DE3139987A1 - Steuereinrichtung fuer einen elektromagnetischen verbraucher in einem kraftfahrzeug, insbesondere ein magnetventil oder ein stellmagnet - Google Patents
Steuereinrichtung fuer einen elektromagnetischen verbraucher in einem kraftfahrzeug, insbesondere ein magnetventil oder ein stellmagnetInfo
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Description
17351 3
20.8.1981 Mu/Hm
ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1
Steuereinrichtung für einen elektromagnetischen Verbraucher
in einem Kraftfahrzeug, insbesondere ein Magnetventil oder
ein Stellmagnet
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Steuereinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die DE-OS 27 θβ Η36 offenbart
eine "Vorrichtung zur stromgeregelten Ansteuerung von elektromagnetischen Schaltsystemen". Beim dort beschriebenen
Ausführungsbeispiel wird einem elektromagnetischen Einspritzventil zu Beginn ein hoher Strom zugeführt, der
anschließend im Bereich des Haltestroms für das Magnetventil getaktet wird. Zur Realisation wird ein äußerst
hoher Bauelementeaufwand benötigt. Es ist eine der Aufgaben
der Erfindung, nach einer bezüglich des Aufbaus relativ einfachen Steuereinrichtung zu suchen, die jedoch
trotzdem sehr gute Ergebnisse liefert.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung' für einen elektromagnetischen
Verbraucher mit dem Merkmal des Hauptanspruches weist bei minimalem Bauelementeaufwand ein sehr
-y-H. " "" "
1?3ä1
gutes Signalverhalten auf. Infolge dieses minimalen Auf—
wandes erweist sich diese Steuereinrichtung auch als weniger störanfällig gegenüber der bekannten.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in folgendem näher beschrieben und erläutert. Es zeigen Figur 1 eine Steuereinrichtung für
ein elektromagnetisches Einspritzventil, die Figuren 2 und 3 Impulsdiagramme zum Erläutern des Gegenstands von
Figur T. In Figur k ist eine Steuereinrichtung für einen
Stellmagneten-dargestellt und schließlich zeigt Figur 5
ein Impulsdiagramm der Steuereinrichtung, von Figur U.
Beschitei-timng der Ausführungsbeispiele
Die Ausführungsbeispiele betreffen sogenannte stromgeregelte Endstufen einmal in Verbindung mit einem elektromagnetischen
Einspritzventil bei einer Brennkraftmaschine
mit Fremdzündung und einmal in Verbindung mit einem Stellmagneten, z.B. zum Einstellen der einzuspritsenzenden
Kraftstoffmenge bei einer Diesel-Brennkraftmaschine·
In Figur 1 ist mit 10 die Wicklung eines elektromagnetischen Einspritzventils gezeichnet, die in Reihe zu
einem Schalttransistor 11 und einem Meßwiderstand 12
zwischen zwei Betriebsspannungsleitungen 13 und 1^t- liegt.
Seine Ansteuerung erhält der Schalttransistor 11 ausgehend von einer Eingangsklemme 15 über einen Widerstand
16, einen Transistor 17 sowie einen weiteren Widerstand 18. Während die Basis des Transistors 17 über einen
Widerstand 19 mit der Masseleitung 1^ gekoppelt ist,
steht sein Kollektor über einen Widerstand 20 mit der
Plusleitung 13 in Verbindung. Parallel zur Wicklung 10 des Magnetventiles liegt eine Diode 21 in Reihe zu einem
Freilaufsteuerkreis 22* Er umfaßt zwei Transistoren 23
und 2i+, einen Widerstand 25 sowie eine Diode 26. Sowohl
die Diode 26, als auch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 2k liegen zwischen Ein- und Ausgangsanschluß
des Freilaufsteuerkreises 22. Parallel zur Basis-Kollektor-Strecke
des Transistors 2k liegt die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 23, dessen Basisanschluß
mit einem Steuereingang 27 des Freilaufsteuerkreises 22
gekoppelt ist. Der Widerstand 25 innerhalb dieses Steuerkreises 22 verbindet schließlich den Basi'sanschluß mit
dem Emitteranschluß des Transistors 2k.
