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Diese
Erfindung betrifft Verbesserungen in elektronischen Schaltungen
und insbesondere eine elektronische Schaltung, in welcher eine elektrische Last,
wie beispielsweise ein Elektromotor in einem Automobilfahrzeugsystem,
mit einer batteriebetriebenen elektrischen Versorgung verbunden
ist.
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Eine
breite Auswahl an Automobilsystemen ist entwickelt worden, welche
elektronische Aktuatoren verwenden, um grundlegende Funktionen des Fahrzeugs
auszuführen.
Beispiele solcher Systeme sind elektrische Servolenkungssysteme,
in welchen ein Elektromotor ein unterstützendes Drehmoment auf eine
Steuerwelle aufgibt, und elektrische Bremssysteme, in welchen die
Bremsen eines Rads als Reaktion auf ein vom Nutzer erzeugtes Steuersignal
direkt mittels eines Elektromotors betätigt werden. Diese beiden Systeme
ersetzen hydraulische Schaltungen und bieten als solche im Vergleich
zu ihren hydraulischen Äquivalenten
erhebliche Vorteile hinsichtlich Packung als auch Gewicht.
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Eine
weitere Entwicklung ist die Verwendung einer elektronischen Schaltung,
um die Bewegung von Flüssigkeit
in die Fahrzeugdämpfer
hinein und aus ihnen heraus zu steuern, was es ermöglicht,
die Federung des Fahrzeugs aktiv zu steuern. Diese Anwendung erfordert
eine schnell reagierende Pumpe, die mittels eines Elektromotors
angetrieben wird. Um das Volumen und den Druck von Flüssigkeit
zu steuern, wird ein Elektromotor mit relativ hoher Leistung benötigt.
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Um
den erhöhten
Anforderungen der komplexen elektronischen Schaltungen moderner
Fahrzeuge gerecht zu werden, ist vorgeschlagen worden, die Versorgungsspannung
von der herkömmlichen Batterieversorgung
von 12 Volt auf eine höhere
von 42 Volt-Versorgung (oder Ähnliches)
zu erhöhen. Nichtsdestotrotz
mag der Elektromotor, der für
ein aktives Federungssystem benötigt
wird, immerhin noch einen Strom von 60 Ampere oder mehr bei voller Leistung
benötigen.
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Zum
einfachen Zusammenbau und Einbau sind die elektrischen Systeme häufig eigenständige Einheiten
mit zwei Endgeräten
zur Verbindung mit der positiven Versorgung und jeweils einem Erdungspunkt.
Um Störgrößen zu vermeiden,
welche auftreten können,
wenn die vom System dargestellte Last verändert wird, ist typischerweise
ein Glättungskondensator
zwischen die zwei Endgeräte
geschaltet. Dieser ist für
gewöhnlich
ein integrierter Teil der eigenständigen Einheit.
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Ein
Problem, welches in Automobilanwendungen auftritt, ist, dass es,
während
zu Zeiten von Spitzenbedarf von einer Last ein hoher Strom verfügbar sein
muss, ent scheidend ist, den Ruhestrom, der in der Schaltung fließt, zu minimieren,
wenn die Last nicht in Betrieb ist. Falls der Ruhestrom zu hoch
ist, wird die Batterie schnell leer, wenn das Fahrzeug über Nacht
steht.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, ein isolierendes Relais in
Reihe zwischen dem elektrischen System und dem positiven Endgerät vorzusehen.
Das Relais ist geschlossen, wenn die Last in Betrieb ist und Leistung
zieht, kann aber geöffnet werden,
um zu verhindern, dass Ruhestrom von der Versorgung zur Last fließt, wenn
das Fahrzeug stehen gelassen wird.
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Der
Anmelder hat erkannt, dass die Verwendung eines Relais in einem
modernen Automobilsystem unerwünscht
ist. Relais sind teuere und ziemlich sperrige Vorrichtungen und
manchmal unzuverlässig.
Außerdem
kann der "An"-Widerstand der Vorrichtung – ihr Widerstand über die
Kontakte, wenn sie geschlossen ist – beträchtlich sein, wenn er hohe Ströme in der
Größenordnung
von 60 Ampere leitet. Der daraus folgende Leistungsverlust im Relais
verringert die Leistungsmenge, die für den Rest der elektrischen
Last verfügbar
ist.
