DE4229538A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung ei­ nes elektromagnetischen Verbrauchers gemäß dem Oberbegriff des unab­ hängigen Anspruchs.

Eine solche Schaltungsanordnung für einen elektromagnetischen Ver­ braucher ist aus der DE-OS 37 34 415 bekannt. Dort wird eine Schal­ tungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers mit einer Spannung beschrieben. Eine in Reihe zum Verbraucher angeordnete Treiberschaltung ist durch einen Löschkreis überbrück­ bar. Dieser Löschkreis enthält einen Energiespeicher in Form eines Kondensators zur Aufnahme der im Verbraucher gespeicherten Energie. Diese Schaltungsanordnung besitzt den Vorteil, daß die beim Lösch­ vorgang freiwerdende Energie im Kondensator zwischengespeichert und beim nächsten Einschaltvorgang wiederverwendet werden kann. Nachtei­ lig ist, daß durch den Kondensator der Löschvorgang erheblich ver­ zögert wird.

Ferner sind Schaltungsanordnungen für elektromagnetische Verbraucher bekannt, bei dem der Löschkreis aus einer Z-Diode besteht. Solche Schaltungsanordnungen haben den Vorteil, daß der Löschvorgang sehr schnell abläuft. Dagegen weisen sie den Nachteil auf, daß die beim Löschvorgang freiwerdende Energie in Wärme umgesetzt wird und damit verloren geht.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanord­ nung für einen elektromagnetischen Verbraucher eine Löscheinrichtung bereitzustellen, mit der eine sehr schnelle Löschung mit kurzer Löschzeit erzielt werden kann, wobei möglichst geringe Energieverlu­ ste auftreten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer gesteuerten Z-Diode in Reihe zu einem Energiespeicher weist die Vorteile einer Löscheinrichtung mit Z-Diode und einer Löscheinrichtung mit einem Kondensator auf. Die erfindungsgemäße Einrichtung vereinigt die bei­ den Vorteile unter Umgehung von deren Nachteilen.

Zeichnung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zei­ gen Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einer reinen Z-Dioden-Lö­ schung, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einer reinen kapaziti­ ven Löschung, Fig. 3 mit einer kapazitiven und Z-Dioden-Löschung, Fig. 4 eine Schaltungsanordnung, bei der die Schnellöscheinrichtung abschaltbar ist, die Fig. 1b, 2b und 3b verschiedene Span­ nungs- und Stromwerte der unterschiedlichen Löschkreise.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1a, 2a, 3a und 4 sind nur die erfindungsgemäßen Elemente eingezeichnet und beschrieben. Nicht zur Erfindung gehörende Bauelemente wurden weggelassen.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen elektromagneti­ schen Verbraucher wird bevorzugt bei Brennkraftmaschinen insbeson­ dere bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen eingesetzt. Dort wird die Kraftstoffzumessung mittels elektromagnetischer Ventile ge­ steuert. So kann vorgesehen sein, daß der genaue Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt eines Magnetventils den Einspritzbeginn bzw. das Einspritzende oder umgekehrt festlegt.

Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen ist es wünschenswert, daß zwischen der Ansteuerung des Magnetventils und dem tatsächlichen Öffnen bzw. Schließen des Magnetventils nur ein sehr kurzer Zeitraum verstreicht. Da die Schließ- bzw. Öffnungsdauer wesentlich von der Zeitdauer des Löschvorganges beim Ausschalten des Magnetventils ab­ hängt, ist es wünschenswert, daß der Löschvorgang sehr schnell er­ folgt. Eine sehr schnelle Löschung wird üblicherweise mittels einer Schaltungsanordnung gemaß Fig. 1 erreicht.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 steht ein elektromagneti­ scher Verbraucher 10 mit dem einen Pol einer Versorgungsspannung UB in Verbindung. Bei dem elektromagnetischen Verbraucher handelt es sich bei der bevorzugten Ausführungsform um die Spule des Magnetven­ tils. Das Verhalten des elektromagnetischen Verbrauchers wird im we­ sentlichen durch seine Induktivität bestimmt. Er wird im folgenden auch lediglich als Verbraucher bezeichnet. Bei Einsatz der Schal­ tungsanordnung in einem Kraftfahrzeug entspricht die Versorgungs­ spannung üblicherweise der Batteriespannung.

Der andere Anschluß des elektromagnetischen Verbrauchers 10 steht über eine Treiberschaltung 20 mit dem anderen Pol der Versorgungs­ spannung UB in Verbindung. Der andere Pol der Versorgungsspannung wird im folgenden auch als Masse bezeichnet. Die Treiberschaltung 20 ist hier als Transistor dargestellt. Es können aber auch andere Treiberschaltungen bzw. Schaltmittel verwendet werden.

