DE19806311A1

DE19806311A1 - Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher

Info

Publication number: DE19806311A1
Application number: DE1998106311
Authority: DE
Inventors: Stephan Bolz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-08-26
Also published as: US6127745A; FR2775137A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten indukti ver Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein Kraftfahrzeug enthält induktive Verbraucher, beispiels weise Magnetventile, deren Stromfluß linear steuerbar sein muß (Stromfluß → Ventilkraft → Hydraulikdruck). Dies er folgt in der Regel durch getaktetes Schalten dieses Verbrau chers L1 (siehe Fig. 1) mit veränderlicher Pulsbreite. Zum Schalten werden üblicherweise integrierte Leistungshalbleiter mit MOSFET-Endstufen Q1 verwendet, welche eine vom Source- zum Drainanschluß stromleitende Substratdiode aufweisen. Dem induktiven Verbraucher ist eine Freilaufdiode D1 parallelge schaltet. Eine derartige Anordnung - mit Ausnahme des induk tiven Verbrauchers selbst - ist in der Regel Teil einer in Fig. 1 gestrichelt umrahmten Motor- oder Getriebesteuerung ST.

Ein generelles Problem der Kraftfahrzeug-Elektronik ist die Möglichkeit der Verpolung der Spannungsquelle Bat. In diesem Fall wären Freilaufdiode und Substratdiode in Stromflußrich tung mit der Spannungsquelle verbunden, wobei der entstehende Strom die Freilaufdiode und die Substratdiode zerstören wür de. Ein Stromfluß bei verpolter Spannungsquelle muß deshalb durch entsprechende Maßnahmen unterbunden werden, wobei je doch der Freilaufstromkreis für den Verbraucher erhalten bleiben muß und in den Verbraucherstromkreis keine Bauelemen te eingefügt werden sollen, welche die an den Verbraucher an zulegende Spannung vermindern.

Aus diesen Gründen verbietet sich die Anwendung einer an sich bekannten, einfachen Verpolschutzdiode oder eines weiteren, aus der EP 0 436 778 A2 bekannten, im Falle einer Verpolung der Spannungsquelle nichtleitend werdenden elektronischen Schalters im Verbraucherstromkreis.

Allgemein bekannt ist eine Lösung mit einem Hauptrelais, des sen Erregerwicklung mit einer Verpolschutzdiode in Reihe an der Spannungsquelle liegt und über den Zündschalter des Kraftfahrzeugs erregbar ist. Nachteile dieser Lösung sind ho he Kosten, großes Bauvolumen, begrenzte Zuverlässigkeit und endliche Lebensdauer der Kontakte dieses Hauptrelais.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer Schutzschaltung gegen Verpolung der Spannungsquelle zu versehen, die weder den Freilaufkreis des Verbrauchers be hindert noch die an den Verbraucher anzulegende Spannung ver mindert, und welche die Nachteile eines Hauptrelais überwin det.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung ge mäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entneh men.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher mit einer schematisch dargestellten Schutzschaltung gegen Verpolung der Spannungsquelle, und

Fig. 2 den Schaltplan dieser Schutzschaltung.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einer Reihenschal tung eines induktiven Verbrauchers L1 und eines elektroni schen Schalters Q1 zum Ansteuern dieses Verbrauchers über ei ne nicht dargestellte weitere Schaltung, die an den Polen "+" und "-" einer Spannungsquelle Bat (einer Kraftfahrzeug-Bat terie) liegt. Der Verbraucherstromkreis ist in fetten Linien dargestellt. Parallel zum Verbraucher L1 ist eine Freilaufdi ode D1 geschaltet.

Erfindungsgemäß ist in Reihenschaltung mit der Freilaufdiode D1, in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Freilaufdiode D1 und dem Verbindungspunkt A zwischen Pluspol + und Verbrau cher L1, eine als Kasten dargestellte Schutzschaltung S gegen Verpolung der Spannungsquelle eingefügt. Der Schaltplan die ser Schutzschaltung ist in Fig. 2 dargestellt.

