DE4231037A1 - Strombegrenzungsschaltung mit umschaltbarem maximalem Stromwert für scheinwiderstandsbehaftete Verbraucher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Be­ grenzung eines in einem Laststromkreis fließenden Last­ stromes mittels eines Mikroprozessors gemäß dem Oberbe­ griff der Patentansprüche 1 und 2 sowie die Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung.

Aus der DE 28 34 678 C2 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers, insbeson­ dere einer elektromagnetischen Spule bekannt, der mit einem Transistor und einem an dessen Emitter-Elektrode angeschlossenen Emitter-Shuntwiderstand in Reihe ge­ schaltet ist. Ferner ist eine Einrichtung zum Schutz dieses Transistors gegen Überlastung bei einem Kurz­ schluß am Verbraucher vorgesehen, die einen Komparator umfaßt, dessen Ausgang an die Basis des Transistors an­ geschlossen ist. Bei dieser bekannten Schaltung wird bei einem an dem Verbraucher auftretenden Kurzschluß ein sicherer Schutz gegen Überlastung des Transistors erzielt, indem der über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors fließende Strom beim Auftreten eines solchen Kurzschlusses auf einen ungefährlichen Wert be­ grenzt wird.

Eine solche Strombegrenzung kann nicht nur zum Schutz des Transistors erforderlich sein, sondern auch dann notwendig werden, wenn nur ein bestimmter Wert des Laststromes zugelassen wird, um damit beispielsweise die Verlustleistung des Verbrauchers zu begrenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strombe­ grenzungsschaltung der eingangs genannten Art anzuge­ ben, die eine Umschaltung des maximal zulässigen Last­ stromes erlaubt und einen einfachen Aufbau zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Patentan­ sprüche 1 und 2 gelöst.

Gemäß der Erfindung kann mittels eines gesteuerten Spannungsteilers eine Einstellung des zulässigen maxi­ malen Laststromes vorgenommen werden, wobei das ent­ sprechende Umschaltsignal von einem Mikroprozessor in Abhängigkeit von ihm vorliegenden Systemparametern, wie beispielsweise Temperatur, erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann auch zur Zündungssteuerung einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Dort werden neben einer Ansteuereinheit, deren Kern oft ein Mikrocomputer darstellt, auch Zündendstu­ fen eingesetzt, zu deren Aufgaben neben dem Ein- und Ausschalten des Zündspulenprimärstromes auch die Strom­ begrenzung des Primärspulenstromes gehören. Mit der Ab­ schaltflanke des Primärspulenstromes wird eine Zündung eingeleitet. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung erlaubt nun ein einfaches Verfahren, mit dem die Beein­ flussung des Strombegrenzungswertes der Endstufe durch den Mikroprozessor ermöglicht wird. Da die Zündenergie von dem Stromendwert in der Primärseite der Zündspule abhängt, kann damit eine bedarfsabhängige Zündenergie­ steuerung realisiert werden. Durch dieses Verfahren läßt sich auch eine günstige Beeinflussung einerseits auf den Verlustleistungsumsatz im Zündsystem und ande­ rerseits auf die Standzeit der Zündkerzen realisieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanord­ nung, und

Fig. 3 Strom/Spannungs-Diagramme zur Er­ läuterung der Funktion der erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung nach den Fig. 1 und 2.

In den Fig. 1 und 2 werden gleiche Schaltungsteile bzw. gleiche Bauelemente mit entsprechender Funktion mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Um Wiederholungen in der Figurenbeschreibung zu vermei­ den, werden anhand der Fig. 1 zunächst diejenigen Schaltungsteile beschrieben, die auch in der Schal­ tungsanordnung nach Fig. 2 wiederzufinden sind.

Ein Laststromkreis, der aus einer Reihenschaltung einer Impedanz Z_L, eines Leistungstransistors T₁ und eines Shunt-Widerstandes R_S aufgebaut ist, wird von einer Gleichspannungsquelle U_Batt gespeist. Die Basis-Elek­ trode des Leistungstransistors T₁ wird von einer End­ stufe 1 getaktet, die ihrerseits zu Steuerungszwecken über eine Leitung V_T mit einem Mikroprozessor µP ver­ bunden ist. Eine weitere Steuerleitung V_Z, deren Funk­ tion weiter unten beschrieben wird, verbindet den Mikroprozessor µP mit der Endstufe 1. Schließlich wird auch die an dem Shunt-Widerstand R_S erzeugte laststrom­ proportionale Spannung U_F der Endstufe 1 zugeführt.

