden,
daß beim Schalten entstehende Störstrahlung wesentlich ver
ringert wird, ohne den Schaltvorgang zu verlangsamen und ohne
die Verlustleistung im Schalttransistor zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa
tentanspruchs gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist im folgenden
unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläu
tert. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltung einer bekannten Leistungsendstufe,
Fig. 2 die Schaltung einer erfindungsgemäßen Leistungsend
stufe, und
Fig. 3 ein Spannungsdiagramm zu beiden Schaltungen.
Fig. 1 zeigt die Schaltung einer bekannten Leistungsendstufe
zum Ansteuern eines induktiven Verbrauchers L am Beispiel ei
nes Kraftstoff-Einspritzventils einer nicht dargestellten
Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine.
Die Erregerspule L des Kraftstoff-Einspritzventils liegt mit
einem Lowside-n-Kanal-Power-MOS-Transistor (Schalttransistor)
T in Reihenschaltung zwischen dem Pluspol +V und dem Minuspol
GND einer nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle.
Zwischen dem Verbindungspunkt A zwischen der Erregerspule L
und dem Drainanschluß Dr des Schalttransistors T und dem
Steueranschluß (Gateanschluß G) des Schalttransistors T lie
gen eine zum Steueranschluß hin stromdurchlässige Sperrdiode
D, zwei in Gegenrichtung dazu stromdurchlässige Zenerdioden
ZD1 und ZD2 und ein Widerstand RS in Reihenschaltung.
Da Zenerdioden nicht für beliebig hohe Zenerspannungen er
hältlich sind, kann in bekannter Weise anstelle einer Zener
diode auch eine Reihenschaltung mehrerer Zenerdioden verwen
det werden, deren Zenerspannungen sich addieren.
In Fig. 3 zeigt das obere Signaldiagramm a den zeitlichen
Verlauf eines Steuersignals Ust, welches dem Gateanschluß G
des Schalttransistors T zugeführt wird, während das darunter
liegende Signaldiagramm b den zeitlichen Verlauf der Drain
spannung UDr (der Spannung am Verbindungspunkt A) der Lei
stungsendstufe während eines Schaltvorgangs dargestellt.
Bei ausgeschaltetem Verbraucher L (Ust = L) liegen seine bei
den Anschlüsse und damit auch der Drainanschluß Dr des
Schalttransistors T am Potential des Pluspols +V, beispiels
weise +12 V. Beim Erscheinen eines Steuersignals (Ust = H) zum
Zeitpunkt t1 wird der Schalttransistor T leitend, die Span
nung am Drainanschluß Dr wird nahezu 0 V und es fließt ein
Strom vom Pluspol +V über den Verbraucher L und den Schalt
transistor T zum Minuspol GND - der Verbraucher ist einge
schaltet, solange ein Steuersignal Ust vorhanden ist.
Beim Abschalten des Verbrauchers L zum Zeitpunkt t2 wird der
Schalttransistor T nichtleitend (Ust = L); die Drainspannung
UDr am Punkt A steigt infolge der Induktivität des Verbrau
chers L rasch an (strichpunktiert), und könnte Werte annehmen
durch die der Schalttransistor T zerstört werden könnte. Das
aber wird durch die Reihenschaltung aus Sperrdiode D, zwei
Zenerdioden ZD1 und ZD2 und Widerstand Rs zwischen dem Ver
bindungspunkt A zwischen Verbraucher L und Schalttransistor T
und dem Steueranschluß G des Schalttransistors T verhindert.
Die Sperrdiode D verhindert bei leitendem Schalttransistor T
einen Stromfluß vom Gateanschluß G zum Drainanschluß Dr; die
beiden in Reihe geschalteten Zenerdioden ZD1 und ZD2, deren
Zenerspannung UZ beispielsweise je 40 V beträgt, brechen bei
einer Zenerspannung UZ = 80 V durch, sodaß, wenn die Drain
spannung UDr einen Wert von etwa 80 V erreicht, vom Punkt A
zum Gateanschluß G ein Strom fließt, der den Schalttransistor
T im Zeitpunkt t3 öffnet und die Drainspannung UDr damit auf
den Wert der Zenerspannung UZ begrenzt. Die Spulenenergie
wird dadurch rasch abgebaut. Sobald der Spulenstrom abgebaut
ist, sinkt die Drainspannung UDr unter die Zenerspannung UZ
und der Schalttransistor T wird wieder nichtleitend (die
Zenerdioden sperren wieder), so daß die Drainspannung rasch
auf das Potential +V abfällt.
