DE3125528A1 - Schaltungsanordnung fuer einen schaltregler fuer induktive lasten - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer einen schaltregler fuer induktive lasten

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Description

  • Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für
  • induktive Lasten Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Eine Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten ist aus der DE-PS 28 41 781 vorbekannt. Hierbei sind im Lastkreis in SErie die induktive Last, ein Strommeßwiderstand und ein Schaltelement in Form eines Transistors angeordnet. Dabei ist die induktive Last am +Pol der Stromversorgung direkt angeschlossen, während der Transistor mit dem -Pol der Stromversorgung verbunden ist. Ein Freilaufkreis in Form einer Diode ist parallel zum Strommeßwiderstand und induktiver Last geschaltet. Am Strommeßwiderstand wird ein kleines Nutzsignal abgenommen und einer Steuervorrichtung für den als Schaltelement wirkenden Transistor zugeleitet. Bei dieser Schaltungsanordnung erweist sich das dem kleinen Nutzsignal überlagerte große Gleichtaktsignal als Problem. In der Ein-Phase des als Schaltelement wirkenden Transistors liegt der Strommeßwiderstand an einem Potential von ca. UCEsat über dem Potential des -Pols der Stromversorgung. In der Aus-Phase liegt er in etwa um die Freilaufdiodenspannung unter dem +Potential der Stromversorgung. Es werden daher zwei getrennte Komparatoren verwendet, deren Gleichtaktbereiche auf die Ein- bzw. Aus-Phase abgestimmt sind. Dies bedeutet einen erheblichen Aufwand.
  • Es sind aus den DE-PS 26 12 914, 27 06 436 und 29 50 692 auch andere Ausbildungen des Lastkreises bekannt, bei denen entweder die induktive Last nicht direkt an einem Pol der Stromversorgung oder aber das Schaltelement nicht direkt an einem Pol der Stromversorgung angeschlossen ist. Solche Lastkreise besitzen aber Nachteile, sei es hinsichtlich des Aufwandes für den Strommeßwiderstand, der Ist-Werterfassung in Ein- und Aus-Phase, Zahl der benötigten Regleranschlüsse und Aufwand für den Regler selbst.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE-PS 28 41 781 bekannte Schaltungsanordnung dahingehend zu verbessern, daß sie einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau des Schaltreglers ermöglicht und die Regelung trotzdem präzise bleibt.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, daß durch die Zuordnung eines Teilernetzes zu dem Strommeßwiderstand im Lastkreis bei direktem Anschluß der induktiven Last an einem Pol der Stromversorgung es möglich wird, den Schaltregler unter Verwendung nur eines einzigen Komparators aufzubauen. Trotz dieses einfachen Aufbaues bleiben alle Vorteile, wie präzise Steuerung und dgl., erhalten. Trotz des Teilernetzes bleibt das ankommende, vom Strommeßwiderstand abgenommene Nutzsignal genügend groß bzw. die Dämpfung des Nutzsignals kann trotz der Transformierung in den Gleichtaktbereich des Komparators relativ gering gehalten werden.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zur Hystereseerzeugung die Widerstände des Teilernetzwerkes derart unsymmetrisch, daß im als Mit-Kopplung wirkenden Zweig eine stärkere Einkopplung des transformierten Ist-Wert-Signals auftritt als im als Gegenkopplung wirkenden Zweig. Für diese Hysteresewirkung sind keine zusätzlichen baulichen Mittel erforderlich.
  • Je nach geforderter Hysteresis muß z.B. für R5NO,98 R4 gewählt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein SChaltbild eines Schaltreglers für induktive Lasten, z.B. eines Proportionalreglers für die Kühlwassertemperatur eines Kraftfahrzeuges, bei dem eine schaltende Stromregelung des Lüftermotors vorgesehen ist; Fig. 2 ein Spannungsdiagramm, und Fig. 3 ein Schaltbild eines Reglers nach Fig. 1 einer geänderten Ausführung.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild enthält strichpunktiert umrandet den eigentlichen rhnltregler S für einen Lüftermotor M eines Kraftfahrzeuges. Abhängig von der Kühlwassertemperatur des Kraftfahrzeugmotors soll in einer schaltenden Stromregelung der Lüftermotor M betrieben werden.
