DE4227165A1 - Schaltungsanordnung zum Steuern von induktiven Verbrauchern - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Steuern von induktiven VerbrauchernInfo
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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.
Priority Applications (1)
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