Während an der Eingangsklemme 15 das invertierte Einspritzsignal aus einer nicht dargestellten, vorangehenden
Signalerzeugerstufe anliegt, erhält eine Eingangsklemme 30 das nicht invertierte Einspritzsignal. Sie
ist über einen Widerstand 31 mit einem Treibertransistor 32 verbunden, dessen Emitter unmittelbar und dessen
Basis mittelbar über einen Widerstand mit der Masseleitung 1k gekoppelt ist, und dessen Kollektor über
einen Widerstand 35 am Steuereingang 27 des Freilaufsteuerkreises 22 angeschlossen ist. Ein Widerstand 36
verbindet schließlich noch den Steuereingang 27 und den
Kollektor des Schalttransistors 1 1 a von dem wiederum eine
Zenerdiode 37 gegen seine Basis geschaltet ist.
Eine Meßsignalleitung kO führt vom transistorseitigen Anschluß des Meßwiderstandes 12 über einen Widerstand 1*1
zum Pluseingang eines als Schwellwertschalters geschalteten Komparators 1*2. Des weiteren steht dieser Plus-Eingang
über·einen Widerstand k3 mit der Plusleitung 13 und
über eine Reihenschaltung zweier Dioden kk und 1*5 mit der
Masseleitung 11* in Verbindung. Vom Ausgang des Kompara-
tors k2 führt ein Widerstand kj zur Plusleitung 13, ein
Widerstand k8 zur Basis des Transistors lh und ein Kondensator
k9 zur Verbindungsstelle der beiden Dioden kk
und k-5· Sein Minus-Eingang ist über einen Widerstand 50
an der Verbindungsstelle eines Widerstandes 51 und einer Zenerdiode 52 zwischen den beiden Durchspannungsanschlüssen
angeschlossen. Außerdem liegt er über einen Widerstand 53 an der Masseleitung 1U.
Während in Figur 1a das Gesamtschaltbild angegeben ist,
zeigen die Figuren 1b und 1c weitere Möglichkeiten zur Realsierung des Freilaufsteuerkreises 22. Nach Figur 1b
besteht der Freilaufsteuerkreis lediglich aus einer Darlington-Schaltungsanordnung
ohne weitere Schaltungselemente. Figur 1c hingegen zeigt die prinzipiell gleiche
Anordnung wie sie in Figur 1a dargestellt ist, mit Ausnahme der dort eingezeichneten Diode 26, die bei der
Anordnung nach Figur Ic durch eine Zenerdiode 5^ ersetzt
ist. Bei .Verwendung der in Figur 1c dargestellten Schaltungsanordnung läßt sich dann beim Gegenstand von
Figur 1 die Zenerdiode 3^ sowie der Widerstand 18 in der
Basisleitung zum Transistor 11 einsparen. Erklärt wird die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Steuereinrichtung
zweckmäßigerweise anhand der Imp-ulsdiagramme
von Figur 2 und 3.
i.-iu_"icliiUii^
i.-iu_"icliiUii^
Das von einer Impulserzeugerstufe kommende Einspritzsignal
für das elektromagnetische Einspritzventil ist in Figur 2a in invertierter Form und in Figur 2b in nicht invertierter Form dargestellt. Figur 2c kennzeichnet das Signal am
Ausgang des KomparätQES'_^2'; \Äm_Kollektor des Schalttranssistors
11 entsteht das Signal nach Figur 2d und der entsprechende Stromfluß durch den Schalttransistor hat einen
Magnetventilstrom entsprechend Figur 2e zur Folge.
Die Signalverhältnisse im Umfeld des Komparators k2 zeigt
Figur 3. Dort ist in Figur 3a die über dem Meßwiderstand
"X "7"
abfallende Spannung aufgetragen, Figur 3b zeigt den Stromfluß durch die Diode kk. Am Plus-Eingang des
!Comparators k-2 ergibt sich ein Signal nach Figur 3c
und das Ausgangspotential dieses !Comparators \2. zeigt
Figur 3d.
