DE19707277A1 - Schaltungsanordnung zur Stromversorgung mehrerer Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Stromver­ sorgung mehrerer Verbraucher mit unterschiedlichen Spannungen aus einer Gleichspannungsquelle, insbesondere für Kraftfahr­ zeugbordnetze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Soll an eine Gleichspannungsquelle nicht nur ein Verbraucher angeschlossen werden, dessen Nennspannung gleich der Aus­ gangsspannung der Gleichspannungsquelle ist, sondern auch ein Verbraucher, der eine höhere oder niedrigere Gleichspannung benötigt, so bedient man sich eines Gleichstromumrichters, um die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle in eine ent­ sprechende Ausgangsgleichspannung umzuwandeln. Ein besonders kostengünstiger Gleichstromumrichter ist ein Sperrwandler, der durch gesteuertes Ein- und Ausschalten der Eingangsspan­ nung den arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung ver­ ändert. Solche Sperrwandler sind bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung zur Stromversorgung meh­ rerer Verbraucher mit unterschiedlichen Spannungen aus einer Gleichspannungsquelle anzugeben.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein an sich bekannter Sperrwandler mit einem Transformator kombiniert, in dem die bei gesperrtem Transistor den Strom durch den ersten Verbraucher treibende Spule gleichzeitig als Primärwicklung eines Transformators dient, der mindestens eine Sekundärspule aufweist, an der ei­ ne weitere Verbrauchergleichspannung abgegriffen werden kann. Die Höhe der Verbraucherspannungen sind durch die Wick­ lungszahlen von Primär- und Sekundärspulen bestimmt und die Verknüpfung der in den einzelnen Spulen entstehenden Spannun­ gen erfolgt durch die allen Spulen gemeinsame magnetische Durchflutung des Transformators. Damit stehen die einzelnen Verbraucherspannungen in einem festen, durch die Windungszah­ len bestimmten Verhältnis zueinander.

Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die vom Sperrwand­ ler gelieferte erste Verbraucherspannung als Istwert einer Regelschaltung zur Ansteuerung des Transistors des Sperrwand­ lers verwendet wird. Damit läßt sich die erste Verbraucher­ spannung sehr genau regeln und diese Regelung wirkt sich auch auf die Verbraucherspannungen der Sekundärwicklungen des Transformators vorteilhaft aus.

Erfindungsgemäß sind mehrere Ausführungen der Schaltung mö­ glich. So können die erste Verbraucherspannung, die als ge­ regelte Größe in einer Rückführung einer Ansteuerschaltung des Transistors des Sperrwandlers zugeführt wird, sowie auch die anderen Verbraucherspannungen jeweils an einer Sekundär­ wicklung des Transformators abgegriffen werden. So sind die Verbraucherspannungen von den Windungszahlen der einzelnen Sekundärwicklungen bestimmt. In einer weiteren vereinfachten Ausführungsform kann die Sekundärwicklung des Transformators, welche die erste Verbraucherspannung liefert, entfallen und die erste Verbraucherspannung, die zur Spannungsregelung dient, wird unmittelbar am Transistor des Sperrwandlers abge­ griffen. Weitere Ausführungsformen der Schaltungsanordnung werden noch erläutert.

Besondere Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich bei Verwendung in einem zentralen Netzknoten zur Speisung verschiedener Verbraucher in einem Kraftfahrzeug. So müssen beispielsweise die elektronische Motorsteuerung und die ihr zugeordneten Zündspulen, sowie eine Getriebesteuerung mit ihren Magnetventilen von der Gleichspannungsquelle ver­ sorgt werden. Die Motorsteuerung selbst besteht aus zwei we­ sentlich unterschiedlichen Teilen, nämlich dem Steuerteil, der eine möglichst konstante Spannung von beispielsweise 5 V ± 5% erhalten sollte und etwa 500 mA verbraucht, und den Zünd­ spulen, die einen Spitzenstrom von 16 A verbrauchen, bei de­ nen aber die Spannungsversorgung weniger kritisch ist, wenn auch von der Spannungshöhe die Ladezeit für die Zündspulen abhängig ist. Ferner ist in der Motorsteuerung oft eine ei­ gene Spannungsstabilisierschaltung vorgesehen. Es zeigt sich, daß mit der erfindungsgemäßen Schaltung in sehr einfacher und kostengünstiger Weise diese unterschiedlichen Verbraucher­ spannungen erzeugt werden können. Schließlich ist bei der er­ findungsgemäßen Schaltungsanordnung die Verpolungssicherheit sehr einfach zu realisieren, so daß bei falschem Anschluß der Gleichspannungsquelle an die Schaltungsanordnung keine Aktivierung möglich ist. Die beim Stand der Technik hierfür vorgesehenen Schaltmittel können wesentlich vereinfacht wer­ den.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen jeweils ein Schaltbild eines Netz­ knotens zum Erzeugen mehrerer unterschiedlicher Gleichspan­ nungen.

