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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.
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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.
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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.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 den
Schaltkreisaufbau einer Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen
Last gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
Zeitdiagramm des Zustandes eines Schalters, der Spannungsverläufe und
eines Laststromes in der Vorrichtung von 1;
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3 ein
Zeitdiagramm eines Schaltezustandes, Spannungszuständen und
eines Laststromes, welche in einem angenommenen Fall auftreten;
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4 den
Aufbau eines Operationsverstärkers
aus 1, und
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5 die
Verschaltung von Transistoren in 4.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.