Im einzelnen funktioniert nun die in Figur 1 dargestellte Schaltungsanordnung wie folgt:
An der Basis des Transistors 17 werden das invertierte
Einspritzsignal nach Figur 2a und das Ausgangssignal des
!Comparators (Figur 3d) in einer NOR-Funktion verknüpft.
Dadurch leitet * während eines hohen Signalpegels an der Eingangsklemme 15 der Transistor 17s folglich sperrt
der Schalttransistor 11 und die Magnetventilwickelung ist stromlos.
Zu Beginn des Einspritzsignals wird bei tiefem Ausgangswert
des !Comparators k2 der Transistor 17 gesperrt und
der nachfolgende Schalttransistor 11 leitend gesteuert. Es fließt ein Strom durch die Magnetwicklung 10, den
Schalttransistor 11 und den Meßwiderstand 12, an dem
eine zum Strom proportionale Spannung abfällt. Jeweils
beim Erreichen einer einstellbaren oberen und einer unteren Schwelle schaltet der Komparator seinen Ausgangspegel
um. Im Takt dieser internen Regelfrequenz wird die Magnetventilwicklung 10 gegen Masse geschaltet
und der Ventilstrom zwischen den Werten Imax und Imin
geregelt (siehe Figur 2e).
Zusätzlich wird am Ende des Einspritzsignals9 d.h. bei
der Anstiegsflanke des Signals nach Figur 2a durch eine Unterbrechung des FreilaufStromkreises der Magnetstrom
über eine BC-Klammerung schnell auf Null abgebaut (siehe hierzu Figur 2d in Verbindung mit dem schnellen Signalabfall
am Endes des in Figur 2e dargestellten Kurvenzuges)
Der Freilaufsteuerkreis 22 wird abhängig vom an der
Eingangsklemme 30 liegenden Einspritzsignal leitend oder gesperrt gesteuert. Vor dem Auftreten eines Einspritzsignals
ist der Freilaufsteuerkreis gesperrt. Erst während der Strompausen des Schalttransistors
werden die Transistoren 23 und 2k im Freilaufsteuerkreis 22 leitend, der Strom durch die Magnetventilwicklung
fließt dann durch den Transistor 2k und die Diode 21 und klingt ausgehend vom maximalem Stromwert
a"b. " . -
Während der Ums ehalt Zeitpunkte des !Comparators k2
von tiefem auf hohes Potential sind wegen der endlichen Sperrverzugszeiten die beiden Transistoren 11
und 2k gleichzeitig leitend. Durch die Diode 21 und
die Transistoren 23 und 2k fließt ein inverser Strom ;ts ίϊ"-" en
und wegen der noch nicht erlangten Sperrfähigkeit der
Diode 21 übernehmen die Transistoren 23 und 2k die Spannung. Da die Kollektor-Basis-Diode des Transistors
2k ebenfalls noch leitet, baut sich zwischen Emitter und Basis, während der Dauer der Sperrverzugszeit der
Diode 21 (Fast-RecoweryvDiode trr = 200 ... 600 ns, abhängig von Sperrschicht-Temperatur und Strom in Vorwärts
richtung) die inverse Durchbruchsspannung (UEB = 7 V 9 V) auf. Dieser Betriebszustand ist im allgemeinen
nicht zulässig und kann zur Verschlechterung der Verstärkungseigenschaften der beiden Transistoren 21 und
2k führen. Um ihn zu vermeiden, liegt dem Transistor 2k eine Diode 26 parallel. Sie übernimmt während der
Umschaltzeitpunkte den Reversstrom und begrenzt die Reversspannung auf ca. 1 Volt.
In Schaltungen, in denen aus Gründen der Kühlung die Dioden 21 zwischen den Transistoren 11 und 2k angeordnet
ist, schützt die Diode 26 darüber hinaus noch die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 2k beim Einschalten
der Transistoren 32 und 23 vor einer zu hohen inversen Durchbruchspannung.
1.
Führt man entsprechend der Schaltungsanordnung von Figur 1c die in Figur 1a dargestellte Diode 26 als Zenerdiode
5k aus, dann wird die Löschung der Schaltstufe (BC-Klammerung)
in den Freilaufkreis verlagert. Bei genügend hochsperrenden Schalttransistor 11 können dann die Zenerdiode
37 sowie der Widerstand 18 entfallen.
