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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für eine Verbindung
zwischen den Versorgungsanschlüssen
eines Autoradios und einer Kraftfahrzeugbatterie, wie sie in der
DE 4400093 A und
der
DE 4124616 offenbart
ist und in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
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Bei
dieser Beschreibung soll der Begriff Batterie die Quelle einer elektrischen
Gleichstromenergie eines Kraftfahrzeugs definieren, die zusätzlich zu der
tatsächlichen
Batterie Auflade- und Stabilisierungsschaltungen umfasst, und der
Begriff Autoradio bezieht sich nicht nur auf einen Radioempfänger, sondern
auch auf jede elektronische Vorrichtung zur Wiedergabe von Ton oder
für andere
Verwendungszwecke, die durch die Batterie versorgt wird.
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Wenn
der Motor des Kraftfahrzeugs angelassen wird und auch während des
normalen Betriebs des Kraftfahrzeugs ist bekannt, dass der Gleichstrom,
der durch die Batterie erzeugt wird, Störungen unterworfen ist, wie
z. B. Reduktionen bei dem Pegel und den gepulsten positiven und
negativen Transienten, die Fehlfunktionen oder sogar den Ausfall
elektronischer Vorrichtungen bewirken können, die mit der Batterie
verbunden sind. In dem Fall eines Autoradios kann eine Reduktion
des Pegels unter eine minimale erlaubte Spannung bewirken, dass
sich die Vorrichtung abstellt und gepulste Transienten können lästige Töne bewirken,
die durch die Lautsprecher emittiert werden.
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Es
ist auch bekannt, dass eine falsche Verbindung der Batterie (Umpolung
der Polarität) schwerwiegende
Schäden
an der Vorrichtung bewirken kann, die von der Batterie versorgt
wird.
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Um
die Störung
zu begrenzen, wird normalerweise in der Schaltung, die das Autoradio
mit der Batterie verbindet, ein Filter verwendet, und zum Verhindern
von Schäden
aufgrund einer versehentlichen Umpolung der Batteriepolarität werden
in der Verbindungsschaltung geeignete Schutzeinrichtungen verwendet.
Eine typische Verbindungsschaltung, die ein Filter und eine Schutzeinrichtung
umfasst, ist in 1 gezeigt. Die Schaltung, die
in der Zeichnung mit 10 angezeigt ist, ist zwischen eine
Batterie 11 und ein Autoradio 12 eingefügt und ist
normalerweise physikalisch in dem Behälter angeordnet, in dem auch
das Autoradio untergebracht ist. Die Schaltung besteht aus einem
LC-Filter und einer Leistungsdiode. Bei diesem Beispiel ist Das
LC-Filter ein zweipoliges Tiefpassfilter und ist durch einen Induktor
L in Reihe, d. h. zwischen den positiven Pol der Batterie und einen
Versorgungsanschluss des Autoradios geschaltet, und durch einen
Kondensator C parallel zu den Autoradioversorgungsanschlüssen gebildet.
Die Diode, die mit Dp angezeigt ist, ist ebenfalls parallel zu den
Autoradioversorgungsanschlüssen
geschaltet, genauer gesagt für
eine Rückwärtsleitung,
d. h. mit ihrer Anode mit dem Anschluss der Schaltung verbunden,
die mit dem negativen Pol der Batterie verbunden werden soll, so
dass die Diode nur leitet, wenn die Batterie mit umgekehrter Polung
verbunden ist. Eine Sicherung 13, die zwischen der Versorgung liegt
und dieselbe im Fall von Überlastung
unterbricht, ist normalerweise zwischen dem positiven Pol der Batterie
und der Verbindungsschaltung 10 vorgesehen.
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Es
ist bekannt, dass es möglich
ist, eine Spannungserhöhungsschaltung
zu verwenden, um die Ausgangsleistung des Autoradios oder einer
anderen Vorrichtung, die durch die Kraftfahrzeugbatterie versorgt
wird, zu erhöhen,
wie es beispielsweise in der
US
6307357 , die auf der italienischen Patentanmeldung ITMI
990257 basiert, die durch die Anmelderin am 10. Februar 1999 eingereicht
wurde, beschrieben ist. Bei Bedarf wird diese Schaltung zwischen
die Filter- und Schutzschaltung und die Versorgungsanschlüsse der
Vorrichtung geschaltet.