Die Endstufe 1 enthält zwei Komparatoren K₁ und K₂, de­ ren Ausgänge unter Bildung eines Stromknotens sowohl mit der Basis-Elektrode des Leistungstransistors T₁ als auch über einen Widerstand R₁ mit der Betriebsspan­ nungsquelle U_Batt verbunden sind. Der invertierende Eingang des Komparators K₁ ist unter Bildung einer Spannungsschwelle U_S1 an eine Gleichspannungsquelle G_US1 angeschlossen. Der nicht-invertierende Eingang dieses Komparators K₁ ist mit der Steuerleitung V_T ver­ bunden. Über diese Steuerleitung V_T erhält der Kompara­ tor K₁ ein Taktsignal mit dem Tastverhältnis t_H/T, mit dem die Stromflußzeit durch die Impedanz Z_L gesteuert wird. Ein solches Taktsignal ist in Fig. 3a darge­ stellt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt nun eine spezielle Eingangsbeschaltung für den Komparator K₂, die sich von derjenigen nach Fig. 2 unterscheidet. Der nicht-invertierende Eingang dieses Komparators K₂ ist mit einer Gleichspannungsquelle G_US2 zur Erzeugung ei­ ner Spannungsschwelle U_S2 verbunden. Der invertierende Eingang des Komparators K₂ ist dagegen mit dem Verbin­ dungspunkt eines aus zwei Widerständen R₂ und R₃ aufge­ bauten Spannungsteilers angeschlossen. Der freie An­ schluß des Widerstandes R₂ ist auf den Knotenpunkt von dem Shunt-Widerstand R_S und der Emitter-Elektrode des Leistungstransistors T₁ geführt, während das freie Ende des Widerstandes R₃ über die Kollektor-Emitterstrecke eines Schalttransistors T₂ mit dem Bezugspotential der Schaltung verbunden ist. Die Basis-Elektrode dieses Schalttransistors T₂ ist an die zweite Steuerleitung V_Z angeschlossen.

Im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 3 ergibt sich folgende Wirkungsweise der Schaltung:

Falls sowohl auf der ersten Steuerleitung V_T als auch auf der zweiten Steuerleitung V_Z Low-Potential anliegt, führt der Ausgang des Komparators K₁ Low-Potential und der Ausgang des Komparators K₂ High-Potential, da sich der Schalttransistor T₂ im sperrenden Zustand befindet und somit an dem invertierenden Eingang des Komparators K₂ Low-Potential anliegt. Das Low-Potential an dem Aus­ gang des Komparators K₁ führt nun dazu, daß der über den Widerstand R₁ fließende Endstufentreiberstrom I_E vollständig über den Komparator K₁ nach Massepotential abfließt. Somit wird der Leistungstransistor T₁ nicht angesteuert und es kann kein Laststrom I_L fließen (vgl. Fig. 3b).

Erscheint nun auf der ersten Steuerleitung V_T ein er­ stes Taktsignal mit einem Spannungspegel U_H, so springt das Potential am Ausgang des Komparators K₁ von Low auf High (vgl. Fig. 3c), da die Schwellenspannung U_S1 des Komparators K₁ so gewählt ist, daß U_S1 < U_H gilt. Das High-Potential am Ausgang des Komparators K₁ hat zur Folge, daß der Treiberstrom I_E in die Basis des Lei­ stungstransistors T₁ als Strom I_B1 umgeleitet wird, so daß über die Impedanz Z_L, den Leistungstransistor T₁ und den Stromshunt R_S ein Laststrom I_L eingeschaltet wird (vgl. Fig. 3b). Dieser Laststrom I_L steigt in Ab­ hängigkeit von dem Scheinwiderstand der Impedanz Z_L ex­ ponentiell an. Für diesen Fall steigt das Potential U_F am Stromshunt R_S bis zu dem von der Gleichspannungs­ quelle G_US2 erzeugten Referenzwert U_S2 an. Bis zu die­ sem Zeitpunkt arbeitet der Leistungstransistor T₁ in der Sättigung und damit quasi als Schalter. Da der von den Widerständen R₂ und R₃ gebildete Spannungsteiler nicht wirksam ist, gelangt an den invertierenden Ein­ gang des Komparators K₂ die Spannung U_F. Wenn die Span­ nung U_F den Referenzwert U_S2 erreicht hat, beginnt die­ ser Komparator K₂ als Strombegrenzungsregeleinheit zu arbeiten, indem er von dem Treiberstrom I_E genau so viel Strom I_R nach Masse ableitet, daß der verbleibende Ansteuerstrom I_B2 in die Basis des Leistungstransistors T₁ noch ausreicht, einen Taststrom I_L1 aufrechtzuhal­ ten, welcher am Stromshunt R_S, zu einem Potential U_F = U_S2 führt. Dabei verläßt der Leistungstransistor T₁ seinen Sättigungsbereich und arbeitet nun in der Strom­ regelung mit höheren U_CE-Spannungswerten. Bei entspre­ chender Auslegung des Stromshunts R_S kann ein bestimm­ ter Endwert I_LEND1 des Laststromes I_L eingestellt wer­ den.