  • In dem an die -Batt und +Batt-Pole der Fahrzeugbatterie angeschlossenen Lastkreis sind in Reihe geschaltet der Lüftermotor M, der Strommeßwiderstand Rq und der als Schaltelement verwendete pnp-Darlington-Transistor T. Der Lüftermotor M ist dabei direkt an den -Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen.
  • Parallel zu dem Strommeßwiderstand R1 und dem Lüftermotor M ist als Freilaufkreis eine Diode D1 geschaltet.
  • Der den Lastkreis ein- und ausschaltende Darlington-Transistor T1 ist mit seinem Emitter an den +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie und mit seinem Kollektor an den Strommeßwiderstand R1 angeschlossen. Seine Basis wird über einen Widerstand R2 von einem Trigger-Transistor T2 angesteuert, dessen Kollektor mit dem Widerstand R2 und dessen Emitter mit dem -Batt-Pol der Fahrzeugbatterie verbunden ist. Außerdem ist die Basis des Transistors T1 mit dem Kollektor über einen Widerstand R3 verbunden.
  • Die Basis des Transistors T2 ist mit dem Ausgang eines Komparators B1 verbunden. Der -Eingang vlieses Komparators B1 ist über einen Widerstand R4 mit dem einen Ende des Strommeßwiderstandes R1, der +Eingang ist über den Widerstand R5 mit dem anderen Ende des Strommeßwiderstandes R1 verbunden. Parallel zu den beiden Eingängen des Komparators B1 liegt ein Kondensator C1, der zur Störunterdrückung etwa eingekoppelter, parasitärer Störspannungen dient. Der +Eingang des Komparators B1 ist über einen Spannungsteiler bildende Widerstände R6 und R7 an +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie bzw. an den -Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen. Auch der -Eingang des Komparators B1 ist mit einen Spannungsteiler bildenden Widerständen R8 und Rg verbunden. Der Widerstand R8 ist über einen weiteren Widerstand R10 mit dem +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie verbunden, während der Spannungsteilerwiderstand Rg direkt mit dem -Batt-PQl der Fahrzeugbatterie verbunden ist.
  • Außerdem ist der Ausgang des Komparators noch über einen Widerstand R an den +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen.
  • Ein Temperatursensor Ga, der die Kühlwassertemperatur überwacht, und von dem NTC-Widerstand gebildettrzird, ist über einen Widerstand R12 und einen Vorwiderstand R13 an den +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen. Andererseits ist der Temperatursensor G1 mit dem -Batt-Pol der Fahrzeugbatterie verbunden.
  • Der dem Widerstand R12 und dem Temperatursensor G1 parallel geschaltete Kondensator C3 und die Zenerdiode D2 dienen zusammen mit dem Vorwiderstand R13 als Stör- und Zerstörschutz.
  • Das am Punkt a abgegriffene, der Kühlwassertemperatur entsprechende, vom Temperatursensor G1 erzeugte Temperatursignal wird über einen Vorwiderstand R14 einem Eingang des Komparators B2 zugeführt. Der andere Eingang des Komparators B2 ist an einen von den Widerständen R15 und R16 gebildeten Spannungsteiler angeschlossen. Ein Kondensator C2 parallel zu den Eingängen des Komparators B2 angeschlossen und ein Widerstand R17, der vom einen Eingang zum Ausgang des Komparators B2 angeschlossen ist, sowie ein Widerstand R18 bilden zusammen mit den Widerständen R12, R15, R16 und R14 eine Verstärkerstufe für das vom Temperatursensor G1 gelieferte Temperatursignal.
  • Komparatoren besitzen vorgegebene zulässige Gleichtaktbereiche.
  • Die eine Grenze eines Gleichtaktbereiches kann geringfügig über Null Volt, die andere bis zu einigen Volt unter +UBatt liegen.
  • Wird für einen Komparator B1 der Typ LM 2903 verwendet, so liegt der erlaubte Gleichtaktbereich in den Grenzen von -0,3 Volt bis VCC - 1,5 Volt.
  • Für einen realisierten 10 A--Reyler liegt der Strommeßwiderstand R1 im Bereich von ca. 30 mil, um einerseits ein Strommeßsignal genügender Größe und andererseits keine zu große Verlustleistung und zu hohen Spannungsverlust zu erhalten.