Der Anstieg der Drainspannung UDr im Zeitpunkt t2 beim Ab
schalten des Verbrauchers L erfolgt stetig, bedingt durch das
Schaltverhalten des Schalttransistors T; das Einsetzen der
Zenerung (der Begrenzung der Drainspannung auf die Zenerspan
nung) im Zeitpunkt t3 hingegen erfolgt mit einem scharfen
Knick, wodurch starke elektromagnetische Störstrahlung frei
gesetzt wird.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung, die eine Mini
mierung dieser Störstrahlung ermöglicht. Diese Schaltung ent
spricht im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 1, wobei
gleiche Schaltungselemente mit gleichen Bezugszeichen verse
hen sind, sodaß auf eine erneute Beschreibung verzichtet wer
den kann.
Der Unterschied dieser Schaltung zu der nach Fig. 1 besteht
darin, daß anstelle zweier Zenerdioden eine Vielzahl von in
Reihe geschalteten Zenerdioden vorgesehen ist, wobei für eine
Zenerspannung von 80 V beispielsweise acht Zenerdioden ZD1 bis
ZD8 mit einer Zenerspannung von je 10 V vorgesehen sind.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist, um mehrere Möglich
keiten aufzuzeigen, zu Zenerdiode ZD1 ein Kondensator C1, zu
Zenerdiode ZD3 eine Parallelschaltung aus einem Kondensator
C3 und einem Widerstand R3, zu Zenerdiode ZD5 eine Reihen
schaltung aus einem Kondensator C5 und einem Widerstand R5
und zu Zenerdiode ZD8 ein Widerstand R8 jeweils parallelge
schaltet.
Durch eine Parallelschaltung eines Kondensators, eines Wi
derstandes oder einer Reihen- oder Parallelschaltung eines
Kondensators und eines Widerstandes zu einer Zenerdiode wird
die an der Zenerdiode sich aufbauende Spannung je nach Dimen
sionierung der Bauelemente zeitlich geringfügig verzögert, so
daß der Einsatz der Begrenzung der Drainspannung UDr auf die
Zenerspannung UZ nicht mit einem scharfen Knick, sondern je
nach Anzahl der auf diese Weise "verzögerten" Zenerdioden mit
einem Polygonzug P, also, wie in Fig. 3 zum Zeitpunkt t3
strichliert dargestellt, mehr abgerundet erfolgt. Dadurch
wird eine wesentlich geringere elektromagnetische Störstrah
lung freigesetzt als bei der Schaltung nach Fig. 1. Der üb
rige Verlauf der Drainspannung UDr entspricht dem bereits in
Fig. 3 eingezeichneten Verlauf.
Die Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 sind mit n-Kanal-
Feldeffekt-Transistoren T bestückt. Sie funktionieren genau
sogut mit p-Kanal-FET's oder mit anderen Transistoren (pnp-
statt npn-Transistoren) mit an sich bekannter Umpolung der
Spannung bzw. Vertauschung der Emitter- und Kollektoran
schlüsse.
Claims (1)
- Leistungsendstufe zum Schalten induktiver Verbraucher, mit einer zwischen den Polen (+V, GND) einer Spannungsquelle angeordneten Reihenschaltung aus dem Verbraucher (L) und ei nem Schalttransistor (T),
mit einer Reihenschaltung aus einer Sperrdiode (D) und wenig stens einer Zenerdiode (ZD1 bis ZD8) zwischen dem Verbin dungspunkt (A) zwischen Verbraucher (L) und Schalttransistor (T) und dem Steueranschluß (G) des Schalttransistors (T),
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einer der Zenerdioden (ZD1 bis ZD8) jeweils entweder ein Kondensator (C1), oder ein Widerstand (R8) oder eine Reihenschaltung (R3, C3) oder Parallelschaltung (R5, C5) aus einem Kondensator und einem Widerstand parallelgeschaltet ist.
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