DE3503289A1 - Treiberschaltung - Google Patents

Treiberschaltung

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Description

LUCAS INDUSTRIES public limited company Birmingham B19 2XF Großbritannien
Treiberschaltung
Die Erfindung betrifft Treiberschaltungen, die den Stromfluß in einem Elektromagneten einer elektromagnetischen Einrichtung abhängig von einem Steuersignal treiben.
Um einen schnellen Betrieb der elektromagnetischen Einrichtung zu ermöglichen, sollte der durch die Magnetspule fließende Strom schnell anwachsen, um im Magnetkern der Einrichtung einen großen magnetischen Fluß zu erzeugen, der zumindest zur Bewegung des Ankers der Einrichtung ausreicht. Der Strom wächst bis zu einem Spitzenwert an und wird nach einer vorgegebenen Zeit, in der der Anker seine Bewegung beendet, auf einem Wert gehalten, bei dem der Anker in seiner Arbeitsstellung verharrt. Der Strom fließt so lange durch die Magnetspule wie an der Treiberschaltung ein Steuersignal anliegt. Gemäß einem herkömmlichen Verfahren wird das den Stromfluß steuernde Element während der Zeitdauer des Spitzenstroms und des Haltestroms impulsförmig betrieben. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Treiberschaltung zur Steuerung des Stromflusses in einer Magnetspule zu ermöglichen,
67-30360T/AtAl
BAD
die die obengenannten Bedingungen erfüllt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Treiberschaltung gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet durch:
einen ersten und einen zweiten Anschluß, diedie Treiberschaltung mit einer Gleichspannungsquelle verbinden , wobei ein Anschluß der Magnetspule mit einem der Anschlüsse der Versorgungsquelle verbunden ist,
einen ersten Halbleiterschalter, der einen mit der Magnetspule in Reihe liegenden Magnetspulenstrompfad bildet und zwischen dem anderen Ende der Magnetspule und einem Ende eines Stromfühlwiderstandes eingeschaltet ist, dessen anderes Ende mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß verbunden ist,
eine eine Diode und einen zweiten Halbleiterschalter einschließende Stromrückflußschleife, die parallel zur Magnetspule eingeschaltet ist,
einen Steuersignal-Eingangsanschluß,
eine Treibervorrichtung für den zweiten Halbleiterschalter, die mit dem Steuersignal-Eingangsanschluß verbunden ist, wobei die Stromrückflußschleife arbeitet, wenn das Steuersignal dem Steuersignal-Eingangsanschluß anliegt,
einen Vergleicher,
eine erste Schaltung, die einem Eingangsanschluß des Vergleichers ein Spannungssignal abhängig von der vom Fühlwiderstand erfaßten Stromstärke anlegt,
eine zweite Schaltung, die eine Bezugsspannung erzeugt, die dem zweiten Eingangsanschluß des Vergleichers zugeführt wird,
BAD ORiGiNAL
ein UND-Glied, dessen Ausgang den vom ersten Halbleiterschalter gebildeten Strompfad leitend macht und dessen einer Eingang mit dem Steuersignal-Eingangsanschluß und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers verbunden sind,
eine erste monostabile Schaltung, deren Ausgang abhängig
vom Steuersignal die dem Vergleicher zugeführte Bezugsspannung
nach einer vorgegebenen Zeit auf den Empfang des Steuersignals hin verändert, und
eine zweite monostabile Schaltung, deren Ausgang abhängig vom Ausgang des Vergleichers dem einen Eingang des Vergleichers zugeführt wird, wodurch
der durch die Magnetspule fließende Strom zu einem von einem ersten Wert der Bezugsspannung bestimmten Spitzenwert ansteigt und danach mit einer von der zweiten monostabilen Schaltung bestimmten Frequenz geschaltet wird, nach der vorgegebenen Zeitdauer sich auf einen von einem zweiten Wert der Bezugsspannung bestimmten Spitzenhaltewert verringert und danach durch den Betrieb der zweiten monostabilen Schaltung geschaltet wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen davon kennzeichnen die Unteransprüche 2 bis 8.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Treiberschaltung, und
Fig. 2 Signalzeitdiagramme, die Spannungsverläufe und Stromverläufe an mehreren Punkten in der Schaltung darstellen.
BAD ORIGINAL
Im folgenden wird anhand der Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Treiberschaltung für die Magnet spule einer elektromagnetischen Vorrichtung einer Art beschrieben, die den Betrieb eines Überströmventils einer Kraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine steuert. Damit der Brennkraftmaschine Kraftstoff zugeführt wird, muß das Ventil geschlossen werden, wobei sich der Schließer gegen die Kraft einer Feder bewegt.
