-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Steuervorrichtung für einen Anlasser eines Kraftfahrzeugs.
-
Ein Anlasser umfaßt vor allem ein Einrückrelais,
dessen Wicklung durch die Batterie des Fahrzeugs über
einen Anlaßschalter mit Strom versorgt wird und dessen
Aufgabe darin besteht, einerseits ein lineares
Stellglied zu bilden, um ein Anlasserritzel entlang einer
Antriebswelle von einer Ruhestellung zu einer
Einrückstellung zu verschieben, in der es mit einem Zahnkranz
auf der Schwungscheibe des Motors in Eingriff kommt,
und andererseits ein Leistungsrelais zu bilden, dessen
Kontakt die Stroinversorgung des Elektroinotors des
Anlassers ermöglicht, wobei dieser Motor das
Anlasserritzel drehend antreibt.
-
Ein Kraftfahrzeuganlasser ist für den Betrieb in einem
breiten Temperaturbereich bestimmt, der beispielsweise
von -30ºC bis +120ºC reicht.
-
Damit das Einrückrelais unter allen Umständen
ansprechen, oder anders gesagt: einschalten kann, ist es
notwendig, seine Wicklung für die maximale
Temperaturschwelle auszulegen, was einem Höchstwert des ohmschen
Widerstands der besagten Wicklung entspricht.
-
Bei den tieferen Temperaturen, das heißt in den
weitaus meisten Fällen, liegt die von der Batterie
gelieferte Speisespannung ganz deutlich über der für seine
Auslösung notwendigen Spannung, wobei diese
Auslösespannung gemeinhin als Einschaltspannung bezeichnet
wird. Daraus ergibt sich ein sehr hoher Auslösestrom,
der eine entsprechend starke Auslegung des Anlaß
schalters und der zugehörigen elektrischen Leiter
erforderlich macht.
-
Darüber hinaus ergeben sich zahlreiche Nachteile, wie
etwa ein heftiger Antrieb des Anlasserritzels im
Zahnkranz, wodurch es wiederum zu einer schnellen
Beschädigung der Stirnseiten ihrer Verzahnungen und zu
einem lauten Aufprallgeräusch des Anlasserritzels
kommt, was für den Fahrer des Fahrzeugs unangenehm
sein kann.
-
Dieser heftige Antrieb führt außerdem zu einer schwer
kontrollierbaren Phasenverschiebung zwischen der
Auslösung der Verschiebebewegung des Anlasserritzels
und dem Schließen der Leistungskontakte, um den
Elektromotor mit Strom zu versorgen und so das
Anlasserritzel in Drehung zu versetzen. Ein vorzeitiges Drehen
des Ritzels, das heißt, vor seinem Einspuren auf dem
Zahnkranz, führt ebenfalls zu einer Verkürzung der
Lebensdauer des Ritzel-Zahnkranz-Getriebes.
-
Diese Nachteile treten grundsätzlich auf, unabhängig
davon, ob es sich um ein Einrückrelais mit einer
Wicklung oder um ein Einrückrelais mit zwei Wicklungen
handelt, das heißt ein Einrückrelais mit einer
Einzugswicklung und einer Haltewicklung, die eine
Verringerung der Stromaufnahme des Einrückrelais während
des Betriebs des Anlassers ermöglicht.
-
Es wurde zwar versucht, die Steuersysteme derartiger
Einrückrelais auf der Basis von elektromagnetischen
Relais durch statische Systeme unter Verwendung von
Verstärkern zu ersetzen, die mit einem
Spannungsgenerator verbunden sein können oder nicht. Dabei konnten
die vorerwähnten Probleme jedoch keiner Lösung
zugeführt werden.
-
In der FR-A-2 611 981 wird eine
Anlaßsteuervorrichtung dargelegt, bei der ein Spannungsrampengenerator
zum Einsatz kommt, wie er in der EP-A-0 099 941
beschrieben wird, der die Auslösung des Einrückrelais
bei einer niedrigen Spannung ermöglicht, wodurch ein
zu heftiger Antrieb des Ritzels verhindert wird.