Diese Schutzschaltung S weist zwischen dem mit dem Verbin dungspunkt A verbundenen Eingang 1 und dem mit der Anode der Freilaufdiode D1 verbundenen Ausgang 2 einen mit der Frei laufdiode D1 in Reihenschaltung angeordneten, invers betrie benen N-Kanal-MOSFET (Sourceanschluß im normalen, nicht ver polten Betrieb an positivem Potential) als elektronischen Schalter Q2 auf. Diese inverse Schaltung ist für das Schalt verhalten des Schalters Q2 bedeutungslos.

Der Schalter Q2 könnte an sich auch als P-Kanal-MOSFET ausge führt sein, jedoch hätte dieser - bei vergleichbarem Kanalwi derstand - wesentlich höhere Kosten und eine komplexe Ansteu erschaltung zur Folge.

Bei richtig gepolter Spannungsquelle Bat erzeugt eine La dungspumpe P eine positive Gate-Source-Spannung, die den Schalter Q2 leitend steuert, wodurch der Freilaufstrom unge hindert fließen kann.

Bei Verpolung der Spannungsquelle Bat wird keine positive Ga te-Source-Spannung erzeugt und Schalter Q2 ist nichtleitend: der Verpolschutz ist wirksam.

Da die Schaltung einer Ladungspumpe und eines Oszillators für sich bekannt sind, braucht darauf nicht näher eingegangen zu werden, es genügt eine prinzipielle Beschreibung.

Die Ansteuerung der in diesem Ausführungsbeispiel dreistufi gen Ladungspumpe P - bestehend aus den Kondensatoren C1, C2, C3 und den Dioden 3a, b und 4a, b - erfolgt über einen Schmitt- Trigger-Oszillator Osz, der aus einem Inverter U1A, einem Kondensator C5 und einem Widerstand R4 aufgebaut ist, mit ei ner Frequenz von beispielsweise 100 kHz. Die nachgeschalteten Inverter U1B, U1C und U1D dienen zur Gegentakterzeugung und zur Entkopplung.

Die Spannungsversorgung des Oszillators Osz erfolgt aus der Spannungsquelle Bat über einen nicht dargestellten Zündschal ter mittels eines ebenfalls nicht dargestellten, in der Mo torsteuerung ST vorhandenen und verpolgeschützten, integrier ten Spannungsregler (von beispielsweise 5 V).

Jeweils zwischen Source- und Gate-Anschluß des Schalters Q2 sind eine zum Gate-Anschluß hin stromleitende Zenerdiode D6, ein Widerstand R3 und ein Kondensator C4 geschaltet:

- die Zenerdiode D6 begrenzt im Störfall die Gatespannung auf einen für den Schalter Q2 zulässigen Wert;
- die dreistufige Ladungspumpe erzeugt eine Leerlaufspannung von etwa 15V; mit der Belastung durch den Widerstand R3 er gibt sich ein typischer Wert von 12 V, was zum vollständigen Durchschalten des Schalters Q2 völlig ausreicht;
- der Kondensator C4 dient als Speicherelement, sein Wert ist groß gegenüber den Kondensatoren C1 bis C3 zu wählen, so daß die Wechselspannungsanteile der Ladungspumpe ausreichend ge siebt werden; außerdem bleibt die über den kapazitiven Span nungsteiler C4/C1+C2+C3 entstehende Gate-Source-Spannung am Schalter Q2 bei Verpolung der Spannungsquelle Bat sicher un ter dessen Einschaltschwelle;
- der Widerstand R3 entlädt den Kondensator C4 nach dem Aus schalten der Motorsteuerung, wodurch bis zu einem Neustart (oder zu einer möglichen Verpolung der Spannungsquelle Bat) der Schalter Q2 sicher nichtleitend geschaltet wird.

