EP0631292A2 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers - Google Patents

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EP0631292A2
EP0631292A2 EP94107828A EP94107828A EP0631292A2 EP 0631292 A2 EP0631292 A2 EP 0631292A2 EP 94107828 A EP94107828 A EP 94107828A EP 94107828 A EP94107828 A EP 94107828A EP 0631292 A2 EP0631292 A2 EP 0631292A2
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transistor
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resistor
consumer
electromagnetic
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Robert Bosch GmbH
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    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/18—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02D2041/2058—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using information of the actual current value

Definitions

  • Such a device for controlling an electromagnetic consumer is known from DE-OS 40 20 094. There, a device for controlling an electromagnetic consumer is described, which has a series connection consisting of the electromagnetic consumer and a first switching means. A freewheeling circuit for the electromagnetic consumer comprises a second switching means. Furthermore, control means for actuating the switching means are provided.
  • the switching time or the switch-off speed and thus the opening and closing time of the solenoid valve depend on various parameters, as a result of which an undesirably fluctuating amount of fuel is injected, for example in the case of a fuel injection valve. This leads to an undesirable additional pollution of the environment with pollutants.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of the first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows signal curves over time from different points in the circuit diagrams of FIG. 1
  • FIGS. 3a and 3b show a second and third embodiment.
  • a device for controlling an electromagnetic consumer comprises an electromagnetic consumer 1, in particular an electromagnetic injection valve for an internal combustion engine, and a switching means 2 connected in series therewith.
  • the switching means 2 is implemented as a field effect transistor; realizations with other switching means, such as transistors, are also possible.
  • the connection of the electromagnetic consumer 1 facing away from the switching means 2 is connected to the battery voltage U.
  • the source terminal of the transistor 2 facing away from the electromagnetic consumer 1 is connected to ground.
  • a freewheeling circuit is connected in parallel with the electromagnetic consumer 1.
  • This freewheeling circuit preferably consists of a second switching means 3, the switching path of which is connected in series with a diode 4.
  • the switching means 3 is also implemented as a transistor, in particular as a field effect transistor.
  • the anode of the diode 4 is connected to the consumer 1 and to the drain of the transistor 2.
  • the cathode of the diode 4 is connected to the second switching means 3.
  • the device further comprises control means 5 for controlling the switching means 2.
  • the control means 5 are preferably implemented as microcomputers.
  • An extinguishing circuit is designated by 13.
  • the quenching circuit connects the connection point between the cathode of the diode 4, the source of the transistor 3 and the consumer to ground.
  • the quenching circuit is implemented as a zener diode, the anode of which is connected to ground and the cathode of which is connected to the consumer.
  • a control means 5A acts on another switching means 12 with control signals.
  • the further switching means 12 connects a connection point 9 to a second connection of the resistor 8.
  • the connection point 9 is connected to a first connection of a resistor 10 and via a resistor 11 to a reference voltage U REF .
  • the emitter of the switching means 12, the second connection of the resistor 8 and the second connection of the resistor 10 are connected to one another.
  • the base connection of the switching means 7 is applied to the potential of point 9.
  • the control means 5A is preferably the same control means that also applies control signals to the switching means 2.