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Abgesehen
davon, dass sie einen zusätzlichen
Antrieb und eine Schutzschaltung benötigen, sind Relais anfällig für Beschädigungen,
wenn sie die Kontakte in Anwesenheit der hohen Ladeströme, die mit
den benötigten
Hochwert-Glättungskondensatoren
verbunden sind, schließen.
Hohe Ladeströme verringern
auch die Zuverlässigkeit
von großen
Elektrolytkondensatoren.
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Wir
sind uns der
europäischen Patentanmeldungsveröffentlichung
0 823 775 bewusst, welche eine Steuerschaltung für einen
Gleichstrommotor offenbart, in welchem ein Motor über einen
Schalter mit einer Leistungsversorgung und einer Masse verbunden
ist. Ein Kondensator ist parallel zum Schalter zwischen dem Motor
und der Masse vorgesehen. Dieses Dokument stellt den Oberbegriff
von Anspruch 1 dar. Wir sind uns auch des Patents
US 4,088,106 bewusst, welches ein
Abkoppeln einer Last von einer Leistungsversorgung offenbart, um
die Ruhestromleckage durch die Last zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird eine
elektronische Schaltung zur Verbindung mit einer Spannungsquelle bereitgestellt,
die aufweist:
eine elektrische Last, wie beispielsweise einen
Motor;
eine erste Verbindung, die zwischen einem Eingangsknoten
der Last und der Spannungsquelle vorgesehen ist,
eine zweite
Verbindung, die zwischen einem Ausgangsknoten der Last und einer
Masseleitung vorgesehen ist,
zumindest einen Glättungskondensator,
der parallel zur Last zwischen den Eingangsknoten und die Masseleitung
geschaltet ist,
eine Umschaltvorrichtung, die in Reihe zwischen
den zumindest einen Glättungskondensator
und die Masseleitung geschaltet ist, wobei die Umschaltvorrichtung
normalerweise während
eines Betriebs der Last geschlossen ist, und
eine Steuerschaltung,
welche so wirkt, dass sie die Umschaltvorrichtung öffnet, um
den zumindest einen Kondensator von der Masse zu isolieren, wenn
die Last nicht in Betrieb ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
Umschaltvorrichtung so wirkt, dass sie den zumindest einen Kondensator
isoliert, aber nicht die Last von der Masse.
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Das
Vorsehen eines Schalters zwischen dem Glättungskondensator und der Masseleitung stellt
einen erheblichen Vorteil gegenüber
dem Stand der Technik bereit. Der Anmelder hat erkannt, dass die
größte Quelle
unerwünschten
Ruhestroms für eine
Last in einem gut ausgestalteten System oft die Stromleckage vom
Glättungskondensator
ist. Mittels Isolierens des Kondensators von der Masse wird diese
Ruhestromquelle beseitigt. Der Rest der elektrischen Last kann,
wenn gewünscht,
jederzeit mit der Batterieversorgung verbunden bleiben.
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Ferner
wird, da sich der Schalter nicht in Reihe mit der Leistungsversorgung
befindet, eine Erhöhung
des Wirkungsgrads erzielt, da kein Leistungsverlust auftritt, der
mit dem "An"-Widerstand des Schalters
verbunden ist. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der
Schalter nicht mehr den vollen Strom tragen muss, der von der Last
gezogen wird, und nicht mehr den hohen Spannungen unterworfen ist,
die im 42-Volt-Bus herrschen, und so von niedrigerer Leistungs-
und Spannungsklasse sein kann. Dies verringert die Packungsgröße der Vorrichtung und
ihrer zugehörigen
Wärmesenke.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil eines solchen Schalt- bzw. Umschaltelements liegt darin,
dass der Ladestrom so gesteuert werden kann, dass er ein "sanfter" Start ist, und zwar
mittels Umschaltens des Elements EIN in einen Pulsbreitenmodulations-PWM-Betriebsmodus.
Somit kann die Umschaltvorrichtung unter Verwendung eines PWM-Modus moduliert werden,
in welchem der Arbeitszyklus schrittweise erhöht wird, wenn der Schalter
von der offenen Stellung aus geschlossen wird, um eine schrittweise
Erhöhung
im Strom zu ermöglichen,
der es ermöglicht,
den Kondensator zu laden. Dies stellt ein Langsamlademerkmal bereit,
welches den Kondensator schützt.
