DE19940579B4 - Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last, mit:
einer Schaltvorrichtung (6), welche in einem Stromzufuhrpfad von einer Gleichstrom-Energiequelle zu der elektrischen Last geschaltet ist;
einem Fühlwiderstand (8), der in Serienschaltung mit der Schaltvorrichtung (6) verbunden ist, um einen Laststrom als Spannungswert zu erkennen, wobei der Laststrom über die Schaltvorrichtung (6) in die elektrische Last fließt;
einer Signalerzeugungsvorrichtung (10) zur Erzeugung eines Trapezwellensignales in Antwort auf von außen anliegenden Befehlssignalen, um die elektrische Last ein- und auszuschalten, wobei sich das Trapezwellensignal allmählich von einer ersten bestimmten Spannung zu einer zweiten bestimmten Spannung ändert, wenn die elektrische Last eingeschaltet wird und wobei sich das Trapezwellensignal allmählich von der zweiten bestimmten Spannung zur ersten bestimmten Spannung ändert, wenn die elektrische Last abgeschaltet wird;
und einer Steuervorrichtung (20) zum Vergleichen des von dem Trapezwellen Erzeugungsschaltkreis (10) erzeugten Trapezwellensignales und des vom Fühlwiderstand (8) erzeugten Spannungswertes und zum Steuern der Schaltvorrichtung...

Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last, beispielsweise einer Spule, einer Induktivität, einer Lampe etc., deren Innenwiderstand sich bei einer Energieversorgung oder Erregung ändert.
  • Aus der US 4325021 ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last bekannt, mit: einer Schaltvorrichtung, welche in einem Stromzufuhrpfad von einer Gleichstrom-Energiequelle zu der elektrischen Last geschaltet ist; einer Signalerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines Trapezwellensignales in Antwort auf von außen anliegenden Befehlssignalen, um die elektrische Last ein- und auszuschalten, wobei sich das Trapezwellensignal allmählich von einer ersten bestimmten Spannung zu einer zweiten bestimmten Spannung ändert, wenn die elektrische Last eingeschaltet wird und wobei sich des Trapezwellensignal allmählich von der zweiten bestimmten Spannung zur ersten bestimmten Spannung ändert, wenn die elektrische Last abgeschaltet wird; und einer Steuervorrichtung zum Vergleichen des von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis erzeugten Trapezwellensignales und eines an der Last abgegriffenen Spannungswertes und zum Steuern der Schaltvorrichtung in Antwort auf ein Ergebnis des Vergleichs, so dass sich der Laststrom abhängig von dem Trapezwellensignal ändert, wobei die Steuervorrichtung einen Operationsverstärker zur Erzeugung eines Spannungssignales abhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen dem Trapezwellensignal von dem Erzeugungsschaltkreis und dem abgegriffenen Spannungswert aufweist.
  • Es ist von daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last, beispielsweise einer Spule oder einer Lampe zu schaffen, welche Impulsspitzenrauschen beim Ein- und Ausschalten der elektrischen Last unterdrücken oder verhindern kann und ein sicheres Ausschalten der Schaltvorrichtung bewirkt.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Weiterhin weist die Schaltvorrichtung einen Transistor mit einem Steueranschluß auf, wobei der Transistor den Laststrom in Antwort auf eine Eingangsspannung am Steueranschluß steuert und wobei die Steuervorrichtung einen Operationsverstärker zur Erzeugung eines Spannungssignales abhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen dem Trapezwellensignal von dem Erzeugungsschaltkreis und dem Spannungswert von dem Fühlwiderstand erzeugt, wobei weiterhin eine Vorrichtung zum Steuern der Eingangsspannung an den Steueranschluß des Widerstandes in Abhängigkeit von einer Ausgangsspannung des Operationsverstärkers vorhanden ist.
  • Hierbei weist der Operationsverstärker Vorrichtungen zur Erzeugung einer Offset-Spannung auf, welche es der Schaltvorrichtung ermöglichen, sicher in den Schaltzustand AUS zu gehen, wenn die elektrische Last abgeschaltet werden soll.
  • Der Operationsverstärker weist weiterhin bevorzugt einen Differenzverstärkerschaltkreis auf, der eine Eingangsstufe bildet, wobei der Differenzverstärkerschaltkreis Eingangsanschlüsse und Lasttransistoren aufweist, welche den jeweiligen Eingangsanschlüssen entsprechen, wobei die Lasttransistoren unterschiedliche Größe zueinander haben, um die Offset-Spannung geeignet zu bestimmen.
  • Bevorzugt weist wobei die Signalerzeugungsvorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Trapezwellensignales in Abhängigkeit von einem Impulssignal mit einem Taktzyklus auf, welches gesteuert wird, um eine pulsweitenmodulierte Steuerung des Laststromes durchzuführen.
  • Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last geschaffen, mit: Vorrichtungen zum allmählichen Anheben eines Laststromes, der durch die elektrische Last fließt, von einem Nullwert auf einen bestimmten Wert in Abhängigkeit von einem ersten Teil einer Trapezwellenform, wenn die elektrische Last eingeschaltet werden soll; und Vorrichtungen zum allmählichen Absenken des Laststromes von dem bestimmten Wert auf den Nullwert abhängig von einem letzten Abschnitt der Trapezwellenform, wenn die elektrische Last abgeschaltet werden soll.