  • Unter der Annahme von UBatt = 12 Volt; UR1 250 mV; UCESatT1 = 1 Volt; Komparator LM 2903 ergibt sich dann ein Spannungsdiagramm, wie in Fig. 2 dargestellt.
  • Im Ein-Zustand des Transistors T1 liegen die Potentiale A, B des Strommeßwiderstandes R1 überhalb der zulässigen oberen Grenze Fo des Gleichtaktbereiches GKB des Komparators B1 und im Aus-Zustand unterhalb der unteren Grenze Fu desselben.
  • Das Teilernetzwerk, bestehend aus den Widerständen R4, R8, R9 und R5, R6 und R7 hat nun dafür zu sorgen, daß die Potentiale A, B auch im "worst case" in die Potentiale C, D transformiert werden, die sowohl bei Ein- als auch bei Aus-Zustand des Lastkreises sicher innerhalb des erlaubten Gleichtaktbereiches GKB des als Komparator B1 verwendeten IC5 liegen.
  • Wie ersichtlich, ist hierfür nur eine geringe Teilerwirkung erforderlich. Mithin ist der am Eingang des Komparators B1 ankommende Nutzsignalhub von UR1 noch genügend groß, bzw. die Dämpfung des Nutzsignals läßt sich bei dieser Transformierung relativ gering halten.
  • Der Schaltregler funktioniert folgendermaßen: Wird aufgrund zu tiefer Kühlwassertemperatur keine Temperatur-Signal-Spannung über den Ausgang des Komparators B2 am Widerstand RaOeingekoppelt, ist wegen R10 # R8, R10<R8, Rg und R8 = R6 und Rg = R7, R5 = 0,98 R4 der Punkt D gegenüber dem Punkt C geringfügig negativer.
  • Somit liegt der Ausgang des Komparators B2 auf Low und die Transistoren T2 und T1 sperren. Der Lastkreis ist unterbrochen, der Kühlmotor M steht still.
  • Wird am Widerstand R10 bei entsprechender Kühltemperatur eine Temperatur-Signal-Spannung eingekoppelt, so wird Punkt C gegenüber D negativer und der Ausgang des Komparators B1 geht auf High und demzufolge werden die Transistoren T2 und T1 leitend.
  • Der wegen R < R4 vorher etwas stärker als C negativ verstimmte Punkt D wird nunmehr über R5 positiver verstimmt als Punkt C durch R4. Deshalb muß erst ein gewisser Motorstromanstieg und damit Vergrößerung von UR1 stattfinden, bis die High-Potentiale von C und D gleich werden und der Regler ausschaltet. Im Low-Zustand verstimmt R5 Punkt D wieder negativer, so daß erst ein gewisser Stromabfall durch R1 wieder ein Einschalten bewirkt.
  • Der Transistor T2 wirkt als Treiber, da kostengünstige, handelsübliche Komparatoren (LM 2903, LM 2901, MC 3302 usw.) nur einige mA Ausgangsstrom liefern, ein bipolarer Darlington-Transistor bei ca. 10 A Kollektorstrom aber mit einigen 10 mA Basisstrom angesteuert werden muß.
  • Die Diode D1 im Freilaufkreis des Schaltreglers S übernimmt den Motorstrom, wenn Transistor T1 ausschaltet. Sie verhindert zerstörende, induktive Abschaltspitzen und sorgt mit ihrer kleinen Freilaufspannung im Fall des nichtleitenden Transistors T1 gemäß der Beziehung für einen langsamen, energiesparenden Stromabfall im Motor M.
  • Bei der in Fig. 3 dargestellten, geänderten Ausführung eines Schaltreglers S soll für einen Lüftermotor M die Drehzahl gesteuert werden. Es wird ein Switch-Mode Stromregler verwendet.
  • Bei dem im wesentlichen gleichen Aufbau des Reglers sind für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Lüftermotor M mit seinem einen Pol an den +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen. In Reihe mit ihm liegt wieder der Strommeßwiderstand R1 und ein als Schaltelement dienender Transistor T1, für den ein MOSFET-Power-Transistor verwendet wird. Hierdurch kann eine zusätzliche Treiberstufe in Form eines Transistors T2 nach Fig. 1 entfallen.
