DE19701958A1 - Mit höherer Frequenz betriebene Leistungsstufe für eine Sitzheizungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Leistungsstufe für eine Sitzhei­ zungsschaltung. Bei derartigen Schaltungen ist vorgesehen, daß zwei verschiedene Heizleistungen eingestellt werden kön­ nen (volle Leistung, reduzierte Leistung). Die reduzierte Heizleistung wird durch ein zyklisches Ein-/Ausschalten des Heizwiderstandes erzielt. Dabei ist eine Pulsfrequenz von ca. 1 Hz üblich.

Durch das gepulste Ein-/Ausschalten der Sitzheizung können sich unter ungünstigen Bedingungen Schwankungen der Kfz-Bordspannung ergeben, die sich teilweise durch Helligkeits­ änderungen verschiedener Beleuchtungseinrichtungen bemerkbar machen.

Aus der Filmtechnik und der Fernsehtechnik ist es bekannt, daß das menschliche Auge Helligkeitsschwankungen nur bis zu einer gewissen Frequenz wahrnehmen kann.

Die Erfindung geht daher aus von einer Leistungsstufe für eine Sitzheizungsschaltung der sich aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ergebenden Gattung.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer derartigen Schaltung die Einschaltfrequenz des Heizwiderstandes zu erhöhen, um die oben erläuterten in ei­ nen nicht sichtbaren Bereich zu verschieben.

Die Aufgabe wird durch die sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ergebende Merkmalskombination gelöst. Bei den bisher benutzten Schaltungen ergab sich das Problem, daß die Spannung an dem benötigten RC-Glied (R1, C1, Fig. 1) im Pulsbetrieb, (und bei gleicher Last wie im dauernd einge­ schalteten Betrieb), bei höheren Frequenzen (< 20Hz) durch die Aufladung des zugehörigen Kondensators den Kompa­ rator-Komparatorschwellwert am Anschluß 8 der Treiberschaltung 11 (Fig. 1 und Fig. 4) erreichte, so daß der Leistungstransi­ stor abgeschaltet wurde. Die Erfindung erreichte, daß der Leistungstransistor bei Normallast nicht abgeschaltet wird. Die Erfindung löst nun die gestellte Aufgabe im Prinzip da­ durch, daß die Entladeschaltung im Bereich der zulässigen Frequenz den Kondensator des RC-Gliedes hinreichend entlädt, so daß auch bei höheren Frequenzen der Leistungstransistor bei Normallast nicht abgeschaltet wird. Die Erfindung löst nun die gestellte Aufgabe im Prinzip dadurch, daß die Entla­ deschaltung im Bereich der zulässigen Frequenz den Kondensa­ tor des RC-Gliedes hinreichend entlädt, so daß auch bei hö­ heren Frequenzen der Leistungstransistor bei Normallast nicht abgeschaltet wird.

Die Entladungsschaltung wird dadurch besonders einfach, daß sie mit einer Transistor-Stufenschaltung realisiert wird.

Für den Treiber ergibt sich eine besonders einfache Ausge­ staltung durch die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 3. Es kann somit eine handelsüblich integrierte Schaltung als Treiber verwendet werden. Ein weiterer Nachteil bei der An­ wendung höherer Schaltfrequenzen hinsichtlich der Durch­ schaltung des Leistungstransistors und damit der periodi­ schen Stromversorgung des Heizwiderstandes besteht darin, daß durch die steilen Schaltflanken unangenehme Störfrequen­ zen abgestrahlt werden, welche zu Störungen innerhalb der elektrischen Schaltungen in dem Fahrzeug führen können. Hierzu läßt sich Abhilfe schaffen durch die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 4.

Nach dem oben Gesagten ist es erwünscht, daß die Schaltfre­ quenz der Sitzheizung so niedrig wie möglich sein soll, an­ dererseits aber auch nicht zu störenden Schwankungen der Kfz-Bord-Spannung führen darf. Als geeignete Schaltfrequenz hat sich eine über 20 Hz liegende Frequenz (Anspruch 5) er­ wiesen, wobei vorzugsweise eine Frequenz von 25 Hz angewen­ det wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine bereits vorgeschlagene Schaltung zur impuls­ weisen Anschaltung des Heizwiderstandes (1 Hz),

Fig. 2 die Schaltung nach Fig. 1 mit einer zusätzlichen erfindungsgemäßen Entladeschaltung,

Fig. 3 den Spannungsverlauf am Sitzheizungswiderstand R_H und am Kondensator C1 bei einer Schaltfrequenz von 1 Hz,

Fig. 4, 5 den Spannungsverlauf am Sitzheizungswiderstand Rund am Kondensator V1 bei einer Schaltfrequenz von 25 Hz,

Fig. 6, 7 den Spannungsverlauf am Sitzheizungswiderstand R_H und am Kondensator C1 bei einer Schaltfrequenz von 25 Hz mit einer zusätzlichen erfindungsgemä­ ßen Entladeschaltung.