Das Schaltbild in Fig. 1 zeigt einen Sperrwandler 10, der in bekannter Weise aus einer Spule 11 und einem Schalttransistor 12 besteht. Die Spule 11 ist über eine Verpolschutzdiode D1 an den Pluspol einer Gleichspannungsquelle angeschlossen. Ferner liegt die Spule 11 im Kollektor-Emitterpfad des Tran­ sistors 12, dessen Emitter mit Masse verbunden ist.

Die Spule 11 dient als Primärwicklung eines Transformators 20, der mit den Sekundärwicklungen 21, 22 und 23 versehen ist, an denen jeweils eine Spannung U21, U22 und U23 ab­ gegriffen wird, und die über je eine Diode D21, D22 und D23 mit einem Verbraucher R21, R22 und R23 verbunden sind.

In Fig. 1 erfolgt die Ansteuerung der Basis des Transistors 12 von einer Regelschaltung 15, an der ein Sollwert einge­ stellt ist und welche die Spannung U21 über eine Rückführ­ leitung 16 erhält.

Die Arbeitsweise des Sperrwandlers wird als bekannt vorausge­ setzt. Ist der Transistor 12 durchgesteuert, so steigt in der Wicklung 11, die erfindungsgemäß die Primärwicklung des Transformators 20 darstellt, der Strom an und ein Magnetfeld wird aufgebaut. Beim Sperren des Transistors nimmt das Ma­ gnetfeld ab. Dadurch drehen sich die induzierten Spannungen an den Wicklungen 11, 21 bis 23 um, die Dioden D21 bis D23 kommen in den Durchlaßbereich. Das abnehmende Magnetfeld treibt einen Strom durch die Sekundärwicklungen 21, 22 und 23 sowie durch die Dioden D21, D22, D23, bis die Wicklung 11 wieder entladen ist. Das Ein/Aus-Verhältnis des Transistors 12 zusammen mit der Windungszahl der Sekundärwicklung be­ stimmt damit die Höhe der Verbraucherspannungen U21, U22 bzw. U23.

Ohne die Regelschaltung 15 würde die vom Sperrwandler 10 her­ vorgerufene Verbraucherspannung U21 immer weiter ansteigen. So wird über die Rückführung 16 die Verbraucherspannung U21 dadurch auf den Sollwert festgehalten, daß der Energieinhalt des Transformators 10 am Ende der Ladezeit der Wicklung 11 geregelt wird. Die Welligkeit der Verbraucherspannung U21 wird durch die Zeitkonstante der Verbraucherstromkreise im Verhältnis zur Entladezeit des Transformators 20 und dessen Energieinhalt zu Beginn der Entladezeit bestimmt. Üblicher­ weise wird man eine geringe Welligkeit anstreben. Während der Entladezeit ist die Diode D21 leitend, und damit liegt die Wicklung 21 an der vom Kondensator C21 weitgehend konstant gehaltenen Spannung U21. Aufgrund des Induktionsgesetzes ist im gesamten Transformator 20 die Flußänderung pro Zeit kon­ stant. Damit ist der Maximalwert der Spannung der anderen Se­ kundärwicklungen 22 und 23 während der Entladezeit nurmehr von den Windungszahlen der Sekundärwicklungen 22 und 23 im Verhältnis zur Windungszahl der Wicklung 21 und der Spannung U21 abhängig. Zur Glättung der geregelten Verbraucherspannung U21 ist der Kondensator C21 vorgesehen, der zum Verbraucher parallel liegt und so groß dimensioniert sein muß, daß die Entladeenergie des Transformators nur einen kleinen Teil sei­ ner eigenen gespeicherten Energie darstellt, und so die Wel­ ligkeit der Spannung U21 bestimmt. Damit ist während der Ent­ ladezeit die induzierte Spannung an den Wicklungen propor­ tional zum Wicklungsverhältnis so konstant, wie die Spannung U21.

