DE4227165A1 - Schaltungsanordnung zum Steuern von induktiven Verbrauchern - Google Patents

Schaltungsanordnung zum Steuern von induktiven Verbrauchern

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Steuern von elektromagnetischen Verbrauchern, wie z. B. von Magnet­ ventilen in Kraftfahrzeugen.
Bei der Dimensionierung induktiver Verbraucher ist zu be­ achten, daß diese bei minimaler Batteriespannung und maxi­ maler Arbeitstemperatur mit einem für eine einwandfreie Funktion ausreichenden Strom versorgt werden müssen. Das bedeutet jedoch, daß bei maximaler Batteriespannung und mi­ nimaler Temperatur weit mehr Strom durch solche Verbraucher fließt, als für ihre Funktion nötig ist. So müssen z. B. Ma­ gnetventile in ihrer Strombelastbarkeit überdimensioniert werden. Das gleiche gilt für elektronische Schaltungsanord­ nungen, die solche Verbraucher steuern. Daher wird ange­ strebt, einen guten Wirkungsgrad einer Steuerung eines in­ duktiven Verbrauchers zu erreichen.
Eine bekannte Schaltungsanordnung zum energiesparenden Steuern von induktiven Verbrauchern (Sax, Herbert: Ver­ lustarme Steuerung von Aktuatoren, ELEKTRONIK 1987, H. 23, S. 142 . . . 152, Bild 7) basiert auf dem Prinzip der getakte­ ten Stromregelung. Ein Verbraucher ist parallel zu einem ersten Transistor und in Reihe mit einem zweiten Transisto­ ren angeordnet. Mit dem ersten Transistor wird der Verbrau­ cher und damit der Verbraucherstrom ein- und ausgeschaltet. Mit dem zweiten Transistor wird der Verbraucherstrom getak­ tet. Dies bedeutet, daß die Induktivität des Verbrauchers geladen wird, wenn der zweite Transistor eingeschaltet ist.
Ist er ausgeschaltet, so hält sich der Verbraucherstrom in einem kurzgeschlossenen Freilaufkreis aufrecht, bis der Transistor wieder eingeschaltet wird. Die Funktion des Ver­ brauchers wird dabei aufrechterhalten. Der im kurzgeschlos­ senen Freilaufkreis fließende Verbraucherstrom wird auch als Freilaufstrom bezeichnet.
Wenn der erste Transistor und damit der Verbraucher ausge­ schaltet wird, muß die in der Induktivität gespeicherte En­ ergie schnell abgebaut werden, um eine hohe Schaltfrequenz des Verbrauchers zu ermöglichen. Hierzu wird die durch die Induktivität erzeugte Spannung genutzt, um mit Hilfe eine Zenerdiode den Verbraucherstrom über den zweiten Transi­ stor, einen Widerstand, eine Versorgungsspannungsquelle (Batterie) und den Verbraucher zu leiten und dabei abzusch­ wächen.
Bei dieser Schaltungsanordnung sind ein Verbraucher, ein Transistor, ein Widerstand und eine Batterie an dem Ab­ schwächen des Stroms beteiligt. Da hierbei Verlustleistung in Form von Wärme freigesetzt wird, müssen all diese Bau­ elemente als Leistungsbauelemente ausgebildet sein. Bei Verbrauchern mit hoher Schaltfrequenz, wie z. B. Kfz-Ein­ spritzventilen, führt dies zu starker Erwärmung und einer hohen Verlustleistung.
Ein weitere Nachteil ist, daß die Spannungsfestigkeit der beiden Transistoren mindestens so groß sein muß, wie die Zenerspannung. Deswegen müssen beide Transistoren entspre­ chend dimensioniert sein. Außerdem kann durch eine Strom­ taktung, bei der Puls- und Pausendauer gleich sind, die Höhe des gerade noch notwendigen Freilaufstroms nur sehr aufwendig eingestellt werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung zu schaffen, mit der induktive Verbraucher mit geringer Verlustleistung und einer hohen Schaltfrequenz ge­ steuert werden können.
Erfindungsgemäß wird das Problem durch die Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.
