DE3920064A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von elektromagnetischen verbrauchern - Google Patents
Schaltungsanordnung zum betrieb von elektromagnetischen verbrauchernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum
Betrieb von elektromagnetischen Verbrauchern, insbe
sondere von Magnetventilen von Brennkraftmaschinen.
Um elektromagnetische Verbraucher möglichst schnell
in ihren Nenn-Erregungszustand zu versetzen, ist es
bekannt, sie beim Einschalten für kurze Zeit an eine
höhere Spannung zu legen, als es für den Nenn-
Erregungszustand notwendig ist. Bei Brennkraftmaschi
nen mit einem Magnetventile aufweisenden Kraftstoff-
Versorgungssystem besteht das Bedürfnis, die
elektromagnetische Verbraucher bildenden Magnetventile
möglichst schnell einzuschalten und anschließend mit
möglichst geringer Energie im Einschaltzustand zu
halten. In der Anzugphase wird jedem Magnetventil da
her eine größere Spannung als in der nachfolgenden
Haltephase zugeführt. Hierzu ist eine taktende Ver
sorgung (elektronischer Schalter) des Magnetventils
in Verbindung mit einer Freilauf-Diode bekannt, wobei
über das Taktverhältnis der Anzug- (bzw. Spitzen-)
und Haltestrom eingestellt und gegebenenfalls gere
gelt wird. So ist es aus der DE-OS 28 41 781 bekannt,
einen elektromagnetischen Verbraucher über ein von
zwei Schwellwertgebern gesteuertes Schaltglied an
eine Versorgungsspannung zu legen. Die beiden
Schwellwertgeber ermöglichen einen Zweipunkt-Regler-
Betrieb. Der Verbraucherstrom wird in Abhängigkeit
einer Vorgabe zwischen einem oberen und einem unteren
Stromgrenzwert gehalten. Derart getaktete Endstufen
sind im Hinblick auf ihre elektromagnetische
Verträglichkeit (EMV-Eigenschaft) unbefriedigend.
Ferner ist es bekannt, den Verbraucherstrom ent
sprechend einem Sollwert-Vorgabeprofil derart zu re
geln, daß in der Anzugphase des Magnetventils ein
Spitzen- und in der nachfolgenden Betriebsphase ein
Haltestrom des Magnetventils fließt. Vorzugsweise
wird der Verbraucherstrom von einem Transistor einge
stellt, der insbesondere in der Haltestromphase auf
grund des Schaltungsaufbaus eine hohe, unerwünschte
Verlustleistung entwickelt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den im
Hauptanspruch genannten Merkmalen arbeitet im statio
nären, d. h. im nicht getakteten Betrieb, so daß die
mit dem Taktbetrieb verbundenen Nachteile nicht auf
treten. So stellt sich eine günstige Energiebilanz
und eine wesentlich verbesserte EMV-Eigenschaft ein.
Die Schaltglieder nehmen entweder ihren gesperrten
oder ihren leitenden Zustand ein, so daß nur sehr ge
ringe Verlustleistungen auftreten können. Um den
elektromagnetischen Verbraucher möglichst schnell in
seinen Nenn-Erregungszustand zu versetzen, wird
zunächst eine größere Spannung durch das entspre
chende Schaltglied und anschließend eine demgegenüber
kleinere Spannung durch ein weiteres Schaltglied an
den Verbraucher gelegt. Bei Magnetventilen steht so
mit in der Anzugphase eine entsprechende Anzugenergie
und nachfolgend die notwendige, wesentlich geringere
Halteenergie zur Verfügung. Es sind somit zwei Strom
kreise mit unterschiedlich hohen Spannungen vor
gesehen, so daß ein "zweistufiger" Betrieb möglich
ist. Sofern jedoch eine weitere Abstufung gewünscht
ist, kann - im Rahmen der Erfindung - auch eine die
Zahl "zwei" übersteigende Anzahl von Schaltgliedern
vorgesehen sein, die entsprechend unterschiedlich
große Spannungen an den Verbraucher legen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese
hen, daß die kleinere Spannung die Größe der Mindest-
Erregerspannung des Verbrauchers aufweist. Sie wird -
wie oben beschrieben - vorzugsweise erst eine gewisse
Zeit nach dem Einschalten des Verbrauchers an diesen