  • Des Weiteren wird eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last geschaffen, mit: Vorrichtungen zum Erzeugen eines ersten Signales, wenn die elektrische Last abgeschaltet werden soll, wobei das erste Signal eine Wellenform entsprechend einem vorderen Abschnitt einer Trapezwellenform hat; Vorrichtungen zum Erzeugen eines zweiten Signales entsprechend eines Laststromes, der durch die elektrische Last fließt; Vorrichtungen, welche auf das erste Signal und das zweite Signal ansprechen, um, wenn die elektrische Last einzuschalten ist, den Laststrom von einem Nullwert auf einem bestimmten Wert abhängig von der Wellenform des ersten Signales auf Rückkopplungssteuerungsbasis anzuheben; Vorrichtungen zum Erzeugen eines dritten Signales, wenn die elektrische Last abzuschalten ist, wobei das dritte Signal eine Wellenform entsprechend einem letzten Abschnitt der Trapezwellenform hat; und Vorrichtungen, welche auf das zweite Signal und das dritte Signal ansprechen, um, wenn die elektrische Last abzuschalten ist, den Laststrom von dem bestimmten Wert auf den Nullwert abhängig von der Wellenform des dritten Signales auf Rückkopplungssteuerungsbasis abzusenken.
  • Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
  • Es zeigt:
  • 1 den Schaltkreisaufbau einer Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 ein Zeitdiagramm des Zustandes eines Schalters, der Spannungsverläufe und eines Laststromes in der Vorrichtung von 1;
  • 3 ein Zeitdiagramm eines Schaltezustandes, Spannungszuständen und eines Laststromes, welche in einem angenommenen Fall auftreten;
  • 4 den Aufbau eines Operationsverstärkers aus 1, und
  • 5 die Verschaltung von Transistoren in 4.
  • Bezugnehmend auf 1 wird nachfolgend eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, mit der eine elektrische Last ein- und ausschaltbar ist. Besagte elektrische Last sei beispielsweise eine Lampe 2, welche in Antwort auf ein Befehlssignal von außen her zu betätigen ist. Die Lampe 2 ist beispielsweise in einem Scheinwerfer eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Die Vorrichtung von 1 beinhaltet einen n-Kanal Leistungs-MOSFET 6, der als ein an hohem Potential liegender Schalter wirkt. Der FET 6 ist zwischen eine Energieversorgungsleitung, die sich vom positivem Anschluß einer Batterie 4 zu einem Anschluß oder einem Ende der Lampe 2 erstreckt, geschaltet. Der negative Anschluß der Batterie 4 und das andere Ende der Lampe 2 liegen auf Masse. Genauer gesagt, der Drain-Anschluß des FET 6 ist mit einem Ende eines Stromtast- oder Stromfühlwiderstandes 8 verbunden. Das andere Ende des Stromfühlwiderstandes 8 ist mit dem positiven Anschluß der Batterie 4 verbunden. Der Source-Anschluß des FET 6 ist mit einem Ende der Lampe 2 verbunden. Das andere Ende der Lampe liegt auf Masse. Ein von der Batterie 4 erzeugter Laststrom fließt durch den Stromfühlwiderstand 8, den Drain/Source-Pfad des FET 6 und die Lampe 2. Der Widerstand 8 fühlt oder erfaßt den Laststrom. Genauer gesagt, der Widerstand 8 erzeugt eine Signalspannung, welche den Laststrom darstellt. Der Laststrom wird in Antwort auf eine Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 gesteuert.
  • Die Vorrichtung von 1 beinhaltet weiterhin einen Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 und einen Laststrom-Steuerschaltkreis 20. Der Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 erzeugt einen Signalzug mit Trapez-Wellenform in Antwort auf ein Befehlssignal von außen. Der Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 gibt das Trapezwellensignal an den Laststrom-Steuerschaltkreis 20 aus. Der Laststrom-Steuerschaltkreis 20 ist mit dem Stromfühlwiderstand 8 verbunden. Der Laststrom-Steuerschaltkreis 20 erhält die Signalspannung entsprechend des Laststromes von dem Stromfühlwiderstand 8. Der Laststrom-Steuerschaltkreis 20 ist mit dem Gate-Anschluß des FET 6 verbunden. Der Laststrom-Steuerschaltkreis 20 vergleicht die Spannung des Trapezwellensignales und die Signalspannung entsprechend des Laststromes. Der Laststrom des Steuerschaltkreises 20 stellt eine Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 in Antwort auf ein Ergebnis des Spannungsvergleiches derart ein, daß sich der Laststrom als Trapez-Wellenform entsprechend dem Trapezwellensignal ändert. Mit anderen Worten, der Laststrom-Steuerschaltkreis 20 stellt den Laststrom in Wellenform übereinstimmend mit dem Trapezwellensignal auf einer Rückkopplungs-Steuerbasis ein.
  • Das von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 erzeugte Trapezwellensignal ändert sich wie folgt: die Spannung des Trapezwellensignales beginnt von einem Massepegel aus in Antwort auf ein Befehlssignal zum Einschalten der Lampe anzusteigen. Die Spannung des Trapezwellensignales steigt allmählich mit einer gewissen Steigung oder einer gegebenen Rate an, bis ein bestimmter Referenzwert oder Referenzpegel (eine bestimmte Referenzspannnung) VBB/n erreicht wird. Die Spannung des Trapezwellensignales bleibt nach Erreichen des Referenzpegels VBB/n stabil. Die Referenzspannung VBB/n wird durch Dividieren einer Batteriespannung VBB, d. h. der Spannung an der Batterie 4 erzeugt. Die Spannung des Trapezsignal beginnt von dem Referenzpegel VBB/n aus in Antwort auf ein Befehlssignal zum Abschalten der Lampe 2 abzusinken. Die Spannung des Trapezwellensignales sinkt allmählich mit einer gegebenen Steigung oder einer gegebenen Rate, bis Massepegel erreicht ist. Nach Erreichen des Massepegels verbleibt die Spannung des Trapezwellensignales kontinuierlich stabil auf diesem Wert.