  • the further switching means 7, the resistors 8, 10, 11 and the switching means 12 form a current source 20 that can be switched off.
  • the switching means 7 and 12 are preferably implemented as bipolar transistors.
  • the electromagnetic consumer 1 By driving the first transistor 2, the electromagnetic consumer 1 is connected to the battery voltage U and ground. This causes a current to flow through the consumer.
  • the time profiles of the different voltages, currents and control signals are plotted in FIG. 2.
  • the output signal of the control means 5 with which the transistor 2 is applied is plotted in FIG. 2a.
  • the control means 5 emits a pulse-shaped control signal.
  • the pulse duration or the pulse width depends, for example, on a current or voltage control, not shown.
  • Activation begins at time T1.
  • transistor 2 and transistor 3 are driven such that they are both closed and thus allow current to flow. From this point in time, as shown in FIG. 2b, the current through consumer 1 increases. If the current reaches a predetermined threshold value S1 at time T2, transistor 2 opens.
  • the transistor 2 is driven so that it opens.
  • the transistor 3 is also driven so that it opens.
  • the opening of the transistor 3 has the effect that the freewheeling circuit is no longer active and only the quenching circuit 13 leads to rapid extinction. This causes the current to flow through the Consumer drops to zero very quickly. This enables a very short switch-off time to be achieved.
  • the current reduction is relatively slow. As a result, the cycle times are relatively long.
  • the device shown is preferably used to control solenoid valves that control the fuel metering in motor vehicles.
  • the stroke of the solenoid valve needle is plotted in FIG. 2c.
  • the solenoid valve needle moves from time T1 until it reaches its second end position at time T2. Between times T3 and T4 it moves back to its original position. Fuel is metered in between times T2 and T4.
  • the drive signal for transistor 3 is plotted in FIG. 2d.
  • the transistor 3 is driven by the current source 20.
  • the transistor 3 is turned on when a predetermined voltage of approximately 10 volts is present between the source connection and the gate connection.
  • the control takes place as follows. At time T1, as shown in FIG. 2e, the transistor 12 is controlled by the control means 5A so that it opens. This causes the voltage divider formed by resistors 10 and 11 to drop at point 9 such that transistor 7 closes. The switching state of transistor 7 is plotted in FIG. 2f.
  • transistor 7 When transistor 7 is closed, a constant current flows through resistor 6. This in turn causes a constant voltage drop across resistor 6. This constant voltage drives transistor 3 in such a way that it closes as shown in FIG. 2d and the free-wheeling circuit is active.
  • a constant current is applied to the resistor 6 via the current source 20.
  • This constant current through the resistor 6 causes a constant voltage drop across the resistor 6, which in turn serves to control the transistor 3.
  • the voltage drop across the resistor can be set more precisely by means of a Zener diode 14 connected in parallel with the resistor 6.
  • switchable constant current sources 20 shown in FIGS. 3a and 3b can also be used.
  • a transistor 15 is additionally provided here.
  • the base of the transistor is connected to the collector and point 9.
  • the emitter is connected to the connection of the resistor 10 facing away from ground.
  • the voltage drop across the voltage divider, consisting of resistors 10 and 11, can be set more precisely.
  • the switching time of the transistor 7 can thus also be controlled more precisely.
  • the resistor 6 is connected to the drain connection of a transistor 16.
  • the source connection of the transistor 16 is connected via a resistor 17 to a transistor 18 which is driven by the drive means 5A.
  • the connection point between the resistor 17 and the transistor 18 is connected to the gate terminal of the transistor 16.
  • the transistor 16 is preferably implemented as a self-conducting field effect transistor or as an N-channel depletion type field effect transistor.
  • the constant current source essentially consists only of the (self-conducting) N-channel transistor 16 and the resistor 17.