gelegt, damit er seine Mindesterregung behält. Bei
einem Magnetventil stellt die kleinere Spannung die
Haltespannung dar, während die direkt beim Einschal
ten an den Verbraucher angelegte größere Spannung die
Anzugspannung des Magnetventils bildet. Die Anzug
spannung kann - je nach Belastbarkeit von Schaltglied
und Verbraucher - ein Vielfaches der Nennspannung aus
machen.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die
größere Spannung von einer Betriebsspannung gebildet
und die kleinere Spannung mittels eines Gleichspan
nungswandlers (DC/DC-Wandlers) aus der Betriebsspan
nung erzeugt. Die Ausgangsspannung des Gleichspan
nungswandlers wird derart gewählt, daß das Magnetven
til seinen Haltezustand einnimmt, wobei Spannungsab
fälle an möglicherweise vorhandenen übrigen Schal
tungskomponenten und auch Störgrößen (wie Toleranz,
Temperatur usw.) berücksichtigt werden. Der Gleich
spannungswandler läßt sich für mehrere Schaltungsan
ordnungen einer Gesamtanlage verwenden, die mehrere
Magnetventile aufweist. So erfordert jeder Zylinder
einer Brennkraftmaschine ein Einspritzventil, das von
den genannten Magnetventilen gebildet wird.
Um eine gegenseitige Einflußnahme der Schaltglieder
zu verhindern, ist nach einer Weiterbildung der Er
findung vorgesehen, daß die beiden Schaltglieder über
eine Entkopplungsschaltung mit dem Verbraucher ver
bunden sind. Diese Entkopplungsschaltung wird vor
zugsweise von einer Diodenanordnung gebildet. Die An
ordnung ist insbesondere dabei so ausgebildet, daß
zwei Dioden in Durchlaßrichtung mit gleichartigen
Elektroden (Anoden oder Katoden) an dem Verbraucher
angeschlossen sind und daß deren andere Elektroden
(Katoden oder Anoden) jeweils in Verbindung zu einem
der Schaltglieder stehen. Hierdurch sind unerwünschte
Ausgleichsströme zwischen den beiden Spannungsebenen
vermieden.
Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist zu
mindest einer der mit den unterschiedlich großen
Spannungen betriebenen Stromkreise eine Stromregelung
auf. Vorzugsweise ist der die Haltespannung aufwei
sende Stromkreis mit der Stromregelung versehen.
Diese besitzt einen den Haltestrom erfassenden Sen
sor, der an einen Stromregler angeschlossen ist. Die
ser steuert das zugehörige Schaltglied an.
Der Sensor ist vorzugsweise als Shunt ausgebildet.
Als Schaltglieder können Transistoren eingesetzt wer
den.
Ferner ist eine Steuerschaltung vorgesehen, die dem
Stromregler einen Haltestrom-Sollwert und dem direkt
von der Betriebsspannung versorgten Schaltglied einen
Steuerwert für die Anzugphase zuführt. Die Steuer
schaltung arbeitet bevorzugt derart, daß beim Ein
schalten zunächst der Steuerwert der Basis des an die
größere Spannung angeschlossenen Transistors zuge
führt wird, so daß sich ein definierter Spitzenstrom
für ein möglichst rasches Einschalten des Magnetven
tils einstellt. Nach Ablauf der Anzugphase wird die
Versorgung des Magnetventils von dem mit niedrigerer
Spannung betriebenen Haltestromkreis übernommen.
Hierzu wird das dem Haltestromkreis zugeordnete
Schaltglied ein- und das dem Anzugstromkreis zugeord
nete Schaltglied ausgeschaltet. Es ist jedoch auch
möglich, daß beide Stromkreise gleichzeitig einge
schaltet werden und daß nach der Anzugphase eine Aus
schaltung des Anzugstromkreises erfolgt, wobei der
Haltestromkreis eingeschaltet bleibt. Hierdurch er
folgt zunächst ein Betrieb des Verbrauchers mit der
entsprechend größeren Spannung, da die kleinere Span
nung keine Wirkung entfaltet. Durch die Entkopplungs
schaltung ist eine gegenseitige Beeinflussung der
beiden Spannungen verhindert. Nach dem Ausschalten
der größeren Spannung (Betriebsspannung) erfolgt der
weitere Betrieb mit der niedrigeren Haltespannung.