  • Der Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 beinhaltet Spannungsteilerwiderstände R1 und R2, einen NPN-Transistor Tr1 und einen PNP-Transistor Tr2. Ein Ende des Widerstands R1 ist mit einer positiven Energieversorgungsleitung verbunden, welche vom positiven Anschluß der Batterie 4 aus läuft. Das andere Ende des Widerstands R2 ist mit einer Masseleitung (einer auf Masse liegenden Leitung) verbunden. Die Widerstände R1 und R2 teilen die Batteriespannung VBB, so daß an einem Verbindungspunkt oder Knoten zwischen ihnen die Referenzspannung VBB/n erzeugt wird. Der Kollektor des Transistors Tr1 ist mit der positiven Energieversorgungsleitung verbunden. Die Basis des Transistors Tr1 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Spannungsteilerwiderständen R1 und R2 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr1 ist über einen Widerstand R3 mit der Masseleitung verbunden. Der Emitter des Transistors Tr2 ist mit einer Trapezwellen-Ausgangsleitung verbunden, welche zu dem Laststrom-Steuerschaltkreis 20 führt. Auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung ist ein Punkt ”a” definiert. Das Trapezwellensignal von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 erscheint auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung. Die Basis des Transistors Tr2 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R3 und dem Emitter des Transistors Tr1 verbunden. Der Kol lektor des Transistors Tr2 ist mit der Masseleitung verbunden.
  • Der Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 weist weiterhin einen Kondensator C1, einen Schalter SW1 und Konstantstromschaltkreise 12 und 14 auf. Der Kondensator C1 ist zwischen den Emitter und den Kollektor des Transistors Tr2 geschaltet. Somit ist der Kondensator C1 zwischen die Trapezwellen-Ausgangsleitung und Masseleitung geschaltet. Ein Eingangsende des Konstantstromkreises 12 ist mit der positiven Energieversorgungsleitung verbunden. Ein Ausgangsende des Konstantstromschaltkreises 12 ist mit der Trapezwellen-Ausgangsleitung oder der Verbindung zwischen dem Kondensator C1 und dem Emitter des Transistors Tr2 verbunden. Der Konstantstromschaltkreis 12 bewirkt, daß ein konstanter Strom ”i” von der positiven Energieversorgungsleitung in Richtung des Kondensators C1 fließt. Ein Eingangsende des Konstantstromschaltkreises 14 ist mit der Trapezwellen-Ausgangsleitung oder der Verbindung zwischen dem Konstantstromschaltkreis 12, dem Kondensator C1 und dem Emitter des Transistors Tr2 verbunden. Ein Ausgangsende des Konstantstromkreises 14 ist über den Schalter SW1 mit der Masseleitung verbunden. Wenn der Schalter SW1 geschlossen ist, d. h., wenn der Schalter SW1 im Zustand EIN ist, bewirkt der Konstantstromschaltkreis 14, daß ein Konstantstrom ”2i” in Richtung der Masseleitung fließt. Der Konstantstrom ”2i” ist beispielsweise zweimal so groß wie der Konstantstrom ”i” vom Konstantstromschaltkreis 12. Der Schalter SW1 wird in Antwort auf ein von außen kommendes Steuersignal oder Befehlssignal geschlossen und geöffnet (d. h. zwischen den Schaltzuständen EIN und AUS umgeschaltet). Wenn das Befehlssignal das Einschalten der Lampe 2 anfordert, wird der Schalter SW1 geöffnet (d. h. in den Schaltzustand AUS gebracht). Wenn das Befehlssignal das Abschalten der Lampe 2 anfordert, wird der Schalter SW1 geschlossen (d. h. in den Schaltzustand EIN gebracht).
  • Der Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 arbeitet wie folgt: da die von den Spannungsteilerwiderständen R1 und R2 erzeugte Referenzspannung VBB/n an die Basis des Transistors Tr1 angelegt wird, ist der Transistor Tr1 im Schaltzustand EIN. Die Spannung (VBB/n – Vf) am Emitter des Transistors Tr1 ist gleich der Referenzspannung VBB/n minus der Basis/Emitter-Spannung Vf (≈ 0,7 V) des Transistors Tr1. Die Spannung (VBB/n – Vf) am Emitter des Transistors Tr1 wird an die Basis des Transistors Tr2 angelegt.
  • In dem Fall, daß der Schalter SW1 offen (AUS) bleibt, d. h., für den Fall, in welchem die Lampe 2 eingeschaltet ist, arbeitet der Konstantstromschaltkreis 14 nicht, so daß der Kondensator C1 von dem Konstantstrom ”i” weiterhin geladen wird, der von dem Konstantstromschaltkreis 12 geliefert wird. Im Ergebnis steigt die Spannung am Emitter des Transistors Tr2 über die Spannung an dessen Basis an. Somit fließt ein Basisstrom durch den Transistor Tr2 und der Transistor Tr2 geht in den Schaltzustand EIN über. Wenn der Transistor Tr2 im Schaltzustand EIN ist, ist die Spannung am Emitter des Transistors Tr2 gleich der Spannung an der Basis hiervon plus der Emitter/Basis-Spannung Vf.