Springt nun in dieser Phase das High-Potential auf der Steuerleitung V_T auf Low-Potential, wird über den Kom­ parator K₁ der Strom I_B2 unterbrochen, so daß der Lei­ stungstransistor T₁ in den sperrenden Zustand übergeht, mit der Folge der Abschaltung des Laststromes I_L (vgl. Fig. 3b).

Wird nun ein höherer Endwert des Laststromes I_L gefor­ dert, sendet der Mikroprozessor µP auf der zweiten Steuerleitung V_Z ein High-Signal, das sinnvollerweise periodensynchron, d. h. phasengleich mit dem High-Pegel auf der Steuerleitung V_T geschieht (vgl. Fig. 3d). Dies führt dazu, daß der Transistor T₂ leitend und da­ durch der Spannungsteiler mit den Widerständen R₂ und R₃ wirksam wird. Mit dem Taktsignal auf der Steuerlei­ tung V_T gibt der Ausgang des Komparators K₁ den Trei­ berstrom I_E zur Ansteuerung der Basis des Leistungs­ transistors T₁ wieder frei. Der ansteigende Laststrom I_L wird nun nicht bei der Spannung U_F = U_S2 begrenzt, sondern erst bei dem höheren Wert U_F′ = U_S2 · (1 + R₂/R₃), weil erst bei dieser Spannung am invertierenden Eingang des Komparators K₂ der Spannungswert U_S2 er­ reicht wird. Bei entsprechender Dimensionierung des Spannungsteilers R₂/R₃ wird ein Endwert I_LEND2 er­ reicht, für den I_LEND2 < I_LEND1 gilt (vgl. Fig. 3b).

Die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete und punkt-schraffiert unterlegt gezeichnete Schaltungsan­ ordnung ist in der Regel Teil eines integrierten Schaltkreises, wobei der invertierende Eingang des Kom­ parators K₂ als Stromshunt-Anschluß herausgeführt ist. Somit kann hier in vorteilhafter Weise die mit dem Be­ zugszeichen 2 bezeichnete Beschaltung auch diskret aus­ geführt werden, wodurch der integrierte Schaltkreis ge­ mäß dem Bezugszeichen 1 kostengünstig und einfach durch die Beschaltung gemäß dem Bezugszeichen 2 aufgerüstet werden kann. Natürlich kann auch die gesamte Endstufe als integrierter Schaltkreis aufgebaut werden.