Die Ausgänge der Inverter U1C und U1D sind mit je einem Wi derstand R1, R2 beschaltet, welche bei schnellen Störimpulsen die Ladeströme der Kondensatoren C1, C2 und C3 und die Aus gangsströme der Inverter U1C und U1D auf tolerierbare Werte begrenzen.

Der als N-Kanal-MOSFET ausgeführte Schalter Q2 weist eben falls eine Substratdiode auf, welche bei Verpolung der Span nungsquelle Bat in den Sperrzustand geht; da bei Verpolung der Spannungsquelle Bat auch die Versorgungsspannung für den Oszillator Osz fehlt, wird die Ladungspumpe nicht aktiviert. Es baut sich keine positive Gate-Source-Spannung auf und Schalter Q2 wird nicht leitend.

Parallel zur Substratdiode des Schalters Q2 und vom Minuspol der (richtig gepolten) Spannungsquelle Bat zu dessen Drainan schluß ist je eine impulsfeste Begrenzerdiode D2 und D5 ge schaltet, die zur Spannungsbegrenzung von positiven und nega tiven Störimpulsen dienen.

Dabei wird jeweils eine Diode in Flußrichtung und die andere in Zenerung betrieben. Zwischen dem Drainanschluß des Schal ters Q2 und dem Minuspol der (richtig gepolten) Spannungs quelle Bat, also parallel zur Begrenzerdiode D5, ist ein Siebkondensator C6 geschaltet.

Die beschriebene Schutzschaltung ist preiswert und zuverläs sig; sie unterliegt keinem Verschleiß. Es können gleichzeitig mehrere Freilaufkreise gemeinsam mit einer Schutzschaltung gegen Verpolung geschützt werden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung werden nachstehend dimensionierte Bauteile verwendet:

C1, C2, C3 = 2.2 nF
C4 = 100 nF
C5 = 1 nF
C6 = 3.3 µF
R1, R2 = 1 kΩ
R3 = 1 MΩ
R4 = 10 kΩ
D2 = RD16EB
D3a, b = BAV99
D4a, b = BAV99
D5 = RD33EB
D6 = RD18EB
U1A - U1D = 74HC14
Q2 = BUZ70/SIE

Claims

1. Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher, insbeson dere in einem Kraftfahrzeug, mit einer zwischen Pluspol (+) und Minuspol (-) einer Spannungsquelle (Bat) liegenden Rei henschaltung eines Verbrauchers (L1) und eines diesem Ver braucher (L1) zugeordneten Schalters (Q1), mit einer dem Ver braucher (L1) parallelgeschalteten Freilaufdiode (D1), und mit einer Schutzschaltung (S) gegen Verpolung der Spannungs quelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung (S) einen mit der Freilaufdiode (D1) in Reihenschaltung angeordneten elektronischen Schalter (Q2) aufweist, welcher bei richtiger Polung der Spannungsquelle (Bat) über eine von einem Oszillator (Osz) angesteuerte La dungspumpe (P) leitend gesteuert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Schalter (Q2) ein invers betriebener N-Kanal-MOSFET ist, dessen Sourceanschluß mit dem Pluspol (+) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (P) zwischen Source- und Gateanschluß des elektronischen Schalters (Q2) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung des Oszillators (Osz) über einen Schalter aus der Spannungsquelle (Bat) mittels eines verpol geschützten, integrierten Spannungsreglers erfolgt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

1. daß parallel zum elektronischen Schalter (Q2) eine im pulsfeste Begrenzerdiode (D2) geschaltet ist, und
2. daß zwischen der Verbindungsleitung vom elektronischen Schalter (Q2) zur Freilaufdiode (D1) und dem Minuspol (-) der Spannungsquelle (Bat) eine weitere impulsfeste Be grenzerdiode (D5) geschaltet ist,
3. wobei die Anoden der Freilaufdiode (D1) und der beiden Begrenzerdioden (D2, D5) miteinander verbunden sind.