  • Somit ist die Spannung am Emitter des Transistors Tr2 gleich dem Referenzwert VBB/n. Damit ist gemäß 2 die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) stabil gleich dem Referenzwert VBB/n, wenn der Schalter SW1 offen (AUS) bleibt.
  • In einem Moment ”tAUS” (vergl. 2) wird der Schalter SW1 geschlossen oder in den Schaltzustand EIN gebracht, um die Lampe 2 abzuschalten. Wenn der Schalter SW1 geschlossen wird, beginnt der Konstantstromschaltkreis 14 mit seinem Betrieb und der Kondensator C1 beginnt mit seiner Entladung. In diesem Fall fließt ein konstanter Entladestrom (ein Konstantstrom ”2i”) durch den Konstantstromschaltkreis 14 und den Schalter SW1. Wenn der Kondensator C1 entladen wird, fällt die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (der Spannung am Punkt ”a”) von dem Referenzwert VBB/n ab und ein Basisstrom durch den Transistor Tr2 nimmt ab. Somit geht der Transistor Tr2 in den Schaltzustand AUS und die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannnung am Punkt ”a”) fällt auf Massewert. Somit nimmt in dem Fall, in welchem der Schalter SW1 in den Schaltzustand EIN gebracht wird, die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) allmählich vom Referenzwert VBB/n auf Massepegel mit einer gegebenen Steigung oder einer gegebenen Rate ab, wie in 2 gezeigt. Die Steigung oder Rate des Spannungsabfalles wird vom Konstantstrom ”2i” durch den Konstantstromschaltkreis 14 und auch durch die Kapazität des Kondensators C1 bestimmt. Die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) verbleibt nach Erreichen des Massepegels stabil auf diesem Wert.
  • In einem Moment ”tEIN” (vergleiche 2), wird der Schalter SW1 geöffnet oder in seinen Schaltzustand AUS gebracht, um die Lampe 2 einzuschalten. Wenn der Schalter SW1 geöffnet wird, wird der Betrieb der Konstantstromquelle 14 eingestellt und der Kondensator C1 beginnt mit seinem Ladevorgang. In diesem Fall fließt ein konstanter Ladestrom (ein Konstantstrom ”i”) über den Konstantstromschaltkreis 12 in den Kondensator C1. Wenn der Kondensator C1 geladen wird, steigt die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) von Massepegel aus an und ein Basisstrom beginnt durch den Transistor Tr2 zu fließen. Somit ändert sich der Transistor Tr2 in den Schaltzustand EIN und die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) steigt auf den Referenzwert VBB/n. Für den Fall, in welchem der Schalter SW1 in den Schaltzustand AUS gebracht wird, steigt somit die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) allmählich von Massepegel auf den Referenzwert VBB/n mit einer gegebenen Steigung oder einer gegebenen Rate an, wie in 2 gezeigt. Die Steigung oder Rate des Spannungsabstieges wird durch den Konstantstrom ”i” durch den Konstantstromschaltkreis 12 und auch durch die Kapazität des Kondensators C1 bestimmt. Die Spannung auf der Trapezwellen-Ausgangsleitung (die Spannung am Punkt ”a”) verbleibt nach Erreichen des Referenzwertes oder Referenzpegels VBB/n stabil auf diesem Wert oder Pegel.
  • Wie aus 1 hervorgeht, weist der Laststrom-Steuerschaltkreis 20 einen Spannungswandlerabschnitt 22 und einen Steuerabschnitt 24 auf. Der Spannungswandlerabschnitt 22 erhält das Trapezwellensignal von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10. Der Basispegel des empfangenen Trapezwellensignales ist gleich dem Massepegel. Der Spannungswandlerschaltkreis 22 invertiert das empfangene Trapezwellensignal in ein zweites Trapezwellensignal, dessen Basispegel gleich der positiven Batteriespannung VBB ist (vergl. 2). Das zweite Trapezwellensignal erscheint an einem Punkt ”b” auf einer Signalleitung, welche den Spannungswandlerabschnitt 22 und den Steuerabschnitt 24 verbindet. Der Steuerabschnitt 24 empfängt das zweite Trapezwellensignal vom Spannungswandlerabschnitt 22. Der Steuerabschnitt 24 empfängt weiterhin eine Signalspannung an einem Verbindungspunkt (einem Punkt ”c”) zwischen dem Stromfühlwiderstand 8 und dem FET 6, welche den Laststrom darstellt oder anzeigt. Der Steuerabschnitt 24 vergleicht das zweite Trapezwellensignal und die Signalspannung. Der Steuerabschnitt 24 stellt eine Spannung an dem Gate-Anschluß des FET in Antwort auf ein Ergebnis des Vergleichs so ein, daß die Signalspannung mit dem zweiten Trapezwellensignal übereinstimmt.
  • Der Spannungswandlerabschnitt 22 beinhaltet Widerstände R4 und R5, einen NPN-Transistor Tr3 und einen Operationsverstärker OP1. Ein Ende des Widerstandes R4 ist mit dem positiven Anschluß der Batterie 4 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes R4 ist mit dem Kollektor des Transi stors Tr3 verbunden. Ein Ende des Widerstandes R5 ist mit dem Emitter des Transistors Tr3 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes R5 ist mit der Masseleitung oder einer auf Massepotential liegenden Leitung verbunden. Der nicht invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP1 ist mit der Trapezwellen-Ausgangsleitung (dem Punkt ”a”) verbunden, die von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 herführt. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP1 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R5 und dem Emitter des Transistors Tr3 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP1 ist mit der Basis des Transistors Tr3 verbunden. Der Operationsverstärker OP1 wird von einer Konstantspannung VDD (beispielsweise 5 V) betrieben, welche geringer als die Batteriespannung VBB ist.