Dabei ist der Verbraucher mit einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor in Reihe geschaltet. Der Verbrau­ cher ist mit dem Pluspol einer Batterie und der erste Tran­ sistor mit deren Minuspol verbunden. Eine Steuerschaltung schaltet den Verbraucher über den zweiten Transistor ein und aus. Außerdem steuert sie den ersten Transistor bei eingeschaltetem Verbraucher vorteilhafterweise mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal. Wenn der erste Transi­ stor kurzzeitig ausgeschaltet ist, fließt bei eingeschalte­ tem Verbraucher ein Freilaufstrom durch einen Freilauf­ kreis. Nach dem Ausschalten des Verbrauchers wird der Frei­ laufstrom mit Hilfe einer Zenerdiode schnell abgeschwächt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet. Bei einer sehr energiesparen­ den Schaltungsanordnung sind die Transistoren als MOS-Lei­ stungshalbleiter ausgebildet. Die in der Induktivität des Verbrauchers gespeicherte Energie kann über eine Zenerdi­ ode, die mit Masse verbunden ist, und über die Batterie ab­ gebaut werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann sie über eine Zenerdiode und die Freilaufdiode abgebaut werden oder be­ sonders vorteilhaft bei einer dritten Ausführungsform über die Zenerdiode, indem diese den zweiten Transistor zum Ab­ bau der Energie und zum Abschwächen des Freilaufstroms teilweise leitend schaltet.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 bis 3 drei erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen zum Steuern induktiver Verbraucher.
Eine Schaltungsanordnung zum Steuern schnell schaltender, induktiver Verbraucher, wie z. B. Magnetventile, Einspritz­ ventile oder Relais in Kraftfahrzeugen, weist zwei Feldef­ fekt-Transistoren T1 und T2 (Fig. 1) auf, die in Reihe mit einem Verbraucher L angeordnet sind. Der Verbraucher L ist mit dem Pluspol einer Batterie, d. h. mit der Batteriespan­ nung UBatt, und mit dem Transistor T2 verbunden. Der Tran­ sistor T1 ist mit seinem Source-Anschluß an dem Minuspol der Batterie (im folgenden als Masse bezeichnet) und mit dem Transistor T2 verbunden.
Die Schaltungsanordnung weist weiterhin eine Steuerschal­ tung mit einem Inverter 11, zwei Widerständen R2 und R3, einem dritten Transistor T3 sowie mit einem UND-Gatter U1 auf. Mit der Steuerschaltung wird der Verbraucher L über die Transistoren T1 und T2 gesteuert. An dem Eingang der Steuerschaltung liegt ein Ein-/Aussignal (ON/OFF-Signal) und ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) an. Diese Eingangssignale werden über die Steuerschaltung auf die Gate-Anschlüsse der Transistoren T1 und T2 geführt.
Die Transistoren T1 und T2 sind bei diesem Ausführungsbei­ spiel als MOS-Leistungstransistoren realisiert. Damit der Transistor T2 sicher schalten kann, wird eine Ladungspumpe aus einer Diode D3, einem Widerstand R1 und einem Kondensa­ tor C eingesetzt, wobei der Kondensator C parallel zu der Gate-Source-Strecke des Transistors T2 angeordnet ist.
Die Schaltungsanordnung weist außerdem einen Freilaufkreis auf, der durch den Verbraucher L, den Transistor T2 und eine Freilaufdiode D1 gebildet wird. Eine Zenerdiode D2 ist mit ihrer Kathode mit dem Verbraucher L sowie dem Transi­ stor T2 und mit ihrer Anode mit Masse verbunden.
Wenn das ON/OFF-Signal auf High-Pegel ist, d. h. wenn der Verbraucher L eingeschaltet ist (im folgenden als Einphase bezeichnet), so wird der High-Pegel durch den Inverter 11 in einen Low-Pegel umgewandelt. Dadurch wird über den Wi­ derstand R2 der Transistor T3 gesperrt und der Transistor T2 wird über die Diode D3 und den Widerstand R1 eingeschal­ tet. Die Ladungspumpe mit dem Kondensator C sorgt dafür, daß der Gate-Anschluß des Transistors T2 auf höherem Poten­ tial liegt als dessen Source-Anschluß und immer sicher schalten kann, indem der Kondensator C im Betrieb von der Batteriespannung über die Diode D3 und den Widerstand R1 aufgeladen wird.
Der Transistor T1 wird über den Widerstand R3 getaktet ein- und ausgeschaltet. Hierzu wird das ON/OFF-Signal mit dem PWM-Signal in dem UND-Gatter U1 verknüpft. Somit wird der Transistor T1 mit dem PWM-Signal nur in der Einphase ge­ steuert. Ist das PWM-Signal auf High-Pegel, so fließt ein Verbraucherstrom aus dem Pluspol der Batterie (UBatt) über den Transistor T2 und den Transistor T1 zur Masse und in­ nerhalb der Batterie zum Pluspol zurück. Dadurch wird bei­ spielsweise die Magnetspule eines Magnetventils erregt, ein Anker bewegt und solange ein Strom durch die Magnetspule fließt in seiner Position gehalten.
Ist das PWM-Signal kurzzeitig auf Low-Pegel, so ist der Transistor T1 gesperrt und der Freilaufkreis kurzgeschlos­ sen. Ein Freilaufstrom, der durch die in der Induktivität des Verbrauchers L gespeicherte Energie hervorgerufen wird, fließt dann durch den Freilaufkreis, d. h. über den Transi­ stor T2 und die Freilaufdiode zurück zu dem Verbraucher L, und hält den Anker in seiner Stellung fest. Der Freilauf­ strom muß allerdings so groß sein, daß die Magnetspule wei­ terhin erregt bleibt.