-
Da der Anlasser jedoch in einem breiten
Temperaturbereich arbeitet und da die Einschaltspannung des
Einrückrelais proportional zu der besagten Temperatur
ausfällt, ist es wünschenswert, daß die
Einschaltspannung in einer möglichst kurzen Zeit erreicht wird,
um die Erwärmung der elektronischen Leistungsorgane
möglichst gering zu halten.
-
Die vorliegende Erfindung löst die vorerwähnten
Probleme und schlägt dazu eine Steuervorrichtung für
einen Anlasser eines Kraftfahrzeugs vor, bestehend aus
einem Anlaßschalter, der mit einer Batterie verbunden
ist, die eine Batteriespannung liefert, einem
Einrückrelais, das mindestens eine Wicklung und einen
Leistungskontakt umfaßt, dessen Schließung die
Stromversorgung eines Elektromotors ermöglicht, sowie einem
Verstärker, der eine Steuerspannung für die Wicklung
liefern soll, einem Spannungsgenerator mit Mitteln zur
Veränderung der Steuerspannung, die beim Schließen des
Anlaßschalters eingesetzt werden, wobei diese Mittel
so gestaltet sind, daß sie beim Schließen des Anlaß
schalters eine Spannung liefern, die kleiner als die
Einschaltspannung des Einrückrelais ist, und daß die
Steuerspannung erhöht wird, um das Einrückrelais mit
einer notwendigen Mindestspannung anzusteuern, die
kleiner als die Batteriespannung ist, wobei der
Spannungsgenerator insbesondere zwei Widerstände umfaßt,
die mit einem Kondensator verbunden sind, wobei der
Anschlußpunkt eines der Widerstände und des
Kondensators mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist, so
daß ein Spannungsrampengenerator mit positivem oder
negativem Koeffizient gebildet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator
Temperaturausgleichmittel umfaßt, die beim Schließen des Schalters
eine Spannung liefern können, die proportional zur
Betriebstemperatur des Anlassers ist.
-
Das Verständnis der vorliegenden Erfindung wird durch
die nachstehende Beschreibung erleichtert, bei der auf
die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in
denen folgendes dargestellt ist:
-
- Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
- Figur 2 zeigt ein Zeitdiagramm der Steuerspannung,
die an das Einrückrelais des Anlassers angelegt wird.
-
- Figur 3 zeigt ein Detailschaltbild einer ersten
Ausführungsform der Erfindung.
-
- Figur 4 zeigt ein Detailschaltbild einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung.
-
Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen, in der die
dargestellte Vorrichtung eine Batterie B umfaßt, deren
Minusklemme über einen Leiter 11 mit der Masse und
deren Plusklemme mit einem beweglichen Kontakt eines
Anlaßschalters K verbunden ist.
-
Wenn der Schalter K geschlossen ist, wird die von der
Batterie B abgegebene Spannung Ub an den Eingang eines
Spannungsgenerators 12 angelegt, dessen Ausgang mit
einem Verstärker 13 verbunden ist, der eine Spannung
Us für die Ansteuerung eines Einrückrelais 14 liefert,
genauer gesagt für die Ansteuerung einer
Erregerwicklung
L, wobei das genannte Einrückrelais 14 außerdem
einen Leistungskontakt R enthält, der mit einer seiner
Klemmen an den Pluspol der Batterie angeschlossen ist,
während seine andere Klemme mit dem Elektromotor M des
Anlassers, insbesondere für Kraftfahrzeuge, verbunden
ist.
-
Wenn sich die Wicklung L des Einrückrelais 14 aus zwei
Wicklungen zusammensetzt, von denen eine als
Einzugswicklung und die andere als Haltewicklung bezeichnet
wird, deren Aufgabe in einer Verringerung der
Stromaufnahme des Einrückrelais 14 während des Betriebs des
Anlassers besteht, umfaßt die Vorrichtung außerdem
- wie dies mit strichpunktierten Linien in Figur 1
dargestellt wird - eine Sparschaltung 15, deren
Einschaltung durch den Kontakt R gesteuert wird und deren
Ausgang an den Eingang des Verstärkers 13
angeschlossen ist.