  • In dem Spannungswandlerabschnitt 22 steuert der Operationsverstärker OP1 den Transistor Tr3 so, daß die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R5 und dem Emitter des Transistors Tr3 mit dem Trapezwellensignal übereinstimmend wird, das von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 ausgegeben wird. Wenn die Spannung des Trapezwellensignales ansteigt, fließt ein größerer Strom durch den Transistor Tr3. Die Spannung am Kollektor des Transistors Tr3, d. h., die Spannung am Verbindungspunkt (Punkt ”b”) zwischen dem Widerstand R4 und dem Kollektor des Transistors Tr3 ist gleich der Batteriespannung VBB minus einer Spannung entsprechend dem Trapezwellensignal (siehe 2). Somit stimmt die Spannung am Punkt ”b” mit einer Umkehrung des Trapezwellensignals überein. Die Spannung am Punkt ”b” wird vom Spannungswandlerabschnitt 22 als ein zweites Trapezwelllensignal an den Steuerabschnitt 24 ausgegeben.
  • Der Steuerabschnitt 24 beinhaltet einen Operationsverstärker OP2, einen push-pull-Schaltkreis 24a und einen Widerstand R6. Der push-pull-Schaltkreis 24a weist ein Transistorpaar bestehend aus einem NPN-Transistor Tr4 und einem PNP-Transistor Tr5 auf. Der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 ist mit dem Punkt ”b” im Spannungswandlerabschnitt 22 verbunden. Somit empfängt der invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 das zweite Trapezwellensignal von dem Spannungswandlerabschnitt 22. Der nicht invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 ist mit dem Verbindungspunkt (Punkt ”c”) zwischen dem Widerstand 8 und dem FET 6 verbunden. Somit empfängt der nicht invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 die Signalspannung entsprechend dem Laststrom. Der Operationsverstärker OP2 spricht auf das zweite Trapezwellensignal und die Signalspannung an und gibt ein Signal zum Anpassen der Signalspannung an das zweite Trapezwellensignal aus. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 ist mit einer Eingangsseite des push-pull-Schaltkreises 24a verbunden. Der push-pull-Schaltkreis 24a empfängt somit das Signal vom Operationsverstärker OP2. Eine Ausgangsseite des push-pull-Schaltkreises 24a ist mit dem Gate-Anschluß des FET 6 über den Widerstand R6 verbunden. Der Operationsverstärker OP2 kann die Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 über den push-pull-Schaltkreis 24a steuern.
  • In dem push-pull-Schaltkreis 24a sind die Basen der Transistoren Tr4 und Tr5 miteinander verbunden. Zusätzlich sind die Emitter der Transistoren Tr4 und Tr5 miteinander verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr4 ist mit einer positiven Energieversorgungsleitung, welche von einer Ladungspumpe her führt, verbunden. Somit wird der Kollektor des Transistors Tr4 mit einer Energieversorgungsspannung VCP beaufschlagt, welche höher als die Batteriespannung VBB ist. Der Kollektor des Transistors Tr5 ist mit einer Masseleitung oder einer auf Massepotential liegenden Leitung verbunden. Die Basen der Transistoren Tr4 und Tr5 sind mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP2 verbunden. Die Emitter der Transistoren Tr4 und Tr5 sind über den Widerstand R6 mit dem Gate-Anschluß des FET 6 verbunden.
  • Der Operationsverstärker OP2 im Steuerabschnitt 24 wird von der Energieversorgungsspannung VCP versorgt, die höher als die Batteriespannung VBB ist. Auch wird der push-pull-Schaltkreis 24a von der Energieversorgungsspannung VCP versorgt. Infolgedessen kann an den Gate-Anschluß des FET 6 eine Spannung angelegt werden, welche um mindestens die Schwellenwertspannung des FET 6 höher als die Batteriespannung VBB ist. Somit kann der FET 6 zuverlässig geschaltet oder gesteuert werden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R6 und dem Gate-Anschluß des FET 6 ist als Punkt ”d” definiert. Der Operationsverstärker OP2 und der push-pull-Schaltkreis 24a wirken so zusammen, daß die Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 (d. h. die Spannung am Punkt ”d”) so eingestellt wird, daß die Signalspannung am Punkt ”c” mit dem zweiten Trapezwellensignal übereinstimmend wird. Wie in 2 gezeigt, ist die Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 abhängig von dem Trapezwellensignal, das von dem Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 erzeugt wird, schwankend. Der obere Grenzwert des Änderungsbereiches der Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 wird durch die Energieversorgungsspannung VCP bestimmt, während der untere Grenzwert hiervon durch den Massepegel bestimmt ist. Wie in 2 gezeigt, ändert sich der Laststrom abhängig vom Gate-Anschluß des FET 6, d. h. abhängig von dem Trapezwellensignal, welches vom Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 erzeugt wird.
  • Von daher wird der durch die Lampe 2 fließende Laststrom daran gehindert, abrupt anzusteigen, wenn die Lampe 2 eingeschaltet wird. Ein abrupter Anstieg des Laststromes ist in 2 gestrichelt dargestellt. Die Verhinderung eines abrupten Anstieges des Laststromes unterdrückt hochfrequentes Störrauschen oder Impulsspitzenrauschen. Zusätzlich ist die Verhinderung eines abrupten Anstieges des Laststromes dahingehend vorteilhaft, daß hierdurch eine längere Lebensdauer der Lampe 2 erhalten wird. Auch wird der Last strom, der durch die Lampe 2 fließt, daran gehindert, abrupt abzufallen, wenn die Lampe 2 abgeschaltet wird. Auch diese Verhinderung eines abrupten Abfalles im Laststrom unterdrückt hochfrequentes Störrauschen oder Impulsspitzenrauschen.