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Die
bekannte Filter- und Schutzschaltung von 1 hat einige
Nachteile und als Folge davon ist dieselbe nicht immer zuverlässig und
effektiv bei der Verwendung. Insbesondere wenn die Batterie mit umgekehrter
Polung verbunden ist, ist der Spannungsabfall in der Diode ziemlich
hoch, beispielsweise 2 V, so dass zwischen den Versorgungsanschlüssen des
Autoradios eine negative Spannung (–2 V) vorliegt, die die Vorrichtung
beschädigen
kann, bevor die Sicherung eingreift und die Verbindung zu der Batterie
unterbricht. Darüber
hinaus wird eine negative Transiente in der Batteriespannung Vbatt
an dem Ausgang des Filters in eine Spannung Vfil übersetzt, mit
Oszillationen von beträchtlicher
Amplitude, die ebenfalls potentiell schädlich sind für die Vorrichtung. Wie
es beispielsweise in dem Graph von 3 mit Bezugnahme
auf die Vorrichtung, die einen Strom von 2 A absorbiert, gezeigt
ist, fällt
eine Transiente der Batteriespannung Vbatt, die bei 14 V beginnt,
zu 0 V und steigt erneut an auf 18 V, bevor das Zurückkehren
zu 14 V eine Welligkeit der Filterausgangsspannung Vfil bewirkt,
die von –0,7
V bis 26 V reicht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung für eine Verbindung
zwischen einem Autoradio und einer Kraftfahrzeugbatterie zu schaffen,
die eine Filter- und Schutzschaltung enthält, die bei allen Anwendungen
zuverlässig
und effektiv ist.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung für eine Verbindung
zwischen einem Autoradio und einer Kraftfahrzeugbatterie zu schaffen,
die Filter- und Schutz funktionen zusammen mit einer Spannungserhöhungsfunktion
durchführt.
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Diese
Aufgaben werden durch die Bereitstellung der Schaltung erreicht,
die in Anspruch 1 allgemein definiert und charakterisiert ist, und
verschiedene Ausführungsbeispiele
derselben sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
Erfindung ist anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der
beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele
mit Bezugnahme auf die angehängten
Zeichnungen besser verständlich.
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1 zeigt
eine bekannte Filter- und Schutzschaltung;
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2 zeigt
eine bekannte Schaltung für
eine Verbindung zwischen einem Autoradio und einer Batterie mit
Filter- und Schutzfunktionen;
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3 ist
ein Graph, der den Betrieb der bekannten Schaltungen von 1 und 2 darstellt; und
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4 zeigt
eine Schaltung für
eine Verbindung zwischen einem Autoradio und einer Batterie mit
Filter-, Schutz- und Spannungserhöhungsfunktionen gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Wie
es in 2 ersichtlich ist, bei der Elemente, die identisch
sind zu denjenigen von 1, durch die gleichen Bezugszeichen
oder Symbole angezeigt sind, unterscheidet sich die Verbindungsschaltung
von der Schaltung von 1 dadurch, dass der Schutz gegen
Umpolung der Batteriepolung durch eine Diode geliefert wird, die
mit Ds angezeigt ist, die in der Vorwärtsleitungsrichtung in Reihe
mit einem der Versorgungsanschlüsse
des Autoradios geschaltet ist, anstatt einer Diode in parallel,
wie in 1. Diese unterschiedliche Konfiguration führt zu wesentlichen
Vorteilen. Insbesondere wenn die Batterie mit umgekehrter Polung verbunden
ist, ist die Diode Ds rückwärts vorgespannt
und blockiert somit die Versorgung des Autoradios. Zwischen den
Versorgungsanschlüssen
des Autoradios kann keine negative Versorgungsspannung mehr hergestellt
werden. Darüber
hinaus wird jede negative Transiente der Batteriespannung Vbatt
aufgrund des Reihenwiderstands der Diode Ds gedämpft, so dass die Spannung,
die mit Vfil' angezeigt
ist, und von der Schaltung gefiltert wird, eine Oszillation mit
kleinerer Amplitude aufweist als diejenige der Schaltung von 1. In
dem Fall, der durch den Graph von 3 gezeigt ist,
variiert die Spannung Vfil' beispielsweise
zwischen 9 V und 20 V. Schließlich
kann die Diode Ds von geringerer Größe sein und somit geringen
Kosten als die Diode Dp der bekannten Schaltung, da ihr maximaler
Rückwärtsleitungsstrom
während
dem Betrieb mit der umgekehrten Polung der Batterie durch die Impedanz
der Last (des Autoradios) begrenzt ist.
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Normalerweise
ist während
dem normalen Betrieb die effektive Versorgungsspannung des Autoradios,
d. h. die gefilterte Spannung Vfil', niedriger als die Batteriespannung.
Dieselbe ist in der Tat Vbatt – Vds,
wobei Vds der Spannungsabfall in der Diode Ds ist, die für Vorwärtsleitung
(typischerweise 0,4 – 0,6
V) verbunden ist. Diese Reduktion kann in vielen Fällen vernachlässigbar
sein. Falls dieselbe jedoch nicht vernachlässigbar ist und es in der Tat
gewünscht
ist, eine Versorgungsspannung zu haben, die höher ist als die Batteriespannung
gemäß der Erfindung,
kann die Verbindungsschaltung in einer Form hergestellt werden,
die es ermöglicht,
dass die Spannung ohne die Verwendung einer speziellen Schaltung
nachgeschaltet zu der Filter- und Schutzschaltung erhöht wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
dieses Typs ist in 4 gezeigt, bei dem Elemente
identisch zu denjenigen von 2 durch
die gleichen Bezugszeichen oder Symbole angezeigt sind.