-
Der Spannungsgenerator 12 umfaßt Mittel zur
Veränderung der Steuerspannung Us des Einrückrelais 14, die
beim Schließen des Anlaßschalters K eingesetzt werden.
-
Die Veränderung der Spannung Us wird im Diagramm von
Figur 2 dargestellt, wobei in der Abszisse die Zeit t
und in der Ordinate die Spannung Us eingetragen wird.
-
Beim Schließen des Schalters K ist der
Spannungsgenerator 12 so konfiguriert, daß die Spannung Us
einen Wert Uo hat, der kleiner als die Auslösespannung
oder Einschaltspannung Uc des Einrückrelais ist, und
daß die Spannung Us schrittweise von ihrem
Ausgangswert Us bis zu einem Wert Uc ansteigt, der bei einer
gegebenen Betriebstemperatur zwischen Uo und der
Batteriespannung Ub liegt.
-
Auf diese Weise wird nach einer Zeit tc das Schließen
des Einrückrelais 14 bei einer optimalen Spannung
ausgelöst, die kleiner als die Batteriespannung Ub
ist, welche erst nach einer Zeit tb, die größer als
die Zeit tc ist, erreicht wird.
-
Dadurch werden die weiter oben erwähnten Nachteile
vermieden, insbesondere ein zu heftiger Antrieb des
Ritzels des Anlassers.
-
Um eine Optimierung des Werts der Einschaltspannung Uc
über den gesamten Bereich der Betriebstemperatur des
Anlassers zu bewahren, umfaßt der Spannungsgenerator
12 Temperaturausgleichmittel, die eine Erhöhung des
Werts Uo beim Schließen des Anlaßschalters K
ermöglichen.
-
Es wird nun auf Figur 3 Bezug genommen, die ein erstes
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
veranschaulicht, wobei das Einrückrelais 14 eine
Doppelwicklung aufweist, die aus einer Einzugswicklung
La und einer Haltewicklung Lm besteht.
-
Die Vorrichtung umfaßt eine Batterie B, deren
Minusklemme über einen Leiter 11 an die Masse angeschlossen
ist, während ihre Plusklemme mit einem ersten Stift
eines beweglichen Kontakts eines Anlaßschalters K
verbunden ist, der auf herkömmliche Weise durch den
Zündschlüssel des Fahrzeugs betätigt wird.
-
Der andere Kontaktstift K ist einerseits mit einem
Speiseanschluß eines Operationsverstärker A und
andererseits mit Widerständen R3, R7 verbunden, wobei der
Widerstand R7 wiederum an den Masseleiter 11
angeschlossen ist.
-
Eine Diode D1 ist parallel zum Widerstand R3
geschaltet, wobei die Anode der Diode D1 mit dem Widerstand
R3 an einen Kondensator C1 angeschlossen ist.
-
Außerdem ist der Kondensator C1 einerseits mit dem
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
A und andererseits mit der Masse 11 über einen
Widerstand R4 verbunden, zu dem eine Diode D2 parallel
geschaltet ist, deren Anode an der Masse 11 liegt.
-
Die Widerstände R3, R4, R7, der Kondensator C1 und die
Dioden D1, D2 bilden den Spannungsgenerator 12.
-
Der Ausgang des Operationsverstärkers A ist an seinem
invertierenden Eingang durch einen
Gegenkopplungswiderstand R1 mit der Masse 11 über einen Widerstand
R2 verbunden, wobei R1 und R2 den Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers A bestimmen.
-
Der Ausgang des Operationsverstärkers A ist ferner mit
dem Steuergitter g eines Leistungstransistors T1
verbunden, der in MOS-Technologie mit p-Kanal
ausgeführt ist.
-
Das Steuergitter g ist über einen Widerstand R5 mit
dem Drain d des Transistors T1 verbunden, wobei dieser
Drain d wiederum mit dem Pluspol der Batterie B und
mit einem ersten Stift des Leistungskontakts R des
Einrückrelais 14 verbunden ist.
