DE3920064A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von elektromagnetischen verbrauchern - Google Patents

Schaltungsanordnung zum betrieb von elektromagnetischen verbrauchern

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Description

Stand der Technik
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.
Vorteile der Erfindung
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.
Zeichnung
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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