Beim Öffnen der Treiberschaltung entsteht an dem Verbindungspunkt zwischen Treiberschaltung und elektromagnetischen Verbraucher eine sehr hohe Spannung, die mittels eines Löschkreises 30 abgebaut wer­ den muß. Bei dieser Ausführungsform besteht der Löschkreis 30 aus einer Z-Diode 40. An der Z-Diode 40 liegt die Spannung U. An der Reihenschaltung aus Verbraucher 10 und Treiberschaltung 20 liegt die Versorgungsspannung UB an. Durch den elektromagnetischen Verbraucher fließt der Strom i.

In Fig. 1b sind nun die Ströme und Spannungswerte über der Zeit t aufgetragen. Zum Zeitpunkt 0 wird die Treiberschaltung 20 so ange­ steuert, daß sie den Stromfluß zwischen elektromagnetischem Verbrau­ cher 10 und der Versorgungsspannung UB unterbricht. Zu diesem Zeit­ punkt nimmt die Spannung am Verbindungspunkt zwischen Treiberschal­ tung und elektromagnetischer Verbraucher einen sehr hohen Wert an.

Über die Z-Diode 40 wird diese Spannung auf den Wert UZ, der der Durchbruchspannung der Z-Diode entspricht, begrenzt. Gleichzeitig fließt ein Strom i durch den elektromagnetischen Verbraucher, der in erster Näherung linear über der Zeit t abnimmt. Zum Zeitpunkt T1 er­ reicht dieser Strom den Wert 0 und die an dem Löschkreis anliegende Spannung U geht auf die Versorgungsspannung UB zurück. Zum Zeitpunkt T1 ist der Löschvorgang somit beendet. Während des Löschvorgangs wird in der Z-Diode 40 die in dem elektromagnetischen Verbraucher 10 gespeicherte Energie in Verlustwärme umgesetzt.

Die Energieumwandlung in Verlustwärme ist nachteilig. Sie führt zum einen dazu, daß die Versorgungsspannung unnötig belastet wird. Dies ist besonders beim Einsatz der Schaltungsanordnung in Kraftfahrzeu­ gen von Nachteil, da dort nur ein begrenzter Energievorrat zur Ver­ fügung steht. Des weiteren führt diese Umwandlung zu einer unnötigen Erwärmung der Anordnung.

Um diesen Energieverlust zu vermeiden, wird üblicherweise eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 verwendet.

In Fig. 2 ist lediglich der Löschkreis 30 einer weiteren Ausfüh­ rungsform aufgezeigt. Dieser besteht im wesentlichen aus einer Reihenschaltung einer Diode 60 und einem Energiespeicher 50. Der Ener­ giespeicher ist vorzugsweise als Kondensator realisiert. Dabei steht die Kathode der Diode 60 mit dem Kondensator 50 und die Anode der Diode 60 mit dem Verbraucher in Verbindung. Die Spannung am Lösch­ kreis wird mit U und die Spannung am Kondensator 50 wird mit Uc be­ zeichnet.

In Fig. 2b ist wiederum der Strom i durch den elektromagnetischen Verbraucher und die an dem Löschkreis anliegende Spannung U mit ei­ ner gestrichelten Linie sowie die am Kondensator 50 anliegende Span­ nung Uc mit einer durchgezogenen Linie aufgetragen. Nach Öffnen der Treiberschaltung 20 nimmt der Strom i in erster Näherung kosinusför­ mig ab. Die Spannung U am Löschkreis steigt während des Löschvor­ gangs sinusförmig an. Einen entsprechenden Verlauf hat die am Kon­ densator 50 anliegende Spannung Uc. Zum Zeitpunkt T2 ist der Strom i auf den Wert 0 abgefallen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Löschvorgang beendet und die Spannung am Löschkreis 30 nimmt wieder den Wert UB der Versorgungsspannung an. Die am Kondensator anliegende Spannung verbleibt auf dem Wert UC.

Die ursprünglich im Verbraucher 10 gespeicherte Energie wird beim Löschvorgang im wesentlichen verlustfrei in den Kondensator 50 über­ geführt. Dimensioniert man den Kondensator 50 so, daß die höchste an der Treiberschaltung 20 auftretende Spannung nicht größer als UZ wird, so dauert der Löschvorgang wesentlich länger als bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Diese verlängerte Dauer des Löschvorgangs ist wiederum insbesondere bei Schaltungsanordnun­ gen, die in selbstzündenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, von Nachteil.

Diese Nachteile können mit einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3a bzw. gemäß Fig. 4 beseitigt werden. Bei dieser Schaltungsanordnung wird in Ergänzung zur Fig. 2a in Reihe zu dem Kondensator 50 eine gesteuerte Z-Diode 70 eingefügt. Diese gesteuerte Z-Diode 70 ist zwischen der Diode 60 und dem Kondensator 50 angeordnet. Die an der gesteuerten Z-Diode 70 anliegende Spannung wird so gesteuert, daß die Spannung U am Löschkreis während des gesamten Löschvorgangs ei­ nen konstanten Wert annimmt.