Die Impulsverlustleistung des Transistors 2.Ή läßt sich
senken, wenn die Durchlaßspannung der Diode 26 etwa dem 0,6-fachen der Durchbruchspannung der Zenerdiode 37 entspricht.
Der Komparator Xi arbeitet mit unsymmetrischer Strommessung.
Während der Einschalt zeiten des Schalttransistors 11 wird der Strom durch die Magnetwicklung 10
des Einspritzventils über den Meßwiderstand. 12 erfaßt und als Istwert auf den Plus-Eingang des !Comparators
k2 gegeben. Der Sollwert wird von einer stabilisierten Spannung (Zenerdiode 52) abgeleitet. Der dazugehörige
Spannungsteiler (die Widerstände 50 und 53) bestimmt
in seinem Abgleich die obere Schaltschwelle Imax.
Sobald die Ist-Spannung (U+) gleich der Soll-Spannung (U-) ist, schaltet der Komparator von tiefem auf hohes
Ausgangspotential (Figur 3d).
Der Spannungssprung überträgt sich über den Kondensator k9 und klingt während der Freilaufphase mit der Zeitkonstanten
4T = C (1*9) χ R (In) ab. Sobald die Schaltschwelle
wieder unterschritten wird, schaltet der Komparator k2 wieder sein Ausgangssignal auf einen tiefen
Wert. Dann sperrt die Diode hk, so daß nach Figur 3c die Spannung am Plus-Eingang einen kleinen negativen
Sprung macht und somit zur beschleunigten Umschaltung des Komparators k2 beiträgt. Die Diode 1+5 macht die
Ladezeit des Kondensators k9 während der stromleitenden
Phase des Transistors 11 im wesentlichen zu Null, so
daß in der folgenden Freilaufphase immer die gleiche
Ladung im Kondensator U° umgeladen wird. Zusätzlich
erfährt die Spannung an der Anode der Diode hk eine
Begrenzung auf etwa -0,6 V.
Aufgrund der Schaltungsanordnung des !Comparators k-2
erfolgt die Umschaltung des Transistors 11 vom stromleitenden in den gesperrten Zustand "bei maximalem
Strom wegen der gesperrten Diode kh (Figur 3b) völlig
frei von dynamischen Komponenten. Der Batteriespannungseinfluß auf die Öffnungszeit des Magnetventils verringert
sich dadurch merklich.
Als "besonderes Merkmal enthält die Schaltung einen Kompara
tionswiderstand ^3, der den Batteriespannungsgang der
Zenerdiode 52 in einem weiteren Bereich kompensiert. Dabei wird der sich am invertierenden Komparatoreingang
verändernder Zenerspannung eine etwa gleich große Veränderung (durch R U3) am nicht invertierenden Komparatoreingang
entgegengehalten, wodurch eine Kompesation des Batterxespannungsgangs eintritt. Der resultierende Batteriespannungsgang der Schaltungsanordnung,
inshesonders des oberen Schaltpunktslmax wird
dadurch außerordentlich verbessert.
Wesentlich bei der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist die Tatsache, daß während eines Einspritzsignals
(Figur 2b) die Ausschaltzeitpunkte des Schalttransistors 11 durch das Erreichen eines maximalen Stromes
bestimmt sind und sich die einzelnen Sperrphasen des Transistors 11 an der Umladezeitkonstante des Kondensators
h9 orientieren.
Bei der oben beschriebenen Steuereinrichtung in Verbindung mit einem elektromangetischen Einspritzventil kam
es darauf an, das Magnetventil schnell zu öffnen und anschließend den Ventilstrom aus Leistungsgründen zu
y- in.
takten. Als Ergebnis ergibt sich, der in Figur 2e dargestellte
Stromverlauf durch die Wicklung des Einspritzventils .