Fig. 1 zeigt eine vorgeschlagene Schaltung zum periodischen Einschalten eines Sitzheizungswiderstandes R_H, beispiels­ weise bei einer niedrigen Frequenz von 1 Hz. In Fig. 1 ist eine Steuerschaltung 1 gezeigt, die über ihren Eingang von einem Mikrocontroller periodisch angesteuert wird. Die Steu­ erschaltung ist mit einem Treiber 2 versehen, welcher als handelsübliche IC-Schaltung unter der Artikel-Nr. MC33091 von der Firma Motorola bezogen werden kann. Der Treiber schaltet einen Leistungstransistor in Abhängigkeit von den Steuersignalen am Eingang 27 durch. Der Transistor ist ein sogenannter Power-MOSFET mit dem erwünschten Schaltverhal­ ten, der entweder vollständig durchgeschaltet ist und so in der Sättigung befindlich einen niedrigen Spannungsabfall aufweist oder hochohmig gesperrt ist, so daß die Spannung am Batterieanschluß Klemme 30 im wesentlichen zwischen den An­ schlüssen Drain D und Source 5 des Transistors Q1 abfällt. In diesen beiden Zuständen ist die Verlustleistung am Tran­ sistor Q1 vergleichsweise gering.

Zum Durchschalten des Transistors Q1 wird der Gate-Anschluß durch den Treiber 2 mit der entsprechenden Spannung ver­ sorgt.

Der Treiber 2 wird über seinen Anschluß 16 periodisch ange­ steuert, um den Transistor Q1 durchzuschalten. Die Drain- Source-Spannung U_DS des Transistors Q1 wird über die An­ schlüsse 11 und 12 des Treibers 2 gemessen. Über das Ver­ hältnis der Widerstände R_x und R₁ wird der maximale Strom bestimmt, bei dem der Transistor durch den Treiber 2 abge­ schaltet wird. R₁ kann daher nicht beliebig klein gemacht werden. Andererseits muß R₁ klein genug sein, um den Konden­ sator C1 innerhalb einer Pulsperiode von ca. 1_s nach dem Ein­ schaltvorgang bei Normallast entladen zu können.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der Spannung am Heizwiderstand R_H (U_RH) am Transistor Q1 (U_DS) und am RC-Glied R1, C1 im Puls­ betrieb. Der Transistor befindet sich z.Z. T₀ in seinem ge­ sperrten Zustand, wobei die Spannung U_DS, also die volle Bat­ teriespannung, zwischen seinen Anschlüssen Drain und Source liegt, so daß keine Leistung am Transistor abfällt. Auch zum Zeitpunkt T₁ ist der Leistungsabfall am Transistor Q1 sehr niedrig, da bei dem hier in der Sättigung befindlichen Tran­ sistor die Spannung U_DS sehr niedrig ist. Am kritischsten ist somit der Übergangsbereich zwischen T₀ und T₁ im proportiona­ len Bereich 2. Der Treiber 2 hat nun zusätzlich die Aufgabe, den Transistor Q1 bei zu hohem Strom abzuschalten. Dabei sinkt die Spannung U_DS nach einer E-Funktion ab, während der durch den Transistor Q1 geführte Strom nach einer E-Funktion zunimmt. Der Verlauf dieser Stromzunahme ist der in Fig. 3 gezeigten Spannungszunahme U_RH am Heizungswiderstand R_H pro­ portional. Dabei wird über die Anschlüsse 11 und 12 des Treibers 2 der Spannungsabfall U_DS gemessen. Durch den Wider­ stand R₁ ergibt sich ein dem Spannungsabfall proportionaler Strom, der intern in dem Treiber 2 quadriert ein genaues Maß für die Verlustleistung in dem Transistor Q1 bildet. Mit diesem Strom wird das RC-Glied R1, C1 am Anschluß 17 des Treibers 2 geladen. Wird eine, vom Treiber 2 vorgegebene Spannung (interne Komparatorschwelle) am Anschluß 17 er­ reicht (z. B. bei Kurzschluß oder zu hohem Strom), so wird der Transistor Q1 abgeschaltet. Durch die hohe Schaltver­ lustleistung während der Einschaltphase T₀ bis T₁ wird das RC-Glied stark aufgeladen. Der Kondensator C1 ist so dimen­ sioniert, daß der Einschaltvorgang gerade überbrückt werden werden kann, ohne die Komparatorschwelle zu erreichen. Au­ ßerdem bestimmt dieser Kondensator die Reaktionszeit auf schnelle Änderungen des Stromes durch den Transistor, er kann also aus diesem Grund nicht beliebig groß gemacht wer­ den. Bei einer Pulsfrequenz von 1Hz wird der Kondensator über den Widerstand R1 bis zum nächsten Einschaltvorgang ausreichend entladen.