Die Fig. 2 stellt eine mit dem Bezugszeichen 2 darge­ stellte modifizierte Eingangsbeschaltung des Kompara­ tors K₂ dar, wonach mit dem Steuersignal auf der Steu­ erleitung V_Z direkt der Referenzwert U_S2 der Gleich­ spannungsquelle G_US2 geschaltet wird und dafür die Spannung U_F am Stromshunt R_S direkt dem invertierenden Eingang des Komparators K₂ zugeführt wird. Hierzu ist die Gleichspannungsquelle G_US2 mit dem Spannungsteiler R₂/R₃ verbunden, dessen Knoten direkt an den nicht-in­ vertierenden Eingang des Komparators K₂ angeschlossen ist. Falls der Schalttransistor T₂ nicht-leitend ist, gelangt der Referenzwert U_S2 zum nicht-invertierenden Eingang des Komparators K₂. Somit stellt sich ein er­ ster Wert des Laststromes I_L ein, falls die Spannung U_F am Stromshunt R_S den Referenzwert U_S2 erreicht. Ist da­ gegen der Spannungsteiler R₂/R₃ bei leitendem Schalt­ transistor T₂ wirksam, so stellt sich ein zweiter Wert des Laststromes I_L ein, falls die Spannung U_F am Strom­ shunt R_S den Wert U_S2/(1 + R₂/R₃) erreicht.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines in einem eine scheinwiderstandsbehaftete Last (Z_L), einen steuerbaren Schalter (T₁) und einen Shunt-Widerstand (R_S) aufweisenden, von einer Betriebsspannungsquelle (U_Batt) gespeisten Laststromkreis fließenden Laststro­ mes (I_L) mittels eines Mikroprozessors, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) es ist eine erste Vergleichsschaltung (K₁) vorge­ sehen, die einen festeingestellten ersten Sollwert (U_S1) mit einem von dem Mikroprozessor erzeugten ersten Istwert (U_H) vergleicht und ein Einschalt­ signal für den steuerbaren Schalter (T₁) erzeugt, falls der erste Istwert (U_H) den ersten Sollwert (U_S1) erreicht,
• b1) es ist eine zweite Vergleichsschaltung (K₂) vorge­ sehen, die einen festeingestellten zweiten Soll­ wert (U_S2) mit einem an dem Knotenpunkt eines Spannungsteilers (R₂, R₃) abgegriffenen zweiten Istwert vergleicht und ein Umschaltsignal erzeugt, falls der zweite Istwert den zweiten Sollwert (U_S2) erreicht,
• c) der Ausgang der ersten und zweiten Vergleichs­ schaltung (K₁, K₂) bilden einen Stromknoten, der mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters (T₁) verbunden ist, wobei Mittel (R₁) vorgesehen sind, die in diesen Stromknoten einen Strom, (I_E) solchen Wertes zuführen, der den steuerbaren Schalter (T₁) in den geschlossenen Zustand steuern kann,
• d1) der eine Anschluß des Spannungsteilers (R₂, R₃) ist zum Zwecke des Abgriffs eines laststrompropor­ tionalen Spannungssignales (U_F) mit dem Shunt- Widerstand (R_S) verbunden, während der andere An­ schluß über einen steuerbaren, weiteren Schalter (T₂) an einen Pol der Betriebsspannungsquelle (U_Batt) anschaltbar ist, wenn zur Umschaltung ei­ nes ersten maximal zulässigen Laststromwertes (I_L1) auf einen zweiten maximal zulässigen Last­ stromwert (I_L2) der Steuereingang dieses weiteren Schalters (T₂) vom Mikroprozessor über die Steuer­ leitung (V_Z) derart angesteuert wird, daß der wei­ tere Schalter (T₂) in den geschlossenen Zustand übergeht.

2. Schaltungsanordnung zur Begrenzung eines in einem eine scheinwiderstandsbehaftete Last (Z_L), einen steu­ erbaren Schalter (T₁) und einen Shunt-Widerstand (R_S) aufweisenden, von einer Betriebsspannungsquelle (U_Batt) gespeisten Laststromkreis fließenden Laststromes (I_L) mittels eines Mikroprozessors, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) es ist eine erste Vergleichsschaltung (K₁) vorge­ sehen, die einen festeingestellten ersten Sollwert (U_S1) mit einem von dem Mikroprozessor erzeugten ersten Istwert (U_H) vergleicht und ein Einschalt­ signal für den steuerbaren Schalter (T₁) erzeugt, falls der erste Istwert (U_H) den ersten Sollwert (U_S1) erreicht,
• b2) es ist eine zweite Vergleichsschaltung (K₂) vorge­ sehen, die einen an dem Knotenpunkt eines Span­ nungsteilers (R₂, R₃) abgegriffenen umschaltbaren zweiten Sollwert mit dem an dem Shunt-Widerstand (R_S) abgegriffenen zweiten Istwert (U_F) ver­ gleicht,
• c) der Ausgang der ersten und zweiten Vergleichs­ schaltung (K₁, K₂) bilden einen Stromknoten, der mit dem Steuereingang des steuerbaren Schalters (T₁) verbunden ist, wobei Mittel (R₁) vorgesehen sind, die in diesen Stromknoten einen Strom (I_E) solchen Wertes zuführen, der den steuerbaren Schalter (T₁) in den geschlossenen Zustand steuern kann,
• d2) der eine Anschluß des Spannungsteilers (R₂, R₃) liegt auf einem festeingestellten Spannungspegel (U_S2), während der andere Anschluß über einen steuerbaren, weiteren Schalter (T₂) an einen Pol der Betriebsspannungsquelle (U_Batt) anschaltbar ist, wenn zur Umschaltung eines ersten maximal zu­ lässigen Laststromwertes (I_L1) auf einen zweiten maximal zulässigen Laststromwert I_L2) der Steuer­ eingang dieses weiteren Schalters (T₂) vom Mikro­ prozessor über die Steuerleitung (V_Z) derart ange­ steuert wird, daß der weitere Schalter (T₂) in den geschlossenen Zustand übergeht.

3. Verwendung der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 in einer den Primärspulenstrom ein- und ausschaltenden Endstufe zur Steuerung der Zündener­ gie der zugehörigen Zündspule einer Brennkraftmaschine, wobei die Endstufe über Steuerleitungen (V_T, V_Z) von einem Mikroprozessor angesteuert wird.