Die Treiberschaltung weist Anschlüsse 10 und 11 auf, die jeweils mit der positiven und negativen Versorgungsklemme einer Gleichspannungsversorgungsquelle verbunden sind, die in diesem Fall die Batterieanschlüsse eines von der Brennkraftmaschine angetriebenen Straßenfahrzeugs sind. Ein Ende der Magnetspule L3 ist über ein Paar in Reihe geschalteter Drosseln L1 und L2, die Eisenkerne haben, mit dem Anschluß 10 verbunden. Das andere Ende der Magnetspule L3 ist mit dem Drain-Anschluß eines N-Kanal-Feldeffekttransistors TR1 verbunden, dessen Source-Anschluß mit dem einen Ende eines Stromfühlerwiderstandes R3 verbunden ist. Das andere Ende des Stromfühlerwiderstands R3 ist mit dem Anschluß 11 verbunden. Der Transistor TR1 bildet einen ersten Halbleiterschalter.
Parallel mit der Magnetspule L3 liegt eine Reihenschaltung eines Strompfads eines P-Kanal-Feldeffekttransistors TR2 mit einer Diode D1. Der Transistor TR2 und die Diode D1 bilden eine Stromrückflußschleife für die Magnetspule L3. Der Transistor TR2 bildet einen zweiten Halbleiterschalter. Die Anode der Diode D1 ist mit dem Drain-Anschluß des Transistors TR2 verbunden, an dem ebenfalls die Kathode einer Zener-Diode D2 angeschlossen ist. Die Anode der Zenerdiode D2 ist mit dem Verbindungspunkt zweier in Reihe geschalteter Widerstände R13 und R14 verbunden. Das andere Ende des Widerstands R14 ist mit dem Gate-Anschluß des Transistors TRI
und das andere Ende des Widerstands R13 ist mit dem Ausgang eines UND-Glieds IC4 verbunden. Der Gate-Anschluß des Transistors TR2 ist mit dem Verbindungspunkt zweier in Serie geschalteter Widerstände R1 und R2 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes R1 ist mit der Kathode der Diode D1 verbunden. Das andere Ende des Widerstands R2 ist mit dem Drain-Anschluß eines N-Kanal-Feldeffekttransistors TR3 verbunden, dessen Source-Anschluß mit der Klemme 11 verbunden ist. Der Gate-Anschluß des Transistors TR 3 ist mit einem Steuersignal-Eingangsanschluß 12 und mit einem Eingangsanschluß des UND-Glieds IC4 verbunden. Das UND-Glied IC 4 wird von einem separaten Spannungsgenerator 14 versorgt, so daß das UND-Glied eine genügend hohe Spannung, um den Transistor TR1 in den leitenden Zustand zubringen, erzeugen kann.
Die über dem Widerstand R3 aufgrund des durch ihn fließenden Stromes abfallende Spannung wird durch ein Teilernetzwerk aus einem Widerstand R4 und einem Widerstand R6 einem Eingang eines Differenzverstärkers ICS zugeführt. Der andere Eingang des Differenzverstärkers IC5 ist über einen Widerstand R5 mit der Klemme 11 verbunden. Ein Gegenkopplungswiderstand R7 ist zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers IC5 und dem anderen Eingang eingeschaltet. Der Ausgang des Differenzverstärkers wird über einen Widerstand R8 einem Eingang eines Vergleichers IC2 zugeführt. Der Ausgang des Vergleichers IC2 ist mit dem anderen Eingang des UND-Glieds IC4 und mit einem Steuereingang einer monostabilen Schaltung IC3 verbunden, deren Ausgang über eine Reihenschaltung einer Diode D3 mit einem Widerstand R9 an den einem Eingang des Vergleichers IC2 liegt. Dem anderen Eingangsanschluß des Vergleichers wird eine Bezugsspannung zugeführt, die durch eine Potentiometerkette aus einem Widerstand R10 und einem Widerstand R11, die in Reihe geschaltet sind, erzeugt wird. Die Bezugsspannung kann mittels eines Transistors TR4 verringert werden, dessen KoI lektor-Hm i tte rstrecke über einen
BAD
W i tiers t and Rl.·', in Reihe zum W i do rs t and RII geschaltet ist.
