DE4321127A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers ist aus der DE-OS 40 20 094 bekannt. Dort wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers beschrieben, der eine Serienschaltung bestehend aus dem elektro­ magnetischen Verbraucher und einem ersten Schaltmittel aufweist. Ein Freilaufkreis für den elektromagnetischen Verbraucher umfaßt ein zweites Schaltmittel. Desweiteren sind Ansteuermittel zur Betätigung der Schaltmittel vorgesehen.

Bei dieser Vorrichtung hängt die Schaltzeit bzw. die Abschaltge­ schwindigkeit und damit die Öffnungs- und Schließzeit des Magnetven­ tils von verschiedenen Parametern ab, wodurch beispielsweise im Fal­ le eines Kraftstoffeinspritzventils eine unerwünscht schwankende Kraftstoffmenge eingespritzt wird. Dies führt zu einer unerwünschten Mehrbelastung der Umwelt mit Schadstoffen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers einen abschaltba­ ren Freilaufkreis mit definierter Abschaltgeschwindigkeit zu reali­ sieren. Desweiteren ist die Abschaltgeschwindigkeit zu begrenzen, um die entsprechenden Bauteile vor zu großen Spannungsänderungen zu schützen. Desweiteren soll die Abschaltgeschwindigkeit mit möglichst geringer Toleranz eingehalten werden, um die Toleranz der Stromab­ baugeschwindigkeit im Magnetventil und damit die Toleranz der Ein­ spritzmenge möglichst gering zu halten.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung mit der Merkmalskombination des An­ spruchs 1 hat den Vorteil, daß ein abschaltbarer Freilaufkreis mit definierter Abschaltgeschwindigkeit realisierbar ist, wobei die Ab­ schaltgeschwindigkeit begrenzt und mit geringer Toleranz vorgebbar ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Stromlaufplan der ersten Ausführungsform der Erfin­ dung, Fig. 2 Signalverläufe über der Zeit von verschiedenen Punkten der Stromlaufpläne der Fig. 1 und Fig. 3a und 3b eine zweite und dritte Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers umfaßt gemäß dem Stromlaufplan in Fig. 1 einen elektromagne­ tischen Verbraucher 1, insbesondere ein elektromagnetisches Ein­ spritzventil für eine Brennkraftmaschine, und ein damit in Serie ge­ schaltetes Schaltmittel 2.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Schaltmittel 2 als Feldeffekttransistor realisiert, es sind auch Realisierungen mit an­ deren Schaltmitteln, wie Transistoren möglich. Der dem Schaltmittel 2 abgewandte Anschluß des elektromagnetischen Verbrauchers 1, ist mit der Batteriespannung U verbunden. Der dem elektromagnetischen Verbraucher 1 abgewandte Source-Anschluß des Transistors 2 ist mit Masse verbunden.

Parallel zu dem elektromagnetischen Verbraucher 1 ist ein Freilauf­ kreis geschaltet. Dieser Freilaufkreis besteht vorzugsweise aus ei­ nem zweiten Schaltmittel 3, dessen Schaltstrecke in Serie zu einer Diode 4 geschaltet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Schaltmittel 3 ebenfalls als Transistor insbesondere als Feld­ effekttransistor realisiert. Die Anode der Diode 4 ist mit dem Ver­ braucher 1 sowie mit dem Drain-Anschluß des Transistors 2 verbunden. Die Kathode der Diode 4 ist mit dem zweiten Schaltmittel 3 verbunden.

Die Vorrichtung umfaßt ferner Ansteuerungsmittel 5 zur Ansteuerung des Schaltmittels 2. Die Ansteuerungsmittel 5 sind vorzugsweise als Mikrorechner realisiert.

Ein Löschkreis ist mit 13 bezeichnet. Bei der dargestellten Ausfüh­ rungsform verbindet der Löschkreis den Verbindungspunkt zwischen der Kathode der Diode 4, dem Source-Anschluß des Transistors 3 und dem Verbraucher mit Masse. In einer einfachen Ausgestaltung ist der Löschkreis als Zenerdiode realisiert, deren Anode mit Masse und de­ ren Kathode mit dem Verbraucher in Verbindung steht.

Der Source-Anschluß des Transistors 3 steht mit einem Widerstand 6 in Verbindung. Der andere Anschluß des Widerstandes 6 steht über ein weiteres Schaltmittel 7 mit einem ersten Anschluß eines weiteren Widerstands 8 in Verbindung. Der Verbindungspunkt zwischen Wider­ stand 6 und dem weiteren Schaltmittel 7 steht in Kontakt mit dem Gate-Anschluß des Transistors 3.