Durch die Stromregelung des Haltestromkreises wird
die Verlustleistung und die Strombelastung des Mag
netventils auf einen möglichst geringen Wert redu
ziert. Die Stromregelung bietet überdies die Möglich
keit, den Haltestrom auf einen vorbestimmten Wert ge
nau einzustimmen. Überdies wird durch den Stromregler
eine gegebenenfalls vorliegende Spannungswelligkeit
des Haltestromkreises weitestgehend ausgeregelt. Auf
grund des Einsatzes des Gleichspannungswandlers zur
Erzeugung der Haltespannung entsteht nur eine sehr
geringe Verlustleistung in dem zugehörigen Schalt
glied, so daß insbesondere gebräuchliche Transistoren
eingesetzt werden können.
Die Haltespannung, d.h. die Ausgangsspannung des
Gleichspannungswandlers, wird vorzugsweise so einge
stellt, daß es bei einem Ansteigen des ohmschen
Widerstandes des Verbrauchers (z.B. durch Tempera
tureinflüsse) zu einem Übergang von der Stromregelung
zu einer Spannungsregelung kommt. Hierdurch wird die
Verlustleistung im Verbraucher (Magnetventil) zusätz
lich begrenzt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem Blockschaltbild
gemäß Fig. 1 in detaillierter Darstellung,
Fig. 3 ein Steuersignal für einen Haltestromkreis,
Fig. 4 ein Steuersignal für einen Anzugstrom
kreis,
Fig. 5 einen Spannungsverlauf an einem mit der
Schaltungsanordnung betriebenen elektromag
netischen Verbraucher und
Fig. 6 einen Stromverlauf des Verbrauchers.
Die Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild eine Schal
tungsanordnung zum Betrieb eines elektromagnetischen
Verbrauchers 1. Dieser ist als Magnetventil einer
nicht dargestellten Brennkraftmaschine ausgebildet.
Mittels des Magnetventils wird die Kraftstoffein
spritzung der Brennkraftmaschine gesteuert.
Die Schaltungsanordnung ist an eine Betriebsspannung
UB angeschlossen, die als Eingangsspannung einem
Gleichspannungswandler 2 zugeführt wird. Der Gleich
spannungswandler 2 stellt einen sogenannten DC/DC-
Wandler dar, der aus der Betriebsspannung UB eine
Haltespannung UH erzeugt. Bei der Betriebsspannung UB
und der Haltespannung UH handelt es sich um Gleich
spannungen. Die Betriebsspannung UB stellt eine ge
genüber der Haltespannung UH größere Spannung U1 dar,
mithin bildet die Haltespannung UH eine demgegenüber
kleinere Spannung U2.
Die Haltespannung UH wird über einen Sensor 3 einem
ersten Schaltglied 4 zugeführt. Die Betriebsspannung
UB ist an ein zweites Schaltglied 5 angeschlossen.
Die Schaltglieder 4 und 5 sind vorzugsweise als Tran
sistoren ausgebildet. Die Emitter-Kollektor-Strecken
bilden die Schaltstrecken der Schaltglieder 4 und 5.
Vorzugsweise liegt die Betriebsspannung UB an dem
Emitter des zugehörigen Transistors und die um den
Spannungsabfall am Sensor 3 verminderte Haltespannung
UH ebenfalls an dem Emitter des anderen Transistors
an. Die Ausgänge 6 und 7 der Schaltglieder 4 und 5
sind an eine Entkopplungsschaltung 8 angeschlossen.
Die Ausgänge 6 und 7 werden von den Kollektoren der
Transistoren der Schaltglieder 4 und 5 gebildet.