Beim Gegenstand von Figur h wird das Signalverhalten der
Steuereinrichtung von Figur 2 während der Zeit - dauer eines Einspritzsignals dazu ausgenützt, ein elektromechanisches
Stellwerk in seiner Position zu steuern. Derartige Stellwerke werden in Verbindung mit Brennkraftmaschinensteuerungen
z.B. im Zusammenhang mit einer Leerlaufregelung bei Brennkraftmaschinen mit
Fremdzündung benötigt oder jedoch zur Lagesteuerung eines mengenbestimmenden Gliedes bei einer Einspritzpumpe
für eine Diesel-Brennkraftmaschine.
Beim Gegenstand von Figur h wird die Magnetwicklung
eines Stellwerks fortlaufend mit einem pulsierenden Strom beaufschlagt. Der arithmetische Mittelwert dieses
Stromes läßt sich bei dieser Steuereinrichtung über ein Steuersignal Us am Minuseingang des !Comparators k2. einstellen.
Die Steuereinrichtung von Figur h entspricht im Prinzip
der Steuereinrichtung nach Figur 1. Es entfällt jedoch der Freilaufsteuerkreis 22, da während der Sperrzeiten
des Transistors 11 eine einfacher Freilaufdiode 61 zum
Leiten des Freilaufstromes ausreicht. Die Steuerspannung
Us am Minus-Eingang des Komparators k2. bestimmt
den Maximalwert durch die Wicklung 60 des Stellwerks. Die Dauer der jeweiligen Freilaufphasen orientieren
sich wie bereits beim Beispiel.der Steuerung des Einspritzventils an der Umladezeitkonstanten für den Kondensator
1+9«
Das zur Steuereinrichtung nach Figur gehör.enäe<;Stromdiagramm
ist in Figur 5 für zwei unterschiedliche
Steuerspannungen Us aufgetragen. Erkennbar ist der fortlaufende Wechsel iron Stromanstieg infolge eines
leitend gesteuerten Schalttransistors 11 und nachfol gendem Stromaufall, hervorgerufen durch die ohmschen
Widerstände im Freilaufkreis mit der Diode 61.
Claims (1)
- 20.8.1981 Mü/HmROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1Ansprüche1. Steuereinrichtung für einen elektromagnetischen Verbraucher, insbesondere Magnetventil oder elektromagnetisches Stellwerk, mit einem in Reihe zum Verbraucher liegenden Schalttransistor und einen Strommeßwiderstand, der mit einer Vergleichsstufe in Verbindung steht und der den Schalttransistor beim Erreichen eines bestimmten Verbraucherstromes in seinem Sperrzus.tand schaltet und zeitabhängig in seinen leitenden Zustand zurückschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (Komparator ^2) eine dynamische Mitkopplung aufweist.2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dynamische Mitkopplung aus einer Reihenschaltung von Kondensator (k9) und Diode (hk) besteht, und deren Verbindungsstelle über eine Diode (h-5) mit einer Batteriespannungsleitung (1U) gekoppelt ist.3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines nur zeitweise ange-steuerten Verbrauchers ein Freilaufsteuerkreis (22) mittels wenigstens eines Transistors (24) vorgesehen ist, und dem Transistor (21)-) eine Diode (26) parallel liegt.k. Steuereinrichtung nach Anspruch 3S dadurch gekennzeichnet, daß der Freilaufsteuerkreis (22) zeitsynchron mit dem Einschaltsignal des Verbrauchers steuerbar ist.5· Steuereinrichtung nach Anspruch 39 dadurch gekennzeichnet, daß als dem Transistor {2k) parallel geschaltete Diode eine Zenerdiode (5*0 vorgesehen ist.6. Steuereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5 j gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Kraftstoffzumeßsystem einer Brennkraftmaschine.7. Steuereinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet., durch ihre Verwendung in einem Leerlaufdrehzahlsteuersystem einer Brennkraftmaschine.8. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 und T, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompensationsnetzwerk (R vorgesehen ist, das die Änderungen der Referenzspannung (Spannungsgang der Zenerdiode) kompensiert und damit eine lineare Öffnungsdauer (bzw. arthmetischen Mittelwert des Stromes bei LFR) des Ventils über der Batteriespannung ermöglicht ,
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