-
Die Source s des Transistors T1 ist mit dem
Anschlußpunkt der Einzugswicklung La und der Haltewicklung Lm
des Einrückrelais 14 verbunden.
-
Das andere Ende der Haltewicklung Lm ist mit der Masse
11 verbunden, während das andere Ende der
Einzugswicklung La mit dem zweiten Kontaktstift R und mit dem
Anlassermotor M verbunden ist.
-
Der Verstärker A, der Transistor T1 und die
Widerstände R1, R2, R5 bilden den Verstärker 13.
-
Im folgenden wird mit V1 die Spannung bezeichnet, die
am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers A
anliegt; mit V2 die am Steuergitter g des Transistors
T1 angelegte Spannung und mit Us die von der Source s
des Transistors T1 abgegebene Steuerspannung.
-
Die Funktionsweise einer derartigen Vorrichtung läßt
sich wie folgt beschreiben:
-
Beim Schließen des Schalters K wird der Verstärker A
durch die Batteriespannung Ub gespeist, die außerdem
am Spannungsgenerator 12 für die Erzeugung einer
veränderlichen Spannung, insbesondere an den
Widerständen R3, R4 und am Kondensator C angelegt wird.
-
Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Spannung V1 gleich Ub
(R4/R4) + R3).
-
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers A wird so
gewählt, daß einer Spannung V1 eine am Steuergitter g
des Transistors T1 angelegte Spannung V2 entspricht,
so daß Us = Uo, wobei Uo kleiner als die
Einschaltspannung des Einrückrelais 14 ist und wobei R3, R4 und
C1 einen Spannungsrampengenerator mit negativem
Koeffizient bilden.
-
Mit fortschreitender Zeit t verringert sich V1 und
folglich auch V2, was eine zunehmend negative
Vorspannung des Steuergitters g des Transistors T1 zur
Folge hat. Der besagte Transistor T1 wird so immer
stärker leitend, woraus sich eine Vergrößerung der
Spannung Us an seiner Source s ergibt.
-
Wenn Us gleich Uc entsprechend der optimalen
Einschaltspannung des Einrückrelais 14 ist, schließt der
Leistungskontakt R, wodurch die Stromversorgung des
Motors M ermöglicht wird.
-
Bei geschlossenem Kontakt R haben die beiden Enden der
Einzugswicklung La das gleiche Potential, wobei diese
Wicklung von keinem Strom mehr durchflossen wird. Nur
die Haltewicklung Lm wird mit Strom versorgt.
-
Wenn der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs läuft,
kommt der Zündschlüssel von einer Anlaßstellung in
eine Fahrtstellung zurück, wodurch die Öffnung des
Schalters K bewirkt wird.
-
Der nicht mehr mit Strom versorgte Verstärker A wird
inaktiv. Da die Gitter- und Drainspannung des
Transistors T1 gleich sind, geht dieser in den Sperrzustand
über, und der Kontakt R öffnet, so daß die Wicklung Lm
nicht mehr mit Strom versorgt wird. Der Kondensator C1
kann sich dann dank der Dioden D1, D2 schnell in den
Widerstand R7 entladen. Die Vorrichtung ist daraufhin
insgesamt wieder für einen neuen Anlaßvorgang bereit.
-
Es wird nun auf Figur 4 Bezug genommen, die eine
zweite Ausführungsart der Vorrichtung für den Fall
veranschaulicht, in dem das Einrückrelais 14 nur eine
einzige Wicklung L umfaßt, so daß die Notwendigkeit
besteht, eine Sparschaltung 15 einzubauen.
-
Die mit Figur 3 identischen Elemente werden mit den
gleichen Bezugsnummern versehen und an dieser Stelle
nicht mehr eingehend beschrieben.
-
In Figur 4 werden wiederum die folgenden Teile
dargestellt: eine Batterie B, ein Anlaßschalter K, ein
Spannungsgenerator 12, der aus den Widerständen R3,
R4, R7, der Kapazität C1 und den Dioden D1 und D2
besteht, sowie ein Operationsverstärker A, der mit den
Widerständen R1 und R2 verbunden ist, die den Wert
seines Verstärkungsfaktors bestimmen.
