ES2210950T3 - Un dispositivo de circuitos para el accionamiento de cargas inductivas. - Google Patents
Un dispositivo de circuitos para el accionamiento de cargas inductivas.Info
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Abstract
Un dispositivo de circuitos para el accionamiento de cargas inductivas, que puede estar conectado a una fuente de alimentación (12) de corriente continua y que comprende al menos una rama de circuito (B1, B2) para la conexión con al menos una carga inductiva respectiva (I1, I4; I2, I3), comprendiendo en combinación la al menos una rama de circuito (B1; B2): - un módulo regulador (14) de corriente que tiene una entrada para la conexión a la fuente de alimentación (12), estando conectada su salida durante el funcionamiento a un primer terminal de la al menos una carga inductiva respectiva (I1, I4; I2, I3), comprendiendo el módulo (14) unos primeros medios (Q1) de conmutación electrónica dispuestos para activarse de manera que regulen la corriente a suministrar a la al menos una carga, - unos segundos medios (Q21, Q24; Q22, Q23) de conmutación electrónica, estando asociado cada uno de ellos con una carga respectiva (I1, I4; I2, I3) y que están conectados durante el funcionamiento entre un segundo terminal de la carga y un conductor que se mantiene a un primer potencial de referencia, siendo capaces los segundos medios (Q21, Q24; Q22, Q23) de conmutación de ser activados selectivamente de maneras predeterminadas de forma tal que permiten un flujo de corriente desde la alimentación (12) a través de la carga respectiva (I1, I4; I2, I3) cuando los primeros medios (Q1) de conmutación están activados, y - una red (D1, D21, D24; D1, D22, D23) de recirculación de corriente asociada con la al menos una carga inductiva (I1, I4; I2, I3) con el fin de eliminar la corriente transitoria de descarga que fluye en ella cada vez que se desconecta tal carga de la fuente de alimentación (12) de tensión.
Description
Un dispositivo de circuitos para el accionamiento
de cargas inductivas.
La presente invención está relacionada en general
con un dispositivo de circuitos para el accionamiento de cargas
inductivas, del tipo definido en el preámbulo de la reivindicación
1.
Más específicamente, la invención está
relacionada con un dispositivo de circuitos para actuar sobre
inyectores de carburante de un motor de combustión interna, o
incluso para el accionamiento electromagnético de las válvulas de
tal motor.
El requisito esencial en el accionamiento de
inyectores de carburante o en válvulas electromagnéticas es la
precisión en la definición de los tiempos de accionamiento. En
particular, en el caso de un sistema de inyección directa en el
cual los inyectores de carburante están dispuestos directamente en
las cámaras de combustión, es necesario inyectar cantidades
precisas de carburante en los momentos apropiados, superando la
alta presión que está presente en las cámaras.
Esta precisión puede conseguirse por medio del
accionamiento rápido del inyector o de la válvula, para lo cual es
necesario que las tensiones disponibles sean suficientemente más
altas que la tensión de la batería disponible en la actualidad en
la mayoría de los vehículos (12 voltios). Es necesario también
utilizar un circuito que asegure una rápida recirculación y
posiblemente una recuperación de la corriente de descarga típica en
una carga inductiva, limitando así la disipación hacia un conductor
conectado a tierra.
De acuerdo con la técnica anterior, la corriente
se suministra a la bobina de un inyector por medio de una descarga
resonante de un condensador (la técnica convencional utilizada, por
ejemplo, en la inyección de carburante en los motores Diesel), o
por medio de la descarga parcial de condensadores electrolíticos
que son recargados por medio de la corriente de descarga de la
bobina.
La mayor desventaja de estas soluciones es que no
permiten una sucesión rápida de actuaciones repetidas del mismo
inyector, por ejemplo, con el fin de efectuar una inyección
múltiple, que es preferible en los sistemas de inyección directa
con el fin de optimizar el proceso de combustión. El uso de un
condensador en una configuración resonante no habilita una tensión
adecuada para una rápida actuación del inyector para que esté
disponible en todo momento ya que, tras la descarga resonante, el
condensador tiene que ser recargado desde la batería (o desde otra
fuente de alimentación) antes de que tenga nuevamente la energía
necesaria para hacer funcionar el inyector. También surgen problemas
de eficiencia en un sistema en el cual se utilizan condensadores
electrolíticos recargados por las bobinas del inyector cuando se
requiere rapidez de funcionamiento.
Para impedir estos problemas y con el fin de
accionar inyectores de carburante y/o válvulas electromagnéticas
con mayor rapidez y precisión, el objeto de la invención es un
dispositivo para accionar cargas inductivas que tenga las
características descritas en las reivindicaciones anexas.
En particular, este dispositivo puede comprender
ventajosamente un circuito elevador de tensión para aumentar la
tensión de la batería, cuando no es la adecuada (la batería de un
vehículo motorizado de 12 voltios), a una tensión de accionamiento
de un valor predeterminado que sea independiente del número de
cargas a accionar y que esté disponible siempre para permitir
actuaciones repetidas de la misma carga en una sucesión rápida.
En el dispositivo de acuerdo con la invención, se
disponen también ventajosamente unos medios de filtrado para
eliminar la interferencia eléctrica y electromagnética que se
produce durante el funcionamiento y que es conducida hacia la
alimentación o radiada al exterior, respectivamente.
En la descripción específica siguiente, se
explicarán con mayor detalle otras características y ventajas de la
invención, siendo ofrecida la descripción a modo de ejemplo no
limitativo con referencia a los dibujos anexos, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama de circuitos de un
primer modo de realización del dispositivo de acuerdo con la
invención, y
La figura 2 es un diagrama de circuitos de un
segundo modo de realización del dispositivo de acuerdo con la
invención.
En particular, los dibujos anexos muestran un
dispositivo para accionar inyectores de carburante de un motor de
combustión interna con cuatro cilindros, pero la descripción
siguiente puede ser extendida a un caso más general de
accionamiento de cualquier número de cargas inductivas.
En un primer modo de realización, el circuito
descrito tiene, en su entrada, un elevador 10 de tensión conectado
directamente a una batería 12. La tensión V_{AL} en los
terminales de la batería 12 es elevada a un valor V_{B}
predeterminado en un nodo B de salida del circuito elevador 10.
Al nodo B están conectadas dos ramas del
circuito, accionando cada una de ellas a dos inyectores: una
primera rama B_{1} del circuito acciona los inyectores I1 e I4;
una segunda rama B_{2} del circuito acciona los inyectores I2 e
I3.