Ein Ansteuermittel 5A beaufschlagt ein weiteres Schaltmittel 12 mit Ansteuersignalen. Das weitere Schaltmittel 12 verbindet im durchge­ schalteten Zustand einen Verbindungspunkt 9 mit einem zweiten An­ schluß des Widerstands 8. Der Verbindungspunkt 9 ist mit einem er­ sten Anschluß eines Widerstands 10 und über einen Widerstand 11 mit einer Referenzspannung U_REF verbunden. Der Emitter des Schaltmit­ tels 12, der zweite Anschluß des Widerstands 8 und der zweite An­ schluß des Widerstands 10 sind miteinander verbunden. Mit dem Poten­ tial des Punktes 9 wird der Basis-Anschluß des Schaltmittels 7 be­ aufschlagt. Bei dem Ansteuermittel 5A handelt es sich vorzugsweise um dasselbe Ansteuermittel, das auch das Schaltmittel 2 mit An­ steuersignalen beaufschlagt.

Das weitere Schaltmittel 7, die Widerstände 8, 10, 11 und das Schaltmittel 12 bilden eine abschaltbare Stromquelle 20.

Die Schaltmittel 7 und 12 sind vorzugsweise als bipolare Transisto­ ren realisiert.

Die Funktion dieser Vorrichtung wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Durch Ansteuerung des ersten Transistors 2 wird der elektromagneti­ sche Verbraucher 1 mit Batteriespannung U und Masse verbunden. Dies bewirkt, daß durch den Verbraucher ein Strom fließt.

Die zeitlichen Verläufe der verschiedenen Spannungen, Ströme sowie Ansteuersignale sind in Fig. 2 aufgetragen. In Fig. 2a ist das Ausgangssignal des Ansteuermittels 5, mit dem der Transistor 2 be­ aufschlagt wird, aufgetragen. Das Ansteuermittel 5 gibt ein impuls­ förmiges Ansteuersignal ab. Die Impulsdauer bzw. die Pulsbreite hängt dabei beispielsweise von einer nicht dargestellten Strom- oder Spannungsregelung ab.

Die Ansteuerung beginnt zum Zeitpunkt T1. Zum Zeitpunkt T1 werden der Transistor 2 und der Transistor 3 derart angesteuert, daß sie beide geschlossen werden und damit einen Stromfluß ermöglichen. Wie in Fig. 2b dargestellt steigt ab diesem Zeitpunkt der Strom durch den Verbraucher 1 an. Erreicht der Strom zum Zeitpunkt T2 einen vor­ gesehenen Schwellwert S1, so öffnet der Transistor 2.

Da sich der Transistor 3 in seinem geschlossenen Zustand befindet, ist der Freilaufkreis bestehend aus Diode 4 und Transistor 3 aktiv. Dies hat zur Folge, daß der Strom langsam abnimmt, bis eine untere Schwelle S2 erreicht ist. Ist diese Schwelle erreicht, so schließt der Transistor 2 und der Strom steigt wieder bis zur Schwelle S1 an. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis zum Zeitpunkt T3 die Ansteuerung beendet werden soll.

Zu diesem Zeitpunkt wird der Transistor 2 so angesteuert, daß er öffnet. Gleichzeitig wird der Transistor 3 ebenfalls so angesteuert, daß er öffnet. Die Öffnung des Transistors 3 bewirkt, daß der Frei­ laufkreis nicht mehr aktiv ist und lediglich der Löschkreis 13 zu einer Schnellöschung führt. Dies bewirkt, daß der Strom durch den Verbraucher sehr schnell auf Null abfällt. Dadurch kann eine sehr kurze Ausschaltzeit erzielt werden. Während der Taktung erfolgt der Stromabbau relativ langsam. Dies hat zur Folge, daß sich relativ lange Taktzeiten ergeben.

Die dargestellte Vorrichtung wird vorzugsweise zur Ansteuerung von Magnetventilen eingesetzt, die die Kraftstoffzumessung bei Kraft­ fahrzeugen steuern. In Fig. 2c ist der Hub der Magnetventilnadel aufgetragen. Ab dem Zeitpunkt T1 bewegt sich die Magnetventilnadel, bis sie zum Zeitpunkt T2 ihre zweite Endlage erreicht. Zwischen den Zeitpunkten T3 und T4 bewegt sie sich wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück. Zwischen den Zeitpunkten T2 und T4 wird Kraftstoff zu­ gemessen.

In Fig. 2d ist das Ansteuersignal für den Transistor 3 aufgetragen. Die Ansteuerung des Transistors 3 erfolgt über die Stromquelle 20. Der Transistor 3 wird durchgesteuert, wenn zwischen dem Source-An­ schluß und dem Gate-Anschluß eine vorgegebene Spannung von ca. 10 Volt anliegt.

Die Ansteuerung erfolgt wie folgt. Zum Zeitpunkt T1 wird wie in Fig. 2e dargestellt der Transistor 12 von dem Ansteuermittel 5A so angesteuert, daß dieser öffnet. Dies bewirkt, daß an dem Spannungs­ teiler, der durch die Widerstände 10 und 11 gebildet wird, eine sol­ che Spannung am Punkt 9 abfällt, daß der Transistor 7 schließt. Der Schaltzustand des Transistors 7 ist in Fig. 2f aufgetragen.