  • Der Stromfühlwiderstand 8 ist zwischen dem positiven Anschluß der Batterie 4 und dem Drain-Anschluß des FET 6 angeordnet. In diesem Fall erscheint die Signalspannung, welche dem Laststrom entspricht bzw. diesen anzeigt, an dem Verbindungspunkt (Punkt ”c”) zwischen dem Stromfühlwiderstand oder -sensor 8 und dem Drain-Anschluß des FET 6. Somit ist es zum Abnehmen der Signalspannung ausreichend, eine Verbindung an dem Punkt ”c” zwischen dem Stromfühlwiderstand 8 und dem Drain-Anschluß des FET 6 bereitzustellen. Der Schaltkreis zum Abgriff der Signalspannung ist daher einfach.
  • Wie weiter oben erwähnt, beinhaltet der Steuerabschnitt 24 des Laststrom-Schaltkreises 20 den Operationsverstärker OP2. Der Operationsverstärker OP2 wirkt als Vorrichtung zur Steuerung des Laststromes. Genauer gesagt, der Operationsverstärker OP2 erzeugt ein Signal abhängig von der Differenz zwischen der Spannung des zweiten Trapezwellensignals, welches von dem Spannungswandlerabschnitt 22 ausgegeben wird und der Signalspannung, welche den Laststrom anzeigt oder diesem entspricht. Somit führt der Operationsverstärker OP2 einen Differenzierungsprozeß durch. Die Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 wird abhängig von dem Differenzierungsprozeß des Operationsverstärkers OP2 gesteuert. Der Differenzierungsprozeß durch den Operationsverstärker OP2 verhindert, daß der Laststrom pulsiert. Der Differenzierungsprozeß ermöglicht es, daß der Laststrom sich abhängig von dem zweiten Trapezwellensignal linear ändert. Somit wird der Laststrom stabil gesteuert und das Auftreten von hochfrequenten Rauschen oder Impulsspitzenrauschen wird verhindert.
  • Das Ausgangssignal vom Operationsverstärker OP2 hat eine Komponente entsprechend einer Offset-Spannung. Es sei angenommen, daß die Offset-Spannung positiv ist. Unter Bezugnahme auf 3 ist in dem angenommenen Fall, in welchem der Schalter SW1 im Schaltzustand EIN ist und die Spannung des Trapezwellensignals vom Trapezwellen-Erzeugungsschaltkreis 10 gleich dem Massepegel ist, die Spannung des Ausgangssignales des Operationsverstärkers OP2 um einen Wert entsprechend der positiven Offset-Spannung höher als der Massepegel. Zur gleichen Zeit ist die Spannung am Gate-Anschluß des FET 6 (die Spannung am Punkt ”d”) um einen Wert entsprechend der positiven Offset-Spannung höher als der Massepegel. Somit fließt in dem angenommenen Fall, in welchem der Schalter SW1 im Schaltzustand EIN verbleibt, ein kleiner Strom durch den FET 6 und die Lampe 2. Um ein derartiges zu erwartendes Problem zu verhindern, wird die Offset-Spannung des Operationsverstärkers OP2 negativ gesetzt.
  • Gemäß 4 wird eine vordere Stufe oder Eingangsstufe des Operationsverstärkers OP2 durch einen Differenzverstärkerschaltkreis gebildet, der einen Konstantstromschaltkreis 32 aufweist. Ein Eingangsende des Konstantstromschaltkreises 32 ist mit der positiven Energieversorgungsleitung verbunden, welche mit der Energieversorgungsspannung VCP beaufschlagt ist. Ein Ausgangsende des Konstantstromschaltkreises 32 ist mit einem inneren Abschnitt des Differenzverstärkerschaltkreises verbunden. In dem inneren Abschnitt des Differenzverstärkerschaltkreises fließt ein Konstantstrom über den Konstantstromschaltkreis 32. Der Differenzverstärkerschaltkreis beinhaltet Transistoren Tr11 bis Tr16, welche von dem Konstantstrom betrieben werden, der von dem Konstantstromschaltkreis 32 zugeführt wird. Der Operationsverstärker OP2 weist den nicht invertierenden Eingangsanschluß Ti(+) und den invertierenden Eingangsanschluß Ti(–) auf, welche zu dem Differenzverstärkerschalt kreis geführt sind. Eine Kombination der Transistoren Tr11 bis Tr16 arbeitet in Antwort auf Signale, welche an dem nicht invertierenden Eingangsanschluß Ti(+) und dem invertierenden Eingangsanschluß Ti(–) anliegen und erzeugt ein Signal abhängig von der Spannungsdifferenz zwischen den anliegenden Signalen.