Erhöht man nun, wie aus Fig. 4 ersichtlich die Pulsfrequenz, so ist der Zeitraum zwischen T₀ und T₆, d. h. die Zeit zwi­ schen zwei Schaltvorgängen des Transistors Q1 nicht groß genug, um die Kapazität C1 und R1 vollständig zu entladen. Somit wird der Kondensator C₁ stufenweise seine Ladung erhö­ hen, bis er schließlich die Schwellspannung erreicht hat, bei der der Treiber 2 den Transistor Q1 abschaltet. Dabei hat der Transistor Q1 keineswegs seine zulässige Verlustlei­ stung überschritten. Vielmehr ist durch die erhöhte Frequenz die Entladezeit für C1 über R₁ zu kurz.

Hier setzt die Wirkungsweise der Erfindung ein, wie aus Fig. 2 ersichtlich, indem eine Entladeschaltung 22 bestehend aus R2, R3, R4, Q2 und Q3 eingreift. Hierbei wird der Kondensa­ tor C1 über den Widerstand R4 und den Transistor Q3 während der Pulspause entladen, so daß es beim nächsten Einschalt­ vorgang nicht zu einem Aufschaukeln der Spannung am Konden­ sator C1 kommen kann. Über den Widerstand R4 kann der Grad der Entladung und somit ein Laststrom durch den Transistor Q1 eingestellt werden, bei dem die interne Komparatorschwel­ le des Treibers 2 erreicht wird und somit den Transistor Q1 abschaltet. Angesteuert wird diese Entladeschaltung vom Steuerausgang 27 des Mikrocontrollers bzw. vom Eingang 16 des Treibers 2 über den Widerstand R2 und den Transistor Q2. Dabei wird während des Pulses der Transistor Q2 leitend ge­ schaltet, der Transistor Q3 sperrt. Während der Pulspause sperrt Transistor Q2, Transistor Q3 leitet und entläd Kon­ densator Q1.

Durch die Erhöhung der Pulsfrequenz am Transistor Q1 wird das Spektrum an möglichen Störspannungen aufgrund von deren ungünstiger Frequenzlage möglicherweise erhöht. Um hier Ab­ hilfe zu schaffen, wird der Anschluß Gate des Transistors Q1 über einen Kondensator C₂ mit Masse verbunden. Dieser Konden­ sator C₂ hat die Eigenschaft, die Steilheit des Anstiegs der Spannung am Anschluß G (Gate) des Transistors zu verringern und somit auch die Flanken der Spannung am Heizwiderstand abzuflachen. Dadurch werden Störspannungen aus dem störenden Frequenzbereich verschoben.

Claims (6)

1. Leistungsstufe für eine Sitzheizungsschaltung, bei der eine Steuerschaltung (Fig. 1) einen mit dem Heizwider­ stand (R_H) in Reihe geschalteten Leistungstransistor (Q1) derart ansteuert, daß der Transistor beim Überschreiten eines vorgegebenen maximalen Stromes abgeschaltet wird, wobei die Abschaltung mittels eines Spannungssensors in einem Treiber (2) geschieht, der mit einem von der Drain-Source-Spannung (U_DS) des Transistors (Q1) abhängi­ gen Strom ein RC-Glied (R1, C1) speist, wobei die Lade­ spannung der zum RC-Glied gehörenden Kapazität (C1) beim Überschreiten eines Schwellwertes über den Treiber (2) den Transistor (Q1) in Sperrzustand bringt und wobei die Steuerschaltung zum periodischen Durchschalten des Trei­ bers (2) an ihrem Steuereingang (16) periodisch ange­ steuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlade­ schaltung (22) (Fig. 2) vorgesehen ist, die den Konden­ sator (C1) zumindest durch das die Durchschaltung des Transistors (Q1) auslösende Signal am Eingang (16) des Treibers (2) an der mit höherer Frequenz betriebene Steu­ erschaltung (Fig. 1) entlädt.

2. Leistungsstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeschaltung (Fig. 2) eine Transistorstufen­ schaltung aufweist.

3. Leistungsstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Treiber (2) aus der integrierten Schaltung MC33091 der Firma Motorola und der Transistor (Q1) durch einen Power-MOSFET gebildet ist.

4. Leistungsstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entstörung dem Steuereingang Gate des Transistors (Q1) eine Entstörungskapazität (C2) parallelgeschaltet ist.

5. Leistungsstufe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung mit Steuerimpulsen angesteuert wird, deren Frequenz größer 20 Hz ist.

6. Leistungsstufe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeschaltung (22) (Fig. 2) sowohl durch den Transistor durchschaltende als auch den Transistor sperrende Signale zur Entladung der Kapazität (C1) ausgelöst wird.