Folglich kann der Schalter unter Verwendung einer PWM moduliert
werden, in wel cher der Arbeitszyklus verringert wird, wenn er sich
von geschlossen zu offen bewegt.
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Die
elektrische Schaltung kann einen Teil eines Automobilsystems aufweisen.
In diesem Fall kann die Versorgung eine Batterie aufweisen. Die Versorgung
kann eine 42-Volt-Versorgung
aufweisen, welche von einer niedrigeren Batteriespannung hochgewandelt
werden kann. Die Versorgung kann jederzeit mit der Last verbunden
bleiben, selbst wenn die Zündung
ausgeschaltet ist.
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Die
Umschaltvorrichtung, die zwischen dem Kondensator und OV vorgesehen
ist, mag mit einer niedrigeren Spannung als der Versorgungsspannung betrieben
werden.
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Die
elektronische Schaltung kann eigenständig sein, wobei die elektrische
Last, der Kondensator und die Umschaltvorrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
sind. Die Steuerschaltung kann sich auch im Gehäuse befinden, oder kann sich
vom Gehäuse
entfernt befinden.
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Die
elektrische Last kann einen Schalter umfassen, welcher so wirkt,
dass er den durchschnittlichen Strom steuert, der von der Last gezogen
wird, wenn sie in Betrieb ist. Die Last kann einen Motor aufweisen,
der beispielsweise mit einem Schalter in Reihe geschaltet ist, welcher
pulsbreitenmoduliert sein kann. Der Schalter kann Signale empfangen,
die mittels einer Verarbeitungseinheit erzeugt werden. Die Verarbeitungseinheit
kann ferner dazu angeordnet sein, das Steuersignal für den Isolierschalter
bereitzustellen.
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In
einer Anordnung kann die Last deshalb einen Elektromotor aufweisen.
Der Motor kann einen Teil eines aktiven Federungssystems für ein Fahrzeug
bilden. Der Motor kann dazu verwendet werden, eine Pumpe anzutreiben.
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Vorzugsweise
weist die Umschaltvorrichtung eine Halbleitervorrichtung auf, wie
beispielsweise einen FET ("field
effect transistor";
Feldeffekttransistor) oder einen MOSFET. Andere Festkörperumschaltvorrichtungen
können
verwendet werden.
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Die
Umschaltvorrichtung kann geöffnet
werden, wenn die Zündung
des Fahrzeugs ausgeschaltet ist. Alternativ kann sie zu einem anderen
geeigneten Zeitpunkt geöffnet
werden, wenn die Last, mit der sie verbunden ist, nicht in Betrieb
ist.
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Die
Umschaltvorrichtung kann zwei parallel angeordnete Schalter aufweisen.
Der erste der Schalter kann geöffnet
werden, um nur dann einen begrenzten Stromfluss durch den Kondensator
zu ermöglichen,
wobei der zweite geöffnet
werden kann, um nur einen unbegrenzten Stromfluss durch den Kondensator
zu erlauben, sobald er sich auf ein vorbestimmtes Niveau verändert hat.
Der erste und der zweite Schalter können durch jeweilige Steuersignale
betrieben werden, wobei der erste Schalter einen Teil einer Erhaltungsladeschaltung
definiert. Ein Widerstand kann in Reihe mit dem ersten Schalter
vorgesehen sein, um die Laderate des Kondensators zu begrenzen.
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Es
wird nun lediglich exemplarisch eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezug auf die beiliegende Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt
schematisch eine elektronische Schaltung für ein Automobilfahrzeugsystem.
Die Schaltung umfasst eine Last, die einen Elektromotor 1 aufweist,
welcher eine Pumpe (nicht gezeigt) antreibt. Der Motor 1 ist
durch einen Widerstand R1 in Reihe mit einer Induktivität L1 dargestellt.
Der Motor 1 ist in Reihe mit einer Umschaltvorrichtung 3 zwischen
eine Spannungsquelle 6, die eine 42-Volt-Versorgung aufweist,
und eine Masseleitung geschaltet. Der Schalter 3 wird durch
ein Steuersignal VLOAD von einem Controller
(nicht gezeigt) betrieben, um die Motordrehzahl zu verändern, wenn
er in Betrieb ist. Der Motor ist so bemessen, dass er einen maximalen Laststrom
von 60 Ampere von der Versorgung zieht. Natürlich sollte es klar sein,
dass in einer praktischen Schaltung eine Anzahl solcher Schalter
bereitgestellt werden kann, um jede Phase eines Mehrphasenmotors
zu steuern.