  • Genauer gesagt, der Transistor Tr11 ist vom PNP-Typ. Die Basis des Transistors Tr11 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß Ti(–) über einen Widerstand R11 verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr11 ist mit einer Masseleitung oder einer auf Massepotential liegenden Leitung verbunden. Der Transistor Tr12 ist vom PNP-Typ. Die Basis des Transistors Tr12 ist mit dem Emitter des Transistors Tr11 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr12 ist mit dem Ausgangsende des Konstantstromschaltkreises 32 verbunden. Der Transistor Tr13 ist vom PNP-Typ. Die Basis des Transistors Tr13 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluß Ti(+) über einen Widerstand R12 verbunden. Der Kollektor des Transistors Cr13 ist mit Masseleitung verbunden. Der Transistor Tr14 ist vom PNP-Typ. Die Basis des Transistors Tr14 ist mit dem Emitter des Transistors Tr13 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr14 ist mit dem Ausgangsende des Konstantstromschaltkreises 32 verbunden. Der Transistor Tr15 ist vom NPN-Typ. Der Kollektor des Transistors Tr15 ist mit dem Kollektor des Transistors Tr12 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr15 ist mit der Masseleitung verbunden. Die Basis des Transistors Tr15 ist mit dem Kollektor hiervon verbunden. Der Transistor Tr16 ist vom NPN-Typ. Der Kollektor des Transistors Tr16 ist mit dem Kollektor des Transistors Tr14 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr16 ist mit der Masseleitung verbunden. Die Basis des Transistors Tr16 ist mit der Basis des Transistors Tr15 verbunden. Der Transistor Tr16 bildet einen Stromspiegel gegenüber dem Transistor Tr15.
  • Der Operationsverstärker OP2 beinhaltet einen NPN-Transistor Tr20 und einen Konstantstromschaltkreis 34. Der Transistor Tr20 wirkt als Signalausgabevorrichtung. Der Operationsverstärker OP2 weist den Ausgangsanschluß To auf. Ein Eingangsende des Konstantstromschaltkreises 34 ist mit der positiven Energieversorgungsleitung verbunden, die mit der Energieversorgungsspannung VCP beaufschlagt ist. Ein Ausgangsende des Konstantstromschaltkreises 34 ist mit dem Kollektor des Transistors Tr20 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Ausgangsende des Konstantstromschaltkreises 34 und dem Kollektor Tr20 ist mit dem Ausgangsanschluß To verbunden. Die Basis des Transistors Tr20 ist mit der Verbindung zwischen den Kollektoren der Transistoren Tr14 und Tr16 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr20 ist mit der Masseleitung verbunden. Ein Kondensator C20 für eine Phasenkompensation ist zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors Tr20 geschaltet.
  • Der Emitterbereich des Transistors Tr15, der dem invertierenden Eingangsanschluß Ti(–) zugeordnet ist, wird größer als derjenige des Transistors Tr16 gemacht, der dem nicht invertierenden Eingangsanschluß Ti(+) zugeordnet ist, so daß die sich in dem Operationsverstärker Op2 entwickelnde Offset-Spannung negativ ist.
  • Genauer gesagt besteht gemäß 5 der Transistor Tr15 aus Unter-Transistoren in Parallelschaltung und gleicher Größe, wohingegen der Transistor Tr16 durch eine parallele Kombination zweier Unter-Transistoren gleicher Größe zu denjenigen der Unter-Transistoren im Transistor Tr15 gebildet ist. In diesem Falle ist die Emitterfläche oder der Emitterbereich des Transistors Tr15 gleich dem Emitterbereich oder der Emitterfläche des Transistors Tr16 multipliziert mit einem Faktor von ungefähr 1,5. Somit ist die Offset-Spannung im Operationsverstärker OP2 negativ. Die negative Offset-Spannung im Operationsverstärker OP2 ermöglicht es dem FET 6, mit Sicherheit in seinen idealen AUS- Zustand zu fallen, nachdem der Schalter SW1 den Schaltzustand EIN eingenommen hat. Somit wird der durch die Lampe 2 fließende Laststrom nach dem Umschalten des Schalters SW1 in den Schaltzustand EIN zuverlässig auf Null gesetzt.
  • Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich zur ersten Ausführungsform mit Ausnahme der nachfolgend aufgeführten Änderungen in der Auslegung. In der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der FET 6 in den Stromzufuhrpfad zwischen der Lampe 2 und der Masseleitung geschaltet. Der Stromfühlwiderstand 8 ist zwischen dem FET 6 und die Masseleitung geschaltet.
  • Eine dritte Ausführungsform dieser Erfindung ist ähnlich zur ersten Ausführungsform oder zur zweiten Ausführungsform mit Ausnahme der nachfolgenden Änderungen. Die dritte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine PWM-Steuerung (PWM = Pulsbreitenmodulation), um den Effektivwert oder Mittelwert des durch die Lampe 2 fließenden Laststromes zu ändern, wenn die Lampe 2 eingeschaltet bleibt. Änderungen im Effektivwert des Laststromes führen zu einer Änderung in der Helligkeit der Lampe 2.
  • Bei der dritten Ausführungsform der Erfindung wird der durch die Lampe 2 fließende Laststrom in Antwort auf ein PWM-Signal (ein Impulssignal mit variabler Pulsbreite) gesteuert. Zusätzlich wird das Taktverhältnis oder der Taktzyklus des PWM-Signals variiert, um den Effektivwert des Laststromes zu ändern. Bevorzugt hat das PWM-Signal eine bestimmte Frequenz. Genauer gesagt, der Schalter SW1 wird zwischen den Schaltzuständen EIN und AUS in Antwort auf ein PWM-Signal (ein Pulssignal) umgeschaltet, welches ein variables Taktverhältnis und eine bestimmte Frequenz hat. Das Taktverhältnis des PWM-Signals bestimmt das Verhältnis zwischen jedem Zeitintervall, während dem der Schalter SW1 im Schaltzustand AUS verbleibt und jedem Zeitintervall, während dem der Schalter SW1 im Schaltzustand EIN verbleibt.