  • Als Freilaufkreis dient wieder eine Diode D1, die parallel zum Lüftermotor M und Strommeßwiderstand R1 geschaltet ist.
  • Da der Lüftermotor M einseitig an dem +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie geschaltet ist und das Schaltelement in Form des Transistors T1 am -Batt-Pol der Batterie angeschlossen ist, ist der am Strommeßwiderstand R1 auftretende Gleichtaktbereich stets positiv, so daß ein Transformieren der Potentiale ins Positive nicht notwendig ist. Damit können die in Fig. 2 vorhandenen Widerstände R8 und R6 entfallen.
  • Mitkoppelnd wirkt hier der Widerstand R5, weshalb zur Hystereseerzeugung zu dimensionieren ist: Der Soll-Wert der Drehzahl wird vom Potentiometer R19 über den Widerstand R20 am Widerstand R21 eingekoppelt.
  • Ansonsten gelten die Ausführungen zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auch für die vorliegende, geänderte Ausführungsform nach Fig. 3.
  • Die Schaltungsanordnung eignet sich ebenso zur Steuerung der Erreger anderer induktiver Verbraucher, wie z.B.von Hubmagneten, Elektromagnet-Einspritzventilen etc.
  • Der Komparator kann auch als Operationsverstärker ausgebildet sein.
  • Fig. 1 Fig. 2 Widerstände R1 = 30 mQ Widerstände R2 = 430 # R19 = 2,2k# Potentiometer R3 = 2 K # R20 = 2,2K Q R4 = 2 K# R21 = o,3K# R5 = 2 K# R6 = 13 K# R7 = 13 K# ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Komparatoren R8 = 13 K# Kondensatoren B1 = LM 2903P Rg = 13 KQ C1 = 10 nF B2 = LM 2903P R10 = 0,3k# C2 = 10 nF R11 = 5,1 K# C3 = 33µF R12 = 2 K# R13 = 22 K# Dioden R14 - 10 K# D1 = By29bF R15 = 20 K# D2 = Zy 20 R16 = 20 K# R17 = 390 K# Transistoren 18 = 2,2 K# T1 = pnp Darlington-Transistor BDW 94A T2 = npn Transistor BC 137 Leerseite

Claims (3)

  1. Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten mit einem Schaltelement, einem Strommeßwiderstand und einer Last in Reihe zwischen den Polen einer Stromversorgung, wobei die Last an den einen Stromversorgungspol, das Schaltelement an den anderen Stromversorgungspol angeschlossen und der Strommeßwiderstand zwischen Last und Schaltelement angeordnet ist, einem Freilaufkreis, der geschaltet ist, und einem an den Strommeßwiderstand und das Schaltelement angeschlossenen Steuerkreis zur Auswertung eines Sollwertes und eines über den Strommeßwiderstand gewonnenen Ist-Wertes, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Komparator (B1) vorhanden ist, dessen Eingänge mit dem Strommeßwiderstand (R1) und mit einem Soll-Wertgeber (G1) verbunden sind und dessen Ausgang mit dem Schaltelement (T1) im Lastkreis (Ta, R1, M) in Verbindung steht, sowie daß ein symmetrisches Teilernetzwerk (R8, Rgt R4, R6, R7, R5) zwischen Strommeßwiderstand (R1) und Komparatoreingängen vorhanden ist, welches das außerhalb des Gleichtaktbereiches des Komparators (B1) auftretende, vom Strommeßwiderstand erzeugte Ist-Wertsignal verarbeitbar in den Gleichtaktbereich (GKB) des Komparators (B1) transformiert.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Hystereseerzeugung die Widerstände des Teilernetzwerkes (R8, Rg, R4, R6, R7, R5) derart unsymmetrisch sind, daß im als Mit-Kopplung wirkenden Zweig (R5) eine stärkere Einkopplung des transformierten Ist-Wert-Signals auftritt als im als Gegenkopplung wirkenden Zweig (R4).
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilernetzwerk nur die Widerstände (R4, Rg, R5, R7, R21) aufweist, die die Eingänge des Komparators (B1) mit dem Strommeßwiderstand (R1) und dem einen Stromversorgungspol verbinden.
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