Eine mögliche Realisierung einer solchen gesteuerten Z-Diode 70 er­ folgt mittels eines Transistors 80 und einer Z-Diode 90. Eine solche Realisierung ist in Fig. 3a dargestellt. Im Gegensatz zur Fig. 2a ist zwischen der Diode 60 und dem Kondensator 50 ein Transistor 80 mit seiner Emitter-Kollektorstrecke in Reihe geschaltet. Der Basis­ anschluß des Transistors 70 steht über eine Z-Diode 90 mit dem ande­ ren Anschluß des Kondensators bzw. mit Masse in Verbindung.

Vorzugsweise wird der konstante Wert für die Spannung zu UZ gewählt. In diesem Fall wird ebenfalls eine Löschdauer der Zeitdauer T1 ent­ sprechend wie in Fig. 1 erreicht. Hierbei wird aber nur ein Teil der im elektromagnetischen Verbraucher 10 gespeicherten Energie in Verlustwärme umgesetzt.

Die übrige Energie wird in den Kondensator 50 umgespeichert. Ledig­ lich im Transistor 70 wird ein Teil der freiwerdenden Energie in Wärme umgesetzt. Die Z-Diode 90 nimmt wesentlich weniger Energie auf, als die Z-Diode 40 gemäß der Schaltungsanordnung der Fig. 1. Da zum einen nur ein kleiner Teil der im Verbraucher gespeicherten Energie in Wärme umgesetzt wird, und zum anderen die Umsetzung in Wärme im Transistor 70 erfolgt. Die Z-Diode 90 kann daher entspre­ chend kleiner dimensioniert werden.

Während des Löschvorgangs vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt T1 liegt an dem Löschkreis die konstante Spannung UZ an. Der Strom i durch den Verbraucher 10 fällt linear über der Zeit t ab. Die am Kondensa­ tor 50 anliegende Spannung Uc nimmt annähernd sinusförmig auf den Wert UC zu.

Vorzugsweise wird der Kondensator so dimensioniert, daß er auf die Spannung UZ aufgeladen werden kann. Hiermit können die Verluste auf ca. 1/3 des Wertes der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 reduziert werden.

Der Transistor 70 wird derart betrieben, daß während des gesamten Löschvorgangs am Löschkreis eine konstante Spannung mit dem Wert UZ anliegt. Der Transistor 70 wirkt als Z-Diode. Der Stromabbau erfolgt genauso schnell, wie wenn der Kondensator nicht vorhanden wäre. Ein Teil der Energie wird im Transistor 70 in Verlustwärme umgesetzt. Ein wesentlicher Teil dagegen wird in dem Kondensator 50 gespeichert.

Mit dieser speziellen Anordnung können die Vorteile einer Schnellöschung mit einer Z-Diode und der Löschung mittels eines Kondensa­ tors erzielt werden, ohne daß deren Nachteile in Kauf genommen wer­ den müssen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 4 darge­ stellt. Hier ist in Reihe zu der Z-Diode 90 ein weiteres Schaltmit­ tel 100 in Reihe geschaltet. Mittels dieses Schaltmittels 100, das vorzugsweise wieder als Transistor realisiert ist, kann die Verbin­ dung der Anode der Z-Diode 90 zur Masse unterbrochen werden. Hiermit läßt sich die Schnellöscheinrichtung in bestimmten Betriebsbereichen abschalten. In diesem Fall ist die gesteuerte Z-Diode hochohmig, dies bedeutet die Spannung U wird nicht mehr begrenzt. Dies ist zum Beispiel notwendig, wenn die Batteriespannung größer als UZ wird.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers (10), mit einer in Reihe zum Verbraucher angeordneten Treiberschaltung (20), die durch einen Löschkreis (30) überbrückbar ist, wobei der Löschkreis (30) zumindest einen Energiespeicher (50) zur Aufnahme der im Verbraucher (10) gespeicherten Energie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis (30) ferner eine ge­ steuerte Z-Diode (70) enthält.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerte Z-Diode (70) in Reihe zwischen dem Verbraucher (10) und dem Energiespeicher (50) geschaltet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die gesteuerte Z-Diode (70) als Transistor (80) und Z-Diode (90) realisiert ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor- Emitter-Strecke des Transistors (80) in Reihe zwi­ schen dem Verbraucher (10) und dem Energiespeicher (50) geschaltet ist und die Basis des Transistors (80) über die Z-Diode (90) mit Mas­ se verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher (50) ein Kondensator verwendet wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (100) vorgesehen sind, mit denen die gesteuerte Z-Diode (70) unwirksam geschaltet werden kann.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verbraucher um ein elek­ tromagnetisches Ventil handelt, das im Bereich der Kraftstoffzumes­ sung bei Brennkraftmaschinen eingesetzt wird.