  • Mit anderen Worten, daß Taktverhältnis oder der Taktzyklus des PWM-Signals bestimmt das Verhältnis zwischen jedem Zeitintervall, während dem der Laststrom durch die Lampe 2 fließt und jedem Zeitintervall, während dem der Laststrom daran gehindert ist, durch die Lampe 2 zu fließen. Somit hängt der Effektivwert des Laststromes vom Taktzyklus oder Taktverhältnis des PWM-Signals ab. Es ist möglich, den Laststrom stabil zu steuern, ohne hochfrequentes Rauschen oder Impulsspitzenrauschen zu erzeugen.
  • Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ähnlich zu den ersten, zweiten und dritten Ausführungsformen mit der Ausnahme, daß die Lampe 2 durch eine andere elektrische Last ersetzt ist, deren Innenwiderstand anwächst, wenn diese Last mit Energie versorgt oder erregt wird.
  • Beschrieben wurde eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last, welche ein Schaltelement aufweist, welches in einem Stromzufuhrpfad von einer Gleichstrom-Energiequelle zu der elektrischen Last angeordnet ist. Ein Fühlwiderstand, der in Serienschaltung mit der Schaltvorrichtung angeordnet ist, arbeitet dahingehend, einen Laststrom in Form eines Spannungswertes zu erfassen. Der Laststrom fließt über die Schaltvorrichtung in die elektrische Last. Eine Signalerzeugungsvorrichtung erzeugt ein Trapezwellensignal in Antwort auf von außen anliegenden Befehlssignalen, um die elektrische Last ein- und auszuschalten. Das Trapezwellensignal ändert sich allmählich von einer ersten bestimmten Spannung auf eine zweite bestimmte Spannung, wenn die elektrische Last eingeschaltet wird. Weiterhin ändert sich das Trapezwellensignal allmählich von der zweiten bestimmten Spannung auf die erste bestimmte Spannung, wenn die elektrische Last ausgeschaltet wird. Eine Steuervorrichtung arbeitet dahingehend, das von der Signalerzeugungsvorrichtung erzeugte Trapezwellensignal und den Spannungswert vom Fühlwiderstand zu vergleichen, um die Schaltvorrichtung in Antwort auf ein Vergleichsergebnis zu steuern, so daß sich der Laststrom abhängig von dem Trapezwellensignal ändert.

Claims (4)

  1. Eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Last, mit: einer Schaltvorrichtung (6), welche in einem Stromzufuhrpfad von einer Gleichstrom-Energiequelle zu der elektrischen Last geschaltet ist; einem Fühlwiderstand (8), der in Serienschaltung mit der Schaltvorrichtung (6) verbunden ist, um einen Laststrom als Spannungswert zu erkennen, wobei der Laststrom über die Schaltvorrichtung (6) in die elektrische Last fließt; einer Signalerzeugungsvorrichtung (10) zur Erzeugung eines Trapezwellensignales in Antwort auf von außen anliegenden Befehlssignalen, um die elektrische Last ein- und auszuschalten, wobei sich das Trapezwellensignal allmählich von einer ersten bestimmten Spannung zu einer zweiten bestimmten Spannung ändert, wenn die elektrische Last eingeschaltet wird und wobei sich das Trapezwellensignal allmählich von der zweiten bestimmten Spannung zur ersten bestimmten Spannung ändert, wenn die elektrische Last abgeschaltet wird; und einer Steuervorrichtung (20) zum Vergleichen des von dem Trapezwellen Erzeugungsschaltkreis (10) erzeugten Trapezwellensignales und des vom Fühlwiderstand (8) erzeugten Spannungswertes und zum Steuern der Schaltvorrichtung (6) in Antwort auf ein Ergebnis des Vergleichs, so dass sich der Laststrom abhängig von dem Trapezwellensignal ändert, wobei die Steuervorrichtung (20) einen Operationsverstärker (OP2) zur Erzeugung eines Spannungssignales abhängig von einer Spannungsdifferenz zwischen dem Trapezwellensignal von dem Erzeugungsschaltkreis (10) und dem Spannungswert von dem Fühlwiderstand (8) aufweist, und wobei der Operationsverstärker (OP2) einen Differenzverstärkerschaltkreis aufweist, der eine Eingangsstufe bildet, wobei der Differenzverstärkerschaltkreis Eingangsanschlüsse (Ti) und Transistoren (Tr11–Tr16) aufweist, wobei zwei mit ihren Basen verbundenen Transistoren (Tr15, Tr16) unterschiedliche Emitterflächen haben, um eine negative Offset-Spannung des Operationsverstärkers (OP2) zu erzeugen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Fühlwiderstand (8) in einem Stromzufuhrpfad von der Gleichstrom-Energiequelle (4) zu der Schaltvorrichtung (6) geschaltet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schaltvorrichtung (6) einen Transistor mit einem Steueranschluss aufweist, wobei der Transistor den Laststrom in Antwort auf eine Eingangsspannung am Steueranschluss steuert, wobei weiterhin eine Vorrichtung zum Steuern der Eingangsspannung an den Steueranschluss des Widerstandes in Abhängigkeit von einer Ausgangsspannung des Operationsverstärkers vorhanden ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalerzeugungsvorrichtung (10) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Trapezwellensignales in Abhängigkeit von einem Impulssignal mit einem Taktzyklus aufweist, welcher gesteuert wird, um eine pulsweitenmodulierte Steuerung des Laststromes durchzuführen.
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