Durch geeignete Wahl der Frequenz und des Puls-/Pausenver­ hältnisses des PWM-Signals kann der Verbraucherstrom und damit der Freilaufstrom so eingestellt werden, daß dieser gerade ausreicht eine einwandfreie Funktion des Verbrau­ chers L sicherzustellen.
Soll der Verbraucher L nun ausgeschaltet werden, wo wird das ON/OFF-Signal auf Low-Pegel gelegt. Der Transistor T3 wird dann über den Inverter 11 und den Widerstand R2 lei­ tend geschaltet. Dadurch liegt ein Low-Pegel an dem Gate- Anschluß des Transistors T2 und sperrt diesen. Der Transi­ stor T1 wird auch gesperrt, da am Ausgang des UND-Gatters U1 ein WW-Pegel anliegt.
Im Ausschaltaugenblick, d. h. in der Zeit direkt nach Aus­ schalten des Verbrauchers, ist der Transistor T2 gesperrt. Bedingt durch die in der Induktivität des Verbrauchers L gespeicherte Energie liegt eine Spannung größer als die Batteriespannung an dem Drain-Anschluß des Transistors T2 an. Soll der Transistor T2 nicht gefährdet werden, so muß diese Spannung mit der Zenerdiode D2 begrenzt werden. In­ folgedessen fließt ein Freilaufstrom über die Zenerdiode D2 nach Masse und damit zurück zur Batterie.
Dieser Freilaufstrom wird durch die Zenerdiode D2 und die Batterie schnell abgeschwächt. Auf diese Weise wird die Ma­ gnetspule schnell entregt und kann möglichst bald wieder erregt werden. Somit ist eine möglichst hohe Schaltfrequenz des Verbrauchers L gewährleistet.
Durch geeignete Wahl der Zenerspannung fällt der Freilauf­ strom entsprechend schnell ab, d. h. er wird schnell abge­ schwächt. Die Zenerdiode D2 muß im Ausschaltaugenblick die Energie Ez aufnehmen:
mit I = Freilaufstrom, L = Induktivität, UBatt = Batterie­ spannung und Uz = Zenerspannung.
Diese Gleichung zeigt die Abhängigkeit der Zenerspannung Uz von der in dem induktiven Verbraucher L gespeichert Energie Ez, die teilweise in der Zenerdiode D2 in Form von Wärme freigesetzt wird. Die Zenerdiode D2 muß daher für eine hohe Verlustleistung ausgelegt sein.
Der Freilaufstrom fließt im Ausschaltaugenblick sowohl durch den Verbraucher L als auch durch die Batterie. Daher ist die Energie Ez auch von der Batteriespannung UBatt ab­ hängig. Aus der Gleichung ist ferner ersichtlich, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die Zenerspannung Uz größer sein muß als die Batteriespannung UBatt.
In den Fig. 2 und 3 sind zwei weitere Ausführungsbei­ spiele der Erfindung dargestellt. Identische Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Die Aus­ führungsbeispiele unterscheiden sich nur darin, wie die Spannung an dem Drain-Anschluß des Transistors T2 nach dem Ausschalten des Verbrauchers über die Zenerdiode D2 be­ grenzt und damit der Freilaufstrom abgeschwächt wird.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) ist die Zenerdiode D2 parallel zu der Drain-Source-Strecke des Transistors T2 angeordnet. Die Kathode der Zenerdiode D2 ist mit dem Verbindungspunkt des Verbrauchers L und dem Transistor T2 verbunden. Die Anode ist mit dem Verbindungs­ punkt von den beiden Transistoren T1 und T2 sowie der Frei­ laufdiode D1 verbunden.
Der Freilaufstrom fließt nach Ausschalten des Transistors T2 aus dem Verbraucher L durch die Zenerdiode D2 und durch die Freilaufdiode D1 zurück zu dem Verbraucher L. Dabei wird der Freilaufstrom schnell abgeschwächt und es entsteht eine Verlustleistung, die nur teilweise von der Zenerdiode D2 aufgenommen wird. Die Zenerdiode D2 kann aus diesem Grunde kleiner dimensioniert werden als bei dem ersten Aus­ führungsbeispiel. Außerdem kann die Zenerspannung auch kleiner als die Batteriespannung UBatt gewählt werden.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist die Zenerdiode D2 parallel zu der Drain-Gate-Strecke des Tran­ sistors T2 angeordnet. Sie ist über eine Diode D4 mit dem Gate-Anschluß des Transistors T2 verbunden. Die hohe Span­ nung im Verbindungspunkt des Verbrauchers L und des Transi­ stors T2 wird im Ausschaltaugenblick zu dem Gate-Anschluß des Transistors T2 abgeleitet und schaltet diesen teilweise durch. Der Freilaufstrom wird infolgedessen von dem Ver­ braucher L über die Drain-Source-Strecke des Transistors T2 und die Freilaufdiode D1 zurück zum Verbraucher L geleitet. Da der Transistor T2 nur teilweise leitend ist, ist sein Durchgangswiderstand groß genug, um den Freilaufstrom stark abzuschwächen.