Bei geschlossenem Transistor 7 fließt über den Widerstand 6 ein kon­ stanter Strom. Dieser wiederum bewirkt einen konstanten Spannungsab­ fall am Widerstand 6. Diese konstante Spannung steuert den Transi­ stor 3 derart an, daß dieser wie in Fig. 2d dargestellt schließt und der Freilaufkreis aktiv ist.

Über die Stromquelle 20 wird der Widerstand 6 mit einem konstanten Strom beaufschlagt. Dieser konstante Strom durch den Widerstand 6 bewirkt einen konstanten Spannungsabfall am Widerstand 6, der wie­ derum zur Ansteuerung des Transistors 3 dient.

Zum Zeitpunkt T3 steuert die Ansteuerung den Transistor 12 durch. Der Punkt 9 liegt damit auf Masse. Dies hat zur Folge, daß der Tran­ sistor 7 den Stromfluß durch den Widerstand 6 unterbricht. Dies be­ wirkt, daß die Spannung am Widerstand 6 auf Null abfällt und der Transistor 3 öffnet.

Die Zeitdauer innerhalb der der Transistor 3 öffnet hängt im wesent­ lichen nur vom Wert des Widerstands 6, von der Spannung am Wider­ stand 6 und der Konstanz der Gate-Source-Kapazität des Transistors 3 ab. Wird der Strom durch den Widerstand 6 auf einen konstanten Wert eingestellt, so ergibt sich eine konstante Spannung am Gate des Transistors 3. Die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Schaltzeit des Magnetventils hängt im wesentlichen vom Spannungsabfall am Widerstand 6 ab.

Mittels einer zum Widerstand 6 parallelgeschalteten Zenerdiode 14 läßt sich die am Widerstand abfallende Spannung präziser einstellen.

Beim Beenden der Einspritzung zum Zeitpunkt T3 wird die Stromquelle durch Ansteuern des Transistors 12 abgeschaltet. Dies bewirkt, daß kein Strom durch den Widerstand 6 fließt und damit die Spannung zwischen Gate und Source zusammenbricht. Dies wiederum bewirkt, daß der Transistor 3 öffnet und der Freilaufkreis deaktiviert wird. Die Abschaltgeschwindigkeit hängt im wesentlichen von der Kapazität zwi­ schen Gate und Source sowie von dem Widerstand 6 ab.

Alternativ können auch die in Fig. 3a und Fig. 3b dargestellten abschaltbaren Konstantstromquellen 20 verwendet werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3a sind die entsprechenden Bau­ teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Gegenüber der Aus­ führungsform gemäß Fig. 1 ist hier zusätzlich ein Transistor 15 vorgesehen. Hierbei ist die Basis des Transistors mit dem Kollektor und dem Punkt 9 verbunden. Der Emitter steht mit dem von Masse abge­ wandten Anschluß des Widerstands 10 in Verbindung.

Durch den Einsatz dieses Transistors kann der Spannungsabfall am Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 10 und 11 genauer eingestellt werden. Somit läßt sich auch der Schaltzeitpunkt des Transistors 7 genauer steuern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3b ist der Widerstand 6 mit dem Drain-Anschluß eines Transistors 16 verbunden. Der Source-Anschluß des Transistors 16 steht über einen Widerstand 17 mit einem Transi­ stor 18 in Verbindung der von dem Ansteuermittel 5A angesteuert wird. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 17 und dem Tran­ sistor 18 ist mit dem Gate-Anschluß des Transistors 16 verbunden.

Der Transistor 16 ist vorzugsweise als selbstleitender Feldeffekt­ transistor bzw. als N-Kanal-Verarmungstyp Feldeffekttransistor rea­ lisiert.

Wird der Transistor 18 durchgesteuert, so fließt ein Konstant-Strom durch den Widerstand 6. Bei geöffnetem Transistor 18 ist der Strom­ fluß unterbrochen. Die Konstantstromquelle besteht im wesentlichen nur aus dem (selbstleitenden) N-Kanal-Transistor 16 und dem Wider­ stand 17.

Es lassen sich auch andere, nicht dargestellte Konstantstromquellen verwenden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrau­ chers mit einer Serienschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers und einem ersten Schaltmittel, mit einem Freilaufkreis für den elektromagnetischen Verbraucher, der ein zweites Schaltmittel um­ faßt, mit Ansteuermitteln für die Betätigung der Schaltmittel, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels einer Stromquelle an einem Wider­ stand ein Spannungsabfall zur Ansteuerung des zweiten Schaltmittels vorgebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle einen selbstleitenden Feldeffekttransistor umfaßt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Schaltmittel ein Transistor insbesondere ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Ansteuermittel für die Schaltmittel wenigstens ein Mikrorechner vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es sich bei dem Verbraucher um ein elektromagneti­ sches Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine handelt.