Will man auch die Verbraucherspannungen U22 und U23 glätten, so sind Siebkondensatoren C22 und C23 vorgesehen. Wegen der Dioden D22 und D23 werden die Siebkondensatoren C22 und C23 nur dann über die Dioden D22 und D23 nachgeladen, falls die induzierten Spannungen an den Sekundärwicklungen 22, 23 grö­ ßer sind als die Verbraucherspannungen U22 und U23.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Schaltungsanordnung, bei der die Sekundärwicklung 21 des Transformators 20 entfällt. Viel­ mehr wird die geregelte Verbraucherspannung U21 unmittelbar am Transistor 12 des Sperrwandlers abgegriffen. Alle weiteren Bestandteile dieser Schaltung sind mit Fig. 1 identisch. In Fig. 2 ist die Verbraucherspannung U21 höher als die Spannung der Gleichspannungsquelle U_Batt. Ferner ist in der Schaltung nach Fig. 2 die Gleichspannungsquelle mit dem Verbraucher R21 galvanisch verbunden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, bei der beispielsweise die Sekundärwicklung 22 einpolig an die Gleichspannungsquelle U_Batt angeschlossen ist. Damit entsteht ein ungeregelter Se­ kundärkreis, also eine ungeregelte Verbraucherspannung U22.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abänderung der Schaltungsanordnung, bei der parallel zur Primärwicklung 11 und der Verpolungs­ diode D1 über eine Diode D11 ein weiterer Verbraucher R11 ge­ schaltet ist. Bei gesperrtem Transistor 12 erhält so der Ver­ braucher R11 die von der Primärwicklung 11 induzierte Span­ nung U11. Dieser zusätzliche Lastkreis ist ungeregelt.

Schließlich zeigt Fig. 5 eine weitere Abänderung, bei der der geregelte Sekundärkreis, bestehend aus der Sekundärwicklung 21, Diode D21, Verbraucher R21 und Kondensator C21 einpolig an die Gleichspannungsquelle U_Batt angeschlossen ist. Ferner zeigt Fig. 5 den Anschluß der Regelschaltung 15 an einen Spannungs/Strom-Umsetzer 30, der den Istwert der geregelten Verbraucherspannung U21 erhält und auf der Rückführleitung 16 einen proportionalen Strom I21 der Regelschaltung 15 zuführt.

Wie schon erwähnt kann der Verbraucher R21 vorzugsweise als Ansteuerschaltung für Lastkreise mit Halbleiterschaltern die­ nen, die eine zwischen Schalter und Masse liegende Last schalten (High Side Schalter). Die Sekundärwicklung 22 kann beispielsweise eine Motorsteuerung versorgen, die keine so genaue Versorgungsspannung verlangt.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zur Stromversorgung mehrerer Verbraucher mit unterschiedlichen Spannungen aus einer Gleichspannungs­ quelle, insbesondere für Kraftfahrzeug-Bordnetze, mit einem aus einer Spule und einem Schalttransistor bestehenden Sperr­ wandler, der über eine Diode (D21) eine erste Verbraucher­ spannung (U21) liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (11) des Sperrwandlers (10) die Primärwicklung eines Trans­ formators (20) mit mindestens einer Sekundärwicklung (22, 23) ist, die über je eine Diode (D22, D23) eine weitere unter­ schiedliche Verbraucherspannung (U22, U23) liefert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste Verbraucherspannung (U21) durch einen Kon­ densator C21 geglättet als Istwert einer Regelschaltung (15) zur Ansteuerung des Transistors (12) des Sperrwandlers zuge­ führt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß ein der ersten Verbraucherspannung (U21) proportio­ naler Strom als Istwert der Regelschaltung (15) zur Ansteu­ erung des Transistors (12) der Regelschaltung (15) des Sperr­ wandlers (10) zugeführt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Verbraucherspannung (U21) von einer Sekundärwicklung (21) des Transformators bestimmt ist, die an den Transistor (12) des Sperrwandlers (10) ange­ schlossen ist (Fig. 1).

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Verbraucherspannung (U21) am Transistor (12) des Sperrwandlers (10) abgegriffen wird (Fig. 2)

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein ungeregelter Sekundärkreis, be­ stehend aus einer Sekundärwicklung (22), der Diode (D22), ei­ nem Kondensator (C22) und dem Verbraucher (R22) einpolig an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist (Fig. 3).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß ein ungeregelter Lastkreis, be­ stehend aus der Primärwicklung (11), einer Diode (D11) einem Kondensator (C11) und einem Verbraucher (R11) einpolig an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist (Fig. 4).

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der geregelte Sekundärkreis, be­ stehend aus der Sekundärwicklung (21), der Diode (D21), einem Kondensator (C21) und dem Verbraucher (R21) einpolig an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist und der Istwert als Strom zur Regelschaltung 15 über die Rückführung 16 geleitet wird (Fig. 5).

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D21, D22, D23) durch Halbleiterschalter ersetzt sind, die antisynchron zum Transistor (12) des Sperrwandlers durchlässig geschaltet werden.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Verbrauchern jeweils ein Kondensator geschaltet ist.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spannungsquelle und Spule (11) des Sperrwandlers eine Schutzdiode (D1) gegen Ver­ polung vorgesehen ist.