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Ein
Feld eines Glättungskondensators
befindet parallel zur Last. Dieser ist in der Figur als ein einzelner
4500μF-Kondensator 4 und
sein zugehöriger Leckagepfadwiderstand
dargestellt. Ein Reihenwiderstand R2, der den Reihenwiderstand des
Kondensators 4 darstellt, ist ebenfalls gezeigt.
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In
Reihe mit dem Kondensator 4 befindet sich zwischen dem
Kondensator 4 und der Masseleitung ein isolierender Halbleiterschalter 5.
Die Umschaltvorrichtung ist normalerweise geschlossen, um einen
Pfad niedriger Impedanz zwischen dem Kondensator 4 und
der Masseleitung bereitzustellen, wenn die elektrische Lastschaltung
in Betrieb ist. Damit ist gemeint, dass das Fahrzeug läuft oder
zumindest die Zündung
angeschaltet ist.
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Für den Fall,
dass die Schaltung nicht in Betrieb ist – beispielsweise, wenn die
Fahr zeugzündung ausgeschaltet
ist – wird
der zweite Schalter geöffnet, um
den Kondensator von der Masseleitung zu isolieren. Die Isolierung
des Schalters verhindert, dass unerwünschte Ruheströme von der
Batterie durch den Kondensator 4 zur Masseleitung fließen.
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Der
Isolierschalter wird mittels einer Ladepumpenschaltung angetrieben,
die auf sein Gate angewandt wird, was sicherstellt, dass der Schalter
voll verstärkt
wird und unabhängig
von der 42-Volt-Versorgungsleitung ist. Ein Impuls, der auf das
VIN-Endgerät aufgegeben wird, schaltet
den Schalter ein oder aus.
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Der
Anmelder hat erkannt, dass die Ruheströme, die durch eine Leckage
vom Kondensator entstehen, die Hauptquelle für Ruheströme in vielen elektrischen Lasten
und Leistungsschaltungen sind, die mit Batterieversorgungen zu verbinden
sind. Mittels Isolierens der Kondensatoren von der Masseleitung
anstatt Isolierens der gesamten Last von der Versorgung kann ein
Schalter relativ niedriger Klasse als der Schalter verwendet werden,
der nur die Ruheströme
anstatt den vollen Laststrom der Last tragen muss.
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2 stellt
schematisch eine alternative elektronische Schaltung ähnlich der
in 1 gezeigten dar, die aber einen zusätzlichen
Schaltkreis umfasst, der dazu angeordnet ist, ein rasches Laden
des Kondensators zu verhindern, wodurch seine Zuverlässigkeit
erhöht
wird. Der Übersichtlichkeit
halber sind Merkmale, welche mit Merkmalen in 1 übereinstimmen,
mit den gleichen Bezugsziffern versehen worden.
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Der
zusätzliche
Schaltkreis weist eine Erhaltungsladeschaltung auf, welche die Rate
begrenzt, mit welcher Strom durch den Kondensator gezogen werden
kann, wenn der Isolierschalter 5 geschlossen ist. Die Schaltung
umfasst einen sekundären
Isolierschalter, der parallel zum Schalter 3 geschaltet
ist. Wenn eine Spannung am mit A/D bezeichneten Knoten oberhalb
eines vorbestimmten Schwellwerts liegt, wird der Isolierschalter
daran gehindert, zu schließen,
jedoch kann ein Strom durch den Kondensator 4 und die Erhaltungsladeschaltung
fließen.
Wenn die Spannung am Knoten A/D unter einen vorbestimmten Wert fällt, wenn
der Kondensator aufgeladen wird, wird ein Steuersignal zum Isolierschalter
gesendet, das ihn anweist, sich zu öffnen. Dadurch ermöglicht die
Erhaltungsladeschaltung ein zweistufiges Öffnen der Verbindung vom Glättungskondensator zur
Masseleitung, um eine plötzliche
Erhöhung
beim Laden zu verhindern. Dieses Merkmal verbessert die Zuverlässigkeit
des Kondensators.