Der Transistör TR4 wird mittels einer monostabilen Schaltung ICI gesteuert, deren Eingang mit dem Steuersignal-Eingangsanschluß 12 verbunden ist. Der Anschluß 12 ist mit einem Steuersignalgenerator 13 verbunden, der eine komplexe Schaltung darstellt, und von der zugehörigen Kraftstoffpumpe Zeitsteuersignale empfängt, so daß das Steuersignal zum richtigen Zeitpunkt und für eine geeignete Zeitdauer erzeugt wird, um der Brennkraftmaschine eine geeignete Kraftstoffmenge zuzuführen. An verschiedenen Positionen der in Figur 1 dargestellten Schaltung sind Strom- bzw. Spannungs-Bezugsziffern dargestellt, die den Strom- bzw. Spannungsverläufen in Figur 2 entsprechen.
Im Betrieb und wenn am Anschluß 12 ein positives Steuersignal angelegt wird, schaltet Transistor TR 3 ein. Dies wiederum aktiviert die Stromrückflußschleife aus der Diode D1 und dem Transistor TR2. Ferner tritt aus Gründen, die nachstehend erläutert werden, am Ausgang des UND-Glieds IC4 ein Signal auf, das den Transistor TR1 einschaltet, woraufhin ein Strom durch die Magnetspule L3 und den Stromfühlerwiderstand R3 zu fließen beginnt. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms durch die Magnetspule hängt von dem Schaltungswiderstand und der Induktivität ab. Sowie der Strom durch die Magnetspule wächst, wächst auch die am Widerstand R3 abfallende Spannung und die Ausgangsspannung V6 des Verstärkers IC5. An irgendeinem Punkt der Anstiegsflanke des Stroms Il beginnt die Bewegung des Ankers des Elektromagneten. Vor dem Ende der Ankerbewegung jedoch erreicht der durch die Magnetspule fließende Strom einen Spitzenwert, bei dem der Transistor TR1 in den nicht leitenden Zustand versetzt wird. Dann induziert der sich abschwächende Fluß im Magnetkern des Elektromagneten eine Gegenspannung, die ihrerseits einen Strom durch die Stromrückflußschleife fließen läßt. Eine kurze Zeit lang kann sich der Strom abschwächen, und dann wird der Transistor TR1
BAD ORiGf.\!^
wieder eingeschaltet. Der Strom steigt erneut auf seinen Spitzenwert an und dieser Vorgang wird mindestens solange wiederholt, wie der Anker für die Bewegung zur Endstellung benötigt. Der diesen Vorgang ermöglichende Mechanismus wird nachstehend beschrieben.
Wenn man zunächst die monostabile Schaltung IC1, den Transistor TR4 und den Widerstand R12 außer Acht läßt, liegt der Ausgang des Vergleichers IC2 normalerweise hoch. Sowie jedoch die Spannung V6 am Ausgang des Verstärkers IC5 anwächst, wird ein Punkt erreicht, wo sie die Bezugsspannung, die durch die Widerstände R10 und RI1 vorgegeben ist, erreicht. Dann geht der Ausgang des Vergleichers tief, wodurch der Ausgang des UND-Glieds IC 4 ebenfalls tief geht und den Transistor TR1 ausschaltet. Der Vergleicher IC2 wird in diesem Zustand durch die monostabile Schaltung IC3, die durch die negative Flanke des Ausgangssignals des Vergleichers getriggert wird und mittels der Diode 1)3 und des Widerstands R9 auf einer Klemmspannung am Eingang des Vergleichers gehalten, die höher ist als die Bezugsspannung. Der Transistor TR1 wird deshalb bis zum Ablauf der in Figur 2 dargestellten Zeitdauer Tf der monostabilen Schaltung IC3 im Aus-Zustand gehalten. Sobald die Klemmspannung nicht mehr anliegt, geht der Ausgang des Vergleichers wieder hoch und schaltet den Transistor TRl ein, worauf sich der Vorgang wiederholt.