Die Entkopplungsschaltung 8 weist eine Dioden-Anord
nung 9 auf, die - gemäß Fig. 2 - aus zwei Dioden D1
und D2 besteht. Die Anoden der Dioden D1 und D2 sind
jeweils mit einem der Kollektoren der die Schaltglie
der 4 und 5 bildenden Transistoren verbunden. Die Ka
toden der Dioden D1und D2 sind an einen Summenpunkt
10 zusammengeführt, der ferner mit dem einen Anschluß
des Verbrauchers 1 verbunden ist. Der andere Anschluß
des Verbrauchers 1 ist an Masse geführt.
Die Schaltungsanordnung weist ferner eine Steuer
schaltung 11 auf, die an ihrem Ausgang 12 ein erstes
Steuersignal S1 und an ihrem Ausgang 13 ein zweites
Steuersignal S2 bereitstellt. Das Steuersignal S1
wird einem Stromregler 14 als Haltestrom-Sollwert zu
geführt. Ferner ist der als Shunt 15 ausgebildete
Sensor 3 über eine Leitung 16 mit dem Stromregler 14
verbunden. Der Ausgang 17 des Stromreglers 14 führt
zum ersten Schaltglied 4, und zwar an die Basis des
dort verwendeten Transistors. Am Ausgang 13 der
Steuerschaltung 11 steht das zweites Steuersignal S2
zur Verfügung, das über eine Leitung 18 auf die Basis
des Transistors des zweiten Schaltgliedes 5 gegeben
wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung arbeitet
folgendermaßen:
Für das Öffnen des Magnetventils (Verbraucher 1)
stellt die Steuerschaltung 11 die in den Fig. 3
und 4 dargestellten Impulse (Steuersignale S1 und S2)
zur Verfügung. Beide Steuersignale S1 und S2 werden
zum gleichen Zeitpunkt t1 abgegeben. Zum Zeitpunkt t2
geht das das zweite Schaltglied 5 beaufschlagende
Steuersignal S2 wieder auf Null zurück, während das
Steuersignal S1 weiterhin- und zwar bis zum Zeitpunkt
t3- geliefert wird. Die Abgabe der Steuersignale S1
und S2 hat zur Folge, daß dem Stromregler 14 ein Hal
testrom-Sollwert vorgegeben wird. Über die Leitung 16
erhält der Stromregler 14 den vom Sensor 3 erfaßten
Haltestrom-Istwert. Die sich zwischen dem Haltestrom-
Sollwert und Haltestrom-Istwert ergebende Re
geldifferenz führt am Ausgang 17 des Stromreglers zu
einem entsprechenden Ausgangssignal, das die Basis
des Transistors des ersten Schaltgliedes 4 ansteuert.
Zum Zeitpunkt t1 werden aufgrund der Steuersignale S1
und S2 beide Schaltglieder 4 und 5 durchgesteuert, so
daß sich der in der Fig. 5 dargestellte Spannungs
verlauf der Verbraucherspannung UL sowie der in der
Fig. 6 dargestellte, zugehörige Verbraucherstrom
verlauf (Verbraucherstrom IL) einstellt. Solange das
Steuersignal S2 an dem zweiten Schaltglied 5 anliegt,
wird die größere Spannung U1 (Betriebsspannung UB)
über die Entkopplungsschaltung 8 an den Verbraucher 1
angelegt. Die kleinere Spannung U2 (Haltespannung
UH), die am Summenpunkt 10 und demnach ebenfalls an
den Verbraucher 1 anliegt, entfaltet keine Wirkung,
da sie kleiner als die Betriebsspannung UB ist. Inso
fern kommt sie erst zum Zeitpunkt t2 zum Tragen, da
dann das zweite Schaltglied 5 seinen gesperrten Zu
stand annimmt und am Verbraucher 1 nunmehr nur noch
die kleinere Spannung U2, d.h. UH zur Verfügung
steht. Die Verbraucherspannung UL geht demgemäß zum
Zeitpunkt t2 auf einen niedrigeren Wert zurück. Zum
Zeitpunkt t3 wird auch das Steuersignal S1 ausge
schaltet, so daß auch das erste Schaltglied 4 in sei
nen gesperrten Zustand übergeht. Der Verbraucher 1
wird damit spannungslos.
