DE4229538C2 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.

Eine solche Schaltungsanordnung für einen elektro­ magnetischen Verbraucher ist aus der DE 37 34 415 A1 bekannt. Dort wird eine Schaltungsanordnung zur An­ steuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers mit einer Spannung beschrieben. Eine in Reihe zum Ver­ braucher angeordnete Treiberschaltung ist durch einen Löschkreis überbrückbar. Dieser Löschkreis enthält ei­ nen Energiespeicher in Form eines Kondensators zur Aufnahme der im Verbraucher gespeicherten Energie. Diese Schaltungsanordnung besitzt den Vorteil, daß die beim Löschvorgang freiwerdende Energie im Konden­ sator zwischengespeichert und beim nächsten Einschalt­ vorgang wiederverwendet werden kann. Nachteilig ist, daß durch den Kondensator der Löschvorgang erheb­ lich verzögert wird.

Ferner sind Schaltungsanordnungen für elektroma­ gnetische Verbraucher bekannt, bei dem der Löschkreis aus einer Z-Diode besteht. Solche Schaltungsanordnun­ gen 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.

Aus der DE 40 29 794 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers bekannt. Der elektromagnetische Verbraucher ist in Serie mit einem Schaltmittel geschaltet. Die an dem Schaltmittel anstehende Spannung wird einem Spannungsvergleichsmittel zugeführt und dort mit der Spannung einer Referenzspannungsquelle verglichen. Abhängig von diesem Spannungsvergleich erfolgt eine Umschaltung einer Löscheinrichtung.

Aufgabe der Erfindung

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

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit ei­ ner gesteuerten Z-Diode in Reihe zu einem Energiespei­ cher weist die Vorteile einer Löscheinrichtung mit Z-Diode und einer Löscheinrichtung mit einem Kon­ densator auf. Die erfindungsgemäße Einrichtung verei­ nigt die beiden Vorteile unter Umgehung von deren Nachteilen.

Zeichnung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es zeigen Fig. 1a eine Schaltungsanordnung mit einer reinen Z-Dioden-Lö­ schung, Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit einer rei­ nen kapazitiven Löschung, Fig. 3 mit einer kapazitiven und Z-Dioden-Löschung, Fig. 4 eine Schaltungsanord­ nung, bei der die Schnellöscheinrichtung abschaltbar ist, die Fig. 1b, 2b und 3b verschiedene Spannungs- und Stromwerte der unterschiedlichen Löschkreise.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für ei­ nen elektromagnetischen Verbraucher wird bevorzugt bei Brennkraftmaschinen insbesondere bei selbstzün­ denden Brennkraftmaschinen eingesetzt. Dort wird die Kraftstoffzumessung mittels elektromagnetischer Ven­ tile gesteuert. So kann vorgesehen sein, daß der genaue Öffnungs- bzw. Schließzeitpunkt eines Magnetventils den Einspritzbeginn bzw. das Einspritzende oder umge­ kehrt festlegt.

Insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen ist es wünschenswert, daß zwischen der Ansteuerung des Ma­ gnetventils und dem tatsächlichen Öffnen bzw. Schlie­ ßen des Magnetventils nur ein sehr kurzer Zeitraum verstreicht. Da die Schließ- bzw. Öffnungsdauer wesent­ lich von der Zeitdauer des Löschvorganges beim Aus­ schalten des Magnetventils abhängt, ist es wünschens­ wert, daß der Löschvorgang sehr schnell erfolgt. Eine sehr schnelle Löschung wird üblicherweise mittels einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1a erreicht.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1a steht ein elektromagnetischer 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 Magnetventils. Das Verhalten des elektromagnetischen Verbrauchers wird im wesentlichen durch seine Indukti­ vität bestimmt. Er wird im folgenden auch lediglich als Verbraucher bezeichnet. Bei Einsatz der Schaltungsan­ ordnung in einem Kraftfahrzeug entspricht die Versor­ gungsspannung üblicherweise der Batteriespannung.

Der andere Anschluß des elektromagnetischen Ver­ brauchers 10 steht über eine Treiberschaltung 20 mit dem anderen Pol der Versorgungsspannung UB in Ver­ bindung. Der andere Pol der Versorgungsspannung wird im folgenden auch als Masse bezeichnet. Die Trei­ berschaltung 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 elek­ tromagnetischen Verbraucher eine sehr hohe Span­ nung, 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 Ver­ braucher 10 und Treiberschaltung 20 liegt die Versor­ gungsspannung 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 angesteuert, daß sie den Strom­ fluß zwischen elektromagnetischem Verbraucher 10 und der Versorgungsspannung UB unterbricht. Zu die­ sem Zeitpunkt nimmt die Spannung am Verbindungs­ punkt zwischen Treiberschaltung und elektromagneti­ scher 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 er­ ster Näherung linear über der Zeit t abnimmt. Zum Zeitpunkt T1 erreicht 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 Lösch­ vorgangs wird in der Z-Diode 40 die in dem elektroma­ gnetischen Verbraucher 10 gespeicherte Energie in Verlustwärme umgesetzt.

Die Energieumwandlung in Verlustwärme ist nach­ teilig. Sie führt zum einen dazu, daß die Versorgungs­ spannung unnötig belastet wird. Dies ist besonders beim Einsatz der Schaltungsanordnung in Kraftfahrzeugen von Nachteil, da dort nur ein begrenzter Energievorrat zur Verfügung steht. Des weiteren führt diese Umwand­ lung zu einer unnötigen Erwärmung der Anordnung.

Um diesen Energieverlust zu vermeiden, wird übli­ cherweise eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 ver­ wendet.