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Die
Verbindungsschaltung in 4 umfasst zusätzlich zu
den Filterkomponenten L und C und der Schutzdiode Ds einen elektronischen
Schalter Mt, der zwischen den Knoten N der Verbindung des Induktors
L mit der Diode Ds und den negativen Versorgungsanschluss des Autoradios
geschaltet ist, und eine Schaltung 14 zum Steuern des Schaltens
des elektronischen Schalters. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der elektronische
Schalter Mt ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET) mit einer
intrinsischen Diode Md zwischen seinem Source- und Drainanschluss.
Der Gateanschluss des Transistors Mt ist mit dem Ausgang der Steuerschaltung 14 verbunden.
Es ist beabsichtigt, dass statt dem MOSFET ein Bipolartransistor
oder eine andere Vorrichtung mit steuerbarer Leitung vorgesehen
sein könnte.
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Die
Steuerschaltung 14 ist mit den Versorgungsanschlüssen des
Autoradios verbunden, sowohl um mit der Gleichspannung Vfil' versorgt zu werden,
die zwischen denselben hergestellt ist, und um abhängig von
der Spannung Vfil' Schaltsignale
zu erzeugen. Die Steuerschaltung 14 ist vorzugsweise ein
Pulsbreitenmodulator (PWM), der eine gepulste Spannung mit vorbestimmter
Frequenz an den Gateanschluss des Transistors Mt anlegen kann. Die Breite
des Pulses variiert abhängig
von der Spannung Vfil' und
der Last, die das Autoradio 12 bildet.
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Die
Steuerschaltung 14 weist auch einen Freischaltanschluss
EN auf, der mit einer Vorrichtung oder einer externen Schaltung
verbunden ist, die nicht gezeigt ist, zum Anlegen eines Zwei-Pegel-Signals
an diesen Anschluss zum Aktivieren oder Deaktivieren der Steuerschaltung.
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Der
Betrieb der Schaltung wird nun betrachtet. Falls das Signal EN,
wenn die Batterie 11 korrekt verbunden ist, derart ist,
um die Steuerschaltung 14 inaktiv zu halten, ist der Transistor
Mt gesperrt (die Diode Md ist rückwärts vorgespannt),
so dass die Spannung Vfil, die zwischen den Versorgungsanschlüssen des
Autoradios 11 angelegt ist, gleich der Batteriespannung
Vbatt ist, die durch den Spannungsabfall in der Diode Ds reduziert
ist. Falls das Signal EN derart ist, um die Steuerschaltung 14 aktiv
zu halten, wird der Transistor Mt abwechselnd leitend und nichtleitend
gemacht. Während
der Leitungsperiode wird eine Spannung, die im wesentlichen gleich der
Spannung Vbatt ist, an die Anschlüsse des Induktors L angelegt.
Wenn der Transistor nicht leitend wird, bewirkt die elektromotorische
Kraft, die in den Induktor L induziert wird, dass das Potential
des Knotens N ansteigt, bis die Diode Ds leitend ist. Somit fließt ein Strom
von dem Induktor L zu dem Kondensator C und zu der Last 12.
Eine geeignete Auswahl der Werte des Induktors L und des Kondensators
C und auch der Frequenz des Schaltsignals, das durch die Steuerschaltung
erzeugt wird, erreicht eine Ausgangsspannung Vfil' der Verbindungsschaltung,
d. h. eine Versorgungsspannung des Autoradios, die höher ist
als die Eingangsspannung Vbatt. Mit einer Spannung Vbatt = 14 V,
beispielsweise, kann der Induktor L eine Induktivität von 220 μH aufweisen,
der Kondensator C kann eine Kapazität von 2.000 μF aufweisen
und die Schaltfrequenz der Steuerschaltung 14 kann 50 kHz
sein.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden die Komponenten, die für die Filterfunktionen (L und
C) und für
die Schutzfunktionen (Ds) notwendig sind, ebenfalls verwendet, um
die Spannungserhöhungsfunktionen
durchzuführen,
für die
andernfalls gemäß dem Stand
der Technik eine getrennte Schaltung erforderlich wäre.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass in dem Fall einer versehentlichen
Umkehrung der Batteriepolung die Diode Md parallel zu dem Transistor Mt
für eine
Vorwärtsleitung
verbunden ist und somit den Transistor schützt. Es wird angemerkt, dass
in diesem Fall der negative Spannungsabfall, der an den Anschlüssen der
Diode Md vorliegt, bis die Sicherung 13 eingreift, nicht
an die Versorgungsanschlüsse
des Autoradios 12 angelegt wird, weil derselbe durch die
Diode Ds gesperrt ist, die in dieser Situation rückwärts vorgespannt ist.
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Obwohl
nur ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung beschrieben und dargestellt wurde, sind eindeutig
viele Variationen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs
der Erfindung möglich,
wie er in den folgenden Ansprüchen
definiert ist.