Die monostabile Schaltung IC1 bestimmt die Zeitdauer, in der der durch die Magnetspule fließende Strom bis zum Spitzenwert anwachsen kann. Die monostabile Schaltung IC 1 wird durch das am Anschluß 12 liegende Steuersignal getriggert, und ihr Ausgang verhütet das Leiten des Transistors TR4 , so daß die Bezugsspannung anwachsen kann. Am Ende der durch die monostabile Schaltung ICI bestimmten Zeitdauer wird der Transistor TR4 leitend und legt den Widerstand RI2 parallel zu dem Widerstand RII. Damit wird die Bozugs.spnnnung nm H i η % .1IiIj-: Ar·. Vf1V(Jh1 ii Ιητί I (!.' ve ι ι i n^r1 I , Die·, wirk! ·. 11 h
BAD
so aus, daß der Strom durch die Magnetspule bis zu einer Haltestromstärke abfällt. Beim Haltepegel schaltet die monostabile Schaltung IC3 den Transistor TR1 in der obenbeschriebenen Weise ein und aus, so daß der Haltestrom abwechselnd bis zum Haltestromspitzenwert Ih (Figur 2) ansteigt und abfällt. In der Zeitdauer, wenn der durch die Magnetspule fließende Strom bis zum Haltepegel abfällt, wird der Transistor TRl ein- und ausgeschaltet und bewirkt , daß sehr kleine Stromimpulse auftreten. Dies rührt daher, daß der Vergleicher am Ende der von der monostabilen Schaltung IC3 bestimmten Zeitdauer hoch geht und den Transistor TR1 einschaltet. Der durch die Magnetspule fließende Strom beginnt anzuwachsen und die Ausgangsspannung des Verstärkers IC5 steigt auf einen Wert über der unteren dem Vergleicher anliegenden Bezugsspannung an. Dadurch schaltet der Vergleicher den Transistor TRI aus. Die Stromimpulse haben eine kurze Dauer und die verbrauchte Leistung ist gering.
Zu jedem Zeitpunkt des Zyklus kann der durch die Magnetspule L3 fließende Strom auf Null verringert werden. Wenn man das Steuersignal entfernt, geht der Ausgang des UND-Glieds IC4 tief und schaltet damit den Transistor TR1 aus. Zusätzlich wird der Transistor TR3 nicht leitend, so daß die Stromrückflußschleife nicht mehr in Betrieb ist. Da der im Kern des Elektromagneten vorhandene Fluß zusammenbricht, wird im Elektromagneten eine Spannung induziert, die die Spannung am Drain-Anschluß des Transistors TRI bis zu einem Wert über die Spannung am Anschluß 10 und eventuell bis zu einer Spannung, die ein Durchbrechen der Zenerdiode D2 bewirken kann, anwachsen läßt. Zu diesem Zeitpunkt ^ehaltet Her durch die Diode D2 fließende Strom den Transistor TRl ein und klemmt die Spannung V2. Somit sinkt der im Elektromagneten fließende Strom sehr schnell auf Null. Mit dem Absinken der Stromstärke verringert sich ebenfalls die Spannung V2 und der durch die Diode D2 fließende Strom. Sowie die Spannung die Durchbruchsspannung
BAD ORIGiMAL
unterschreitet, hört der Strom durch die Diode Π2 zu fließen auf und der Transistor TRI schaltet aus.
Es soll noch hervorgehoben werden, daß die monostabile Schaltung ICI mit dem Versorgungsspannungsanschluß 10 verbunden ist. Dies stellt sicher, daß sich die Periode der monostabilen Schaltung mit der Versorgungsspannung ändert, damit eine mit anwachsender Versorgungsspannung sich erhöhende Anstiegsgeschwindigkeit des durch die Magnetspule fließenden Stroms kompensiert werden kann. Diese Einstellung der Periodendauer der monostabilen Schaltung IC1 stellt sicher, daß der durch die Magnetspule fließende Strom bei niedriger Versorgungsspannung sich nicht auf den Haltepegel verringern kann, bevor der Anker seine Arbeitsstellung erreicht hat.
Ferner muß in Verbindung mit der monostabilen Schaltung IC 3 bemerkt werden, daß ihre Periodendaucr Tf konstant ist, weshalb die Aus-Periodendauer des Transistors TR1 konstant bleibt.
Die Verwendung von Feldeffekttransistoren ermöglicht sehr hohe Stromstärken, bedingt jedoch gleichzeitig eine hohe Treiberspannung. Darin liegt der Grund für die Verwendung des Spannungsgenerators 14, der das UND-CIi ed IC4 speist. In einer veränderten Ausführungsform kann das IJND-Cl icd einen üblicheren Aufbau besitzen und eine Reihe parallel geschalteter Stromrichter ansteuern, die von dem Spannungsgenerator 14 mit einem zwischen dem UND-Glied und dem parallel geschalteten Stromrichter eingeschalteten Signal inverter gespeist werden.
Angesichts der hohen Ströme, die mit der Schaltung ermöglicht werden und der hohen Schaltgeschwindigkeit, die durch die Anwendung von Feldeffekttransistoren bedingt ist, ist ein T-Filter, das Drosselspulen L1 und L2 und einen Kondensator C1 enthält, vorgesehen. Der Kondensator C2 ist ebenfalls zum Schutz der Leitung und der Fi 1 terindukt. ivi täten nötig, die eine hohe Spannung erzeugen, wenn der Transistor TRl ausgescha1 t et w i rd.