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers beschrieben. Diese umfaßt eine Serienschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers und eines ersten Schaltmittels, einen Freilaufkreis für den elektromagnetischen Verbraucher, der ein zweites Schaltmittel umfaßt sowie Ansteuermitteln für die Betätigung der Schaltmittel. Das zweite Schaltmittel ist mittels einer Stromquelle schaltbar. <IMAGE>

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 elektromagnetischen 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 Abschaltgeschwindigkeit und damit die Öffnungs- und Schließzeit des Magnetventils von verschiedenen Parametern ab, wodurch beispielsweise im Falle 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 abschaltbaren Freilaufkreis mit definierter Abschaltgeschwindigkeit zu realisieren. 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 Stromabbaugeschwindigkeit im Magnetventil und damit die Toleranz der Einspritzmenge möglichst gering zu halten.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Lösung mit der Merkmalskombination des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß ein abschaltbarer Freilaufkreis mit definierter Abschaltgeschwindigkeit realisierbar ist, wobei die Abschaltgeschwindigkeit begrenzt und mit geringer Toleranz vorgehbar ist.
    • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Stromlaufplan der ersten Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 Signalverläufe über der Zeit von verschiedenen Punkten der Stromlaufpläne der Figur 1 und Figur 3a und 3b eine zweite und dritte Ausführungsform.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers umfaßt gemäß dem Stromlaufplan in Figur 1 einen elektromagnetischen Verbraucher 1, insbesondere ein elektromagnetisches Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine, und ein damit in Serie geschaltetes Schaltmittel 2.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Schaltmittel 2 als Feldeffekttransistor realisiert, es sind auch Realisierungen mit anderen 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 Freilaufkreis geschaltet. Dieser Freilaufkreis besteht vorzugsweise aus einem 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 Feldeffekttransistor realisiert. Die Anode der Diode 4 ist mit dem Verbraucher 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 Ausführungsform 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 deren 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 Widerstand 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 durchgeschalteten Zustand einen Verbindungspunkt 9 mit einem zweiten Anschluß des Widerstands 8. Der Verbindungspunkt 9 ist mit einem ersten Anschluß eines Widerstands 10 und über einen Widerstand 11 mit einer Referenzspannung UREF verbunden. Der Emitter des Schaltmittels 12, der zweite Anschluß des Widerstands 8 und der zweite Anschluß des Widerstands 10 sind miteinander verbunden. Mit dem Potential des Punktes 9 wird der Basis-Anschluß des Schaltmittels 7 beaufschlagt. Bei dem Ansteuermittel 5A handelt es sich vorzugsweise um dasselbe Ansteuermittel, das auch das Schaltmittel 2 mit Ansteuersignalen 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 Transistoren realisiert.
  • Die Funktion dieser Vorrichtung wird anhand der Figur 2 beschrieben. Durch Ansteuerung des ersten Transistors 2 wird der elektromagnetische 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 Figur 2 aufgetragen. In Figur 2a ist das Ausgangssignal des Ansteuermittels 5, mit dem der Transistor 2 beaufschlagt wird, aufgetragen. Das Ansteuermittel 5 gibt ein impulsförmiges 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 Figur 2b dargestellt steigt ab diesem Zeitpunkt der Strom durch den Verbraucher 1 an. Erreicht der Strom zum Zeitpunkt T2 einen vorgesehenen 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 Freilaufkreis 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 Kraftfahrzeugen steuern. In Figur 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 zugemessen.
  • In Figur 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-Anschluß und dem Gate-Anschluß eine vorgegebene Spannung von ca 10 Volt anliegt.
  • Die Ansteuerung erfolgt wie folgt. Zum Zeitpunkt T1 wird wie in Figur 2e dargestellt der Transistor 12 von dem Ansteuermittel 5A so angesteuert, daß dieser öffnet. Dies bewirkt, daß an dem Spannungsteiler, der durch die Widerstände 10 und 11 gebildet wird, eine solche Spannung am Punkt 9 abfällt, daß der Transistor 7 schließt. Der Schaltzustand des Transistors 7 ist in Figur 2f aufgetragen.
  • Bei geschlossenem Transistor 7 fließt über den Widerstand 6 ein konstanter Strom. Dieser wiederum bewirkt einen konstanten Spannungsabfall am Widerstand 6. Diese konstante Spannung steuert den Transistor 3 derart an, daß dieser wie in Figur 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 wiederum 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 Transistor 7 den Stromfluß durch den Widerstand 6 unterbricht. Dies bewirkt, daß die Spannung am Widerstand 6 auf Null abfällt und der Transistor 3 öffnet.
  • Die Zeitdauer innerhalb der der Transistor 3 öffnet hängt im wesentlichen nur vom Wert des Widerstands 6, von der Spannung am Widerstand 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 zwischen Gate und Source sowie von dem Widerstand 6 ab.
  • Alternativ können auch die in Figur 3a und Figur 3b dargestellten abschaltbaren Konstantstromquellen 20 verwendet werden.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3a sind die entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 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 abgewandten 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 Figur 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 Transistor 18 in Verbindung der von dem Ansteuermittel 5A angesteuert wird. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 17 und dem Transistor 18 ist mit dem Gate-Anschluß des Transistors 16 verbunden.
  • Der Transistor 16 ist vorzugsweise als selbstleitender Feldeffekttransistor bzw. als N-Kanal-Verarmungstyp Feldeffekttransistor realisiert.
  • Wird der Transistor 18 durchgesteuert, so fließt ein Konstant-Strom durch den Widerstand 6. Bei geöffnetem Transistor 18 ist der Stromfluß unterbrochen. Die Konstantstromquelle besteht im wesentlichen nur aus dem (selbstleitenden) N-Kanal-Transistor 16 und dem Widerstand 17.
  • Es lassen sich auch andere, nicht dargestellte Konstantstromquellen verwenden.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers mit einer Serienschaltung des elektromagnetischen Verbrauchers und einem ersten Schaltmittel, mit einem Freilaufkreis für den elektromagnetischen Verbraucher, der ein zweites Schaltmittel umfaßt, mit Ansteuermitteln für die Betätigung der Schaltmittel, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Stromquelle an einem Widerstand 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 gekennzeichnet, daß als Schaltmittel ein Transistor insbesondere ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ansteuermittel für die Schaltmittel wenigstens ein Mikrorechner vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verbraucher um ein elektromagnetischen Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine handelt.
EP94107828A 1993-06-25 1994-05-20 Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers. Withdrawn EP0631292A3 (de)

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DE19934321127 DE4321127A1 (de) 1993-06-25 1993-06-25 Vorrichtung zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Verbrauchers

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EP0631292A3 EP0631292A3 (de) 1995-04-12

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