In Fig. 2 ist lediglich der Löschkreis 30 einer weiteren Ausführungsform aufgezeigt. Dieser besteht im wesent­ lichen aus einer Reihenschaltung einer Diode 60 und einem Energiespeicher 50. Der Energiespeicher ist vor­ zugsweise als Kondensator realisiert. Dabei steht die Kathode der Diode 60 mit dem Kondensator 50 und die Anode der Diode 60 mit dem Verbraucher in Verbin­ dung. Die Spannung am Löschkreis wird mit U und die Spannung am Kondensator 50 wird mit Uc bezeichnet.

In Fig. 2b ist wiederum der Strom i durch den elektro­ magnetischen Verbraucher und die an dem Löschkreis anliegende Spannung U mit einer gestrichelten Linie sowie die am Kondensator 50 anliegende Spannung Uc mit einer durchgezogenen Linie aufgetragen. Nach Öff­ nen der Treiberschaltung 20 nimmt der Strom i in erster Näherung kosinusförmig ab. Die Spannung U am Löschkreis steigt während des Löschvorgangs sinusför­ mig 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 Span­ nung am Löschkreis 30 nimmt wieder den Wert UB der Versorgungsspannung an. Die am Kondensator anlie­ gende Spannung verbleibt auf dem Wert UC.

Die ursprünglich im Verbraucher 10 gespeicherte Energie wird beim Löschvorgang im wesentlichen ver­ lustfrei in den Kondensator 50 übergeführt. Dimensio­ niert man den Kondensator 50 so, daß die höchste an der Treiberschaltung 20 auftretende Spannung nicht größer als UZ wird, so dauert der Löschvorgang we­ sentlich länger als bei der in Fig. 1a dargestellten Schal­ tungsanordnung. Diese verlängerte Dauer des Lösch­ vorgangs ist wiederum insbesondere bei Schaltungsan­ ordnungen, die in selbstzündenden Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, von Nachteil.

Diese Nachteile können mit einer Schaltungsanord­ nung 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 ange­ ordnet. Die an der gesteuerten Z-Diode 70 anliegende Spannung wird so gesteuert, daß die Spannung U am Löschkreis während des gesamten Löschvorgangs einen konstanten Wert annimmt.

Eine mögliche Realisierung einer solchen gesteuerten Z-Diode 70 erfolgt mittels eines Transistors 80 und einer Z-Diode 90. Eine solche Realisierung ist in Fig. 3a dar­ gestellt. Im Gegensatz zur Fig. 2a ist zwischen der Di­ ode 60 und dem Kondensator 50 ein Transistor 80 mit seiner Emitter-Kollektorstrecke in Reihe geschaltet. Der Basisanschluß des Transistors 70 steht über eine Z-Diode 90 mit dem anderen Anschluß des Kondensa­ tors bzw. mit Masse in Verbindung.

Vorzugsweise wird der konstante Wert für die Span­ nung zu UZ gewählt. In diesem Fall wird ebenfalls eine Löschdauer der Zeitdauer T1 entsprechend wie in Fig. 1b erreicht. Hierbei wird aber nur ein Teil der im elektro­ magnetischen Verbraucher 10 gespeicherten Energie in Verlustwärme umgesetzt.

Die übrige Energie wird in den Kondensator 50 um­ gespeichert. Lediglich 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. 1a. Da zum einen nur ein kleiner Teil der im Ver­ braucher gespeicherten Energie in Wärme umgesetzt wird, und zum anderen die Umsetzung in Wärme im Transistor 70 erfolgt. Die Z-Diode 90 kann daher ent­ sprechend 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 Kondensator 50 anliegende Spannung Uc nimmt annähernd sinusförmig auf den Wert UC zu.

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

Der Transistor 70 wird derart betrieben, daß während des gesamten Löschvorgangs am Löschkreis eine kon­ stante Spannung mit dem Wert UZ anliegt. Der Transi­ stor 70 wirkt als Z-Diode. Der Stromabbau erfolgt ge­ nauso schnell, wie wenn der Kondensator nicht vorhan­ den 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 Lö­ schung mittels eines Kondensators erzielt werden, ohne daß deren Nachteile in Kauf genommen werden müs­ sen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Hier ist in Reihe zu der Z-Diode 90 ein weiteres Schaltmittel 100 in Reihe geschaltet. Mittels dieses Schaltmittels 100, das vorzugsweise wieder als Transistor realisiert ist, kann die Verbindung der Anode der Z-Diode 90 zur Masse unterbrochen werden. Hier­ mit läßt sich die Schnellöscheinrichtung in bestimmten Betriebsbereichen abschalten. In diesem Fall ist die ge­ steuerte Z-Diode hochohmig, dies bedeutet die Span­ nung 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 Treiber­ schaltung (20), die durch einen Löschkreis (30) überbrückbar ist, wobei der Löschkreis (30) zumin­ dest einen Energiespeicher (50) zur Aufnahme der im Verbraucher (10) gespeicherten Energie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Löschkreis (30) ferner eine gesteuerte 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 gekennzeichnet, daß die gesteuerte Z-Dio­ de (70) als Transistor (80) und Z-Diode (90) reali­ siert ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor-Emitter-Strec­ ke des Transistors (80) in Reihe zwischen dem Ver­ braucher (10) und dem Energiespeicher (50) ge­ schaltet ist und die Basis des Transistors (80) über die Z-Diode (90) mit Masse verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher (50) ein Kondensator verwen­ det wird.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (100) vorgesehen sind mit denen die gesteuerte Z-Diode (70) unwirksam geschaltet wer­ den kann.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verbraucher um ein elektromagne­ tisches Ventil handelt, das im Bereich der Kraft­ stoffzumessung bei Brennkraftmaschinen einge­ setzt wird.