, ■♦ -
BAD ORIGINAL

Claims (8)

  1. Patentansprüche
    /j/. Treiberschaltung zur Steuerung eines durch die Magnetspule eines Elektromagneten fließenden Stroms abhängig von einem Steuersignal,
    gekennzeichnet durch
    einen ersten Anschluß (10) und einen zweiten Anschluß(11), die mit einer Gleichspannungsversorgungsquelle verbunden sind, wobei ein Ende der Magnetspule (L3) mit einem der Versorgungsanschlüsse (10 oder 11) verbunden ist,
    einen ersten Halbleiterschalter (TR1), der einen Magnetspulenstrompfad in Reihe mit der Magnetspule (L3) zwischen dem anderen Ende der Magnetspule und einem Ende eines Stromfühlerwiderstands (R3) bildet, dessen anderes Ende mit dem anderen Versorgungsspannungsanschluß (11) verbunden ist,
    eine Stromrückflußschleife, die eine Diode (D1) und einen zweiten Halbleiterschalter (TR2) aufweist, die parallel zu der Magnetspule (L3) geschaltet sind,
    einen Steuersignal-Eingangsanschluß (12),
    eine den zweiten Halbleiterschalter (TR2) ansteuernde Treibervorrichtung (TR3, R2, R1), die, wenn das Steuersignal dem Steuersignal-Eingangsanschluß anliegt,
    57-30360T/AtAl
    BAD ORIGINAL
    die Stromrückflußschleife in Betrieb setzt, einen Vergleicher (IC2),
    eine erste Schaltung (IC5, R4 - R8), die einem Eingangsanschluß des Vergleichers ein von der durch den Stromfühlerwiderstand (R3) fließenden Stromstärke abhängiges Spannungssignal zuführt,
    eine zweite Schaltung (ICI, TR4, R10 - R12), die dem zweiten Eingangsanschluß des Vergleichers (IC2) eine Bezugsspannung zuführt,
    ein UND-Glied (IC4), dessen Ausgang den Magnetspulenstrompfad des ersten Halbleiterschalters (TR2) in den leitenden Zustand versetzt und dessen einer Eingang mit dem Steuersignal-Eingangsanschluß (12) und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers (IC2) verbunden ist,
    eine erste monostabile Schaltung (IC1), die auf den Empfang des Steuersignals hin die dem Vergleicher zugeführte Bezugsspannung nach einer vorgegebenen Zeitdauer verändert, und
    eine zweite monostabile Schaltung (IC3), die auf den Ausgang des Vergleichers (IC2) anspricht und deren Ausgangssignal dem einen Eingang des Vergleichers zugeführt wird, wodurch
    der durch die Magnetspule fließende Strom bis zu einem Spitzenwert, der von einem ersten Wert der Bezugsspannung bestimmt ist, anwächst, danach mit einer von der zweiten monostabilen Schaltung bestimmten Frequenz schaltet, nach der von der ersten monostabilen Schaltung (IC1) vorgegebenen Zeitdauer auf einen Spitzenhaltewert absinkt, der von einem zweiten Wert der Bezugsspannung bestimmt ist und schließlich aufgrund der Aktion der zweiten monostabilen Schaltung (IC3) geschaltet wird.
    SAD ORiGJNAL
  2. 2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Periodendauer der zweiten monostabilen Schaltung (IC3) konstant ist.
  3. 3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste monostabile Schaltung (IC1) auf den Pegel der Gleichspannungsversorgung anspricht und ihre Periodendauer mit diesem Pegel verändert.
  4. 4. Treiberschaltung nach Anspruch 3,
    da durch gekennzeichnet,
    daß die Periodendauer mit absinkendem Pegel der Gleichspannungsversorgung anwächst.
  5. 5. Treiberschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    eine spannungsempfindliche Einrichtung, die auf die Spannung am anderen Ende der Magnetspule anspricht und den ersten Halbleiterschalter (TR1) in den leitenden Zustand versetzt, wenn die Stromrückflußschleife nicht in Betrieb ist.
  6. 6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß die spannungsempfindliche Einrichtung eine Zenerdiode (D2) enthält.
  7. 7. Treiberschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    BAD ORiGiNAl
    daß der erste und der zweite Halbleiterschalter (TR1) und (TR2) Feldeffekttransistoren sind.
  8. 8. Treiberschaltung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie ein "T"-Filter (L1, L2, CI, C2) enthält, durch das der durch die Magnetspule fließende Strom fließt.
DE3503289A 1984-01-31 1985-01-31 Treiberschaltung Expired - Lifetime DE3503289C2 (de)

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JP (1) JPS60187006A (de)
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