In der Fig. 6 ist das zu dem Spannungsverlauf des
Verbrauchers 1 zugehörige Stromdiagramm wiedergege
ben. Der Verbraucherstrom IL steigt aufgrund der re
lativ großen Betriebsspannung UB zügig an und er
reicht sehr schnell seinen Maximalwert Imax. Hier
durch kann das Magnetventil innerhalb sehr kurzer
Zeit anziehen. Ist das Anziehen erfolgt, so reicht es
für das Beibehalten dieses Zustandes aus, daß die
Wicklung des Magnetventils von einem gegenüber dem
maximalen Strom Imax kleineren Strom, nämlich dem
Haltestrom IH durchflossen wird. Dieser stellt sich
zum Zeitpunkt t2 ein. Er wird von dem Gleichspan
nungswandler 2 - eingestellt von dem Schaltglied 4 -
geliefert. Da die Stromregelung (Stromregler 14) mit
der gegenüber der Betriebsspannung UB kleineren Span
nung U2 erfolgt, tritt in dem ersten Schaltglied 4
nur eine relativ geringe Verlustleistung auf.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann insbe
sondere bei in ihrer Dämpfungskraft verstellbaren
Stoßdämpfern für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.
Das Verstellglied eines derartigen Stoßdämpfers ist
als Magnetventil ausgebildet, so daß dieses den Ver
braucher 1 bildet.
Claims (13)
1. Schaltungsanordnung zum Betrieb von elektromag
netischen Verbrauchern, insbesondere von Magnet
ventilen von Brennkraftmaschinen, gekenn
zeichnet durch mindestens zwei un
abhängig voneinander steuerbare Schaltglieder
(4, 5), die unterschiedlich große Spannungen (U1,
U2) an den Verbraucher (1) legen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß die
kleinere Spannung (U2) die Größe der Mindest-Er
regerspannung des Verbrauchers (1) aufweist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die kleinere Spannung (U2)
die Haltespannung (UH) eines den Verbraucher (1)
bildenden Magnetventils und die größere Spannung
(U1) die Anzugspannung des Magnetventils ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die größere Spannung (U1)
eine Betriebsspannung (UB) ist und daß die
kleinere Spannung (U2) mittels eines Gleichspan
nungswandlers (2; DC/DC-Wandlers) aus der Be
triebsspannung (UB) gebildet wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die beiden Schaltglieder
(4, 5) über eine Entkopplungsschaltung (8) mit
dem Verbraucher (1) verbunden sind.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Entkopplungsschaltung
(8) eine Dioden-Anordnung (9) aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorher
gehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Entkopplungsschaltung
(8) zwei Dioden (D1, D2) aufweist, die in Durch
laßrichtung mit gleichartigen Elektroden (Anoden
oder Katoden) an den Verbraucher (1) ange
schlossen sind und deren andere Elektroden
(Katoden oder Anoden) jeweils in Verbindung zu
einem der Schaltglieder (4 bzw. 5) stehen.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß zumindest einer der mit
den unterschiedlich großen Spannungen (U1, U2)
betriebenen Stromkreise eine Stromregelung auf
weist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der die Haltespannung (UH)
aufweisende Stromkreis mit der Stromregelung
versehen ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stromregelung einen
den Haltestrom (IH) erfassenden Sensor (3)
aufweist, der an einen Stromregler (14) ange
schlossen ist, welcher das zugehörige
Schaltglied (4) ansteuert.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Sensor (3) als Shunt
(15) ausgebildet ist.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schaltglieder (4, 5)
als Transistoren ausgebildet sind.
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehen
den Ansprüche, gekennzeichnet
durch eine Steuerschaltung (11), die dem
Stromregler (14) einen Haltestrom-Sollwert
(Steuersignal S1) für die Haltephase und
dem direkt von der Betriebsspannung (UB) ver
sorgten Schaltglied (5) einen Steuerwert
(Steuersignal S2) für die Anzugphase des Mag
netventils zuführt.
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