Die dabei entstehende Verlustleistung wird von dem Transi­ stor T2, der ohnehin als Leistungstransistor ausgeführt ist, in Wärme umgesetzt. Die Zenerdiode D2 braucht nicht als Leistungs-Zenerdiode ausgebildet sein, da sie nur eine sehr kleine Leistung aufnehmen muß.
Ohne die Diode D4 könnte der Kondensator C nicht vollstän­ dig aufgeladen werden und der Transistor T2 nicht sicher schalten, da ein Ladestrom über die beiden Transistoren T1 und T2 abfließen würde.
Ein Widerstand R4, der mit dem Gate-Anschluß des Transi­ stors T2 und dem Kollektor des Transistors T3 verbunden ist, begrenzt den Strom durch den Transistor T3 im Aus­ schaltaugenblick.
Die Schaltungsanordnungen aller Ausführungsbeispiele sind mit N-Kanal-MOS-Leistungstransistoren realisiert. Sie las­ sen sich auch mit Bipolar-Transistoren (NPN und/oder PNP) oder mit P-Kanal-MOS-Leistungstransistoren realisieren. Bei Verwendung von P-Kanal-MOS-Leistungstransistoren kann die Notwendigkeit einer Ladungspumpe entfallen.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zum Steuern von induktiven Verbrau­ chern
  • - mit einer Reihenschaltung aus einem Verbraucher (L), einem ersten Transistor (T1) und einem zweiten Transi­ stor (T2), wobei der Verbraucher (L) mit dem Pluspol einer Versorgungsspannungsquelle und der erste Transi­ stor (T1) mit deren Minuspol verbunden ist,
  • - mit einer Steuerschaltung, durch die der Verbraucher (L) über den zweiten Transistor (T2) ein- und ausgeschaltet wird und durch die dem ersten Transistor (T1) bei einge­ schaltetem Verbraucher ein pulsweitenmoduliertes Steuer­ signal zugeführt wird,
  • - mit einem Freilaufkreis aus dem Verbraucher (L), dem zweiten Transistor (T2) und einer Freilaufdiode (D1), durch den ein Freilaufstrom, der durch die in der Induk­ tivität des Verbrauchers (L) gespeicherten Energie her­ vorgerufen wird, bei eingeschaltetem Verbraucher (L) fließt, wenn der erste Transistor (T1) kurzzeitig ausge­ schaltet ist, und
  • - mit einer Zenerdiode (D2), die mit dem Verbraucher (L) und dem zweiten Transistor (T2) verbunden ist und durch die der Freilaufstrom, der nach ausgeschaltetem Verbrau­ cher (L) noch fließt, schnell abgeschwächt wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Transi­ storen (T1, T2) als MOS-Leistungstransistoren ausgebildet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, die eine Ladungs­ pumpe aus einem Widerstand (R1), einer Diode (D3) und einem Kondensator (C) aufweist, die mit dem Gate-Anschluß des zweiten Transistors (T2) verbunden ist und durch die die Spannung an dem Gate-Anschluß höher eingestellt wird als diejenige an dessen Source-Anschluß.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Kathode der Zenerdiode (D2) mit dem Verbraucher (L) und ihre Anode mit dem Minuspol der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, wodurch der nach ausgeschaltetem Verbraucher (L) fließende Freilaufstrom über die Zenerdiode (D2), die Versor­ gungsspannungsquelle und den Verbraucher (L) abgeschwächt wird.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der die Zener­ diode (D2) parallel zu der Drain-Source-Strecke des zweiten Transistors (T2) angeordnet ist, wodurch ihre Kathode mit dem Verbraucher (L) verbunden ist und der nach ausgeschal­ tetem Verbraucher (L) fließende Freilaufstrom über die Zenerdiode (D2), die Freilaufdiode (D1) und den Verbraucher (L) abgeschwächt wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, bei der die Zener­ diode (D2) parallel zu der Drain-Gate-Strecke des zweiten Transistors (T2) angeordnet ist, wodurch ihre Kathode mit der Verbraucher (L) verbunden ist und der nach ausgeschal­ tetem Verbraucher (L) fließende Freilaufstrom über den zweiten Transistor (T2), die Freilaufdiode (D1) und den Verbraucher (L) abgeschwächt wird.
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