-
Dabei ist zu beachten, daß der nichtinvertierende
Eingang des Verstärkers A nicht mehr mit dem
Anschlußpunkt des Widerstands R4 und des Kondensators C1
verbunden ist, sondern mit dem Anschlußpunkt des
Widerstands R3 und des Kondensators C1, so daß R3, R4
und C1 einen Spannungsrampengenerator mit positivem
Koeffizient bilden.
-
Der Ausgang des Verstärkers A ist an das Gitter g
eines Leistungstransistors T1 angeschlossen, der in
MOS-Technologie mit n-Kanal ausgeführt ist und dessen
Source s mit der Masse verbunden ist.
-
Der Drain d des Transistors T1 ist mit einem der Enden
der Wicklung L des Einrückrelais 14 verbunden, während
das andere Ende der Wicklung L mit dem Pluspol der
Batterie B verbunden ist.
-
Das Einrückrelais 14 enthält außerdem einen
Leistungskontakt R, der die Stromversorgung des Motors M
ermöglicht.
-
Der Anschlußpunkt des Widerstands R5 und des Gitters g
des Transistors T1 ist mit der Kathode einer Zener-
Diode Dz verbunden, deren Anode mit dem Kollektor
eines zweiten Transistors T2 des Typs n-p-n verbunden
ist.
-
Der Emitter des Transistors T2 ist mit der Masse
verbunden, wohingegen seine Basis über einen
Widerstand R6 mit dem Anschlußpunkt des Motors M und des
Leistungskontakts R verbunden ist.
-
Der Transistor T1, die Zener-Diode DZ und der
Widerstand R6 bilden - wie nachstehend dargelegt wird - die
Sparschaltung 15.
-
Im folgenden wird mit V1 die Spannung bezeichnet, die
am nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers A
anliegt; mit V2 die am Gitter g des Transistors T1
angelegte Spannung, mit V3 die am Ausgang des
Verstärkers A vorhandene Spannung und mit Us die vom
Drain des Transistors T1 abgegebene Steuerspannung.
-
Die Funktionsweise einer derartigen Vorrichtung läßt
sich wie folgt beschreiben:
-
Beim Schließen des Schalters K wird der Verstärker A
über seinen Anschluß a mit der Spannung Ub versorgt,
die ebenfalls an den Spannungsgenerator 12 für die
Erzeugung einer veränderlichen Spannung, insbesondere
an die Widerstände R3 und R4 sowie an den Kondensator
C1 angelegt wird.
-
Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Spannung V1 gleich Ub
(R4/R4) + R3). Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers
A wird so gewählt, daß einer Spannung V1 eine am
Gitter g des Transistors T1 angelegte Spannung V2
entspricht, so daß Us = Uo, wobei Uo kleiner als die
Einschaltspannung des Einrückrelais 14 ist.
-
Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Basis des Transistors T2
über den Widerstand R6 und den Ankerwiderstand des
Motors mit der Masse 11 verbunden. Daraus folgt, daß
sich der zweite Transistor T2 in einem Sperrzustand
befindet. Die am Gitter g des Transistors T1 angelegte
Spannung V2 ist gleich der Spannung V3 am Ausgang des
Verstärkers A.
-
R3, R4 und C1 bilden einen Spannungsgenerator mit
positivem Koeffizient. Mit fortschreitender Zeit t
erhöht sich V1, woraus sich ein proportionaler Anstieg
der Spannungen V3, V2 und Us ergibt.
-
Wenn Us den Wert Uc entsprechend der optimalen
Einschaltspannung des Einrückrelais 14 erreicht, schließt
der Leistungskontakt R, wodurch die Stromversorgung
des Motors M ermöglicht wird.
-
Die Basis von T2 erhält dann die Batteriespannung Ub
über den Widerstand R6, und T2 geht in den
Durchlaßzustand über.
-
Die Spannung V2 verringert sich dann auf einen Wert
entsprechend der Spannung Vz der Zener-Diode DZ plus
die Sättigungsspannung des Transistors T1. Daraus
ergibt sich eine verringerte Spannung Us, die eine
Beibehaltung des Einschaltzustands des Einrückrelais
14 ermöglicht.
-
Der Widerstand R5 bildet einen gleichzeitigen Schutz
für die Zener-Diode DZ und den Ausgang des Verstärkers
A.
-
Wenn der Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs läuft,
kommt der Zündschlüssel von einer Anlaßstellung in
eine Fahrtstellung zurück, wodurch die Öffnung des
Schalters K bewirkt wird.
-
Der nicht mehr mit Strom versorgte Verstärker A wird
inaktiv. Die Spannung V1 ist gleich Null, so daß auch
V2 gleich Null ist, was den Übergang des Transistors
T1 in den Sperrzustand bewirkt. Da die Wicklung L
nicht mehr mit Strom versorgt wird, öffnet der Kontakt
R, und der Anlasser wird abgeschaltet.
-
Der Kondensator C1 kann sich dann dank der Dioden D1,
D2 schnell in den Widerstand R7 entladen. Die
Vorrichtung ist daraufhin insgesamt wieder für einen neuen
Anlaßvorgang bereit.
-
Wie bereits weiter oben dargelegt wurde, ist der
Anlasser für den Betrieb in einem breiten
Temperaturbereich vorgesehen. Dabei gilt: Je höher die
Temperatur ist, desto größer muß die für die Auslösung des
Einrückrelais 14 notwendige Spannung sein. Darüber
hinaus wäre es wünschenswert, daß die Zeit tc für den
Übergang vom Wert Uo zum Wert Uc möglichst kurz
ausfällt, um die Erwärmung, die sich vor allem beim
Transistor T1 einstellt, möglichst gering zu halten.
Bei hoher Temperatur fällt die Verlustleistung eines
solchen Transistors am geringsten aus.
-
Auf dem Diagramm der Figur ist zu erkennen, daß es für
eine Verkürzung der Zeit tc notwendig ist, den Wert
von Uo zu erhöhen.
-
Dazu besteht, wie im linken Teil der Figuren 3 und 4
dargestellt, der Widerstand R3 des Spannungsgenerators
12 aus einem Festwiderstand Ra, der mit einem
Widerstand Rb in Reihe geschaltet ist, dessen Wert sich in
Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Der
Widerstand Rb ist vorzugsweise ein Widerstand des Typs CTN
mit negativem Temperaturkoeffizient.
-
Da die gesamte Vorrichtung im Innern des Anlassers
angebracht ist, ergibt sich die Feststellung, daß der
Wert des Widerstands Rb von der effektiven
Betriebstemperatur dieses Anlassers abhängig ist.
-
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend
beschriebenen und in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen beschränkt, sondern sie umfaßt auch
alle Varianten oder Änderungen, die der Fachmann daran
vornehmen könnte.
-
So kann insbesondere der Verstärker A, der hier ein
Operationsverstärker ist, durch einen beliebigen
anderen Verstärker ersetzt werden. Ebenso kann der
MOS-Transistor T1 durch mehrere Transistoren ersetzt
werden, die in MOS-Technologie mit n- oder p-Kanal
oder als npn- oder pnp-Siliziumtransistoren ausgeführt
sein können.
-
Desweiteren erzeugt der beschriebene
Spannungsgenerator 12 eine veränderliche Gleichspannung; er könnte
jedoch auch einer veränderliche Wechselspannung
erzeugen, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung
verlassen würde.
-
Das gleiche gilt auch für den Fall, daß der
Spannungsgenerator eine Pulsspannung mit veränderlichem
Verhältnis zwischen der Dauer der Vollspannung und der
Dauer der Nullspannung erzeugen würde.
-
In diesen beiden zuletzt genannten Fällen wären
natürlich als Spannungswerte, insbesondere von Uo und Ub,
die jeweiligen Effektivwerte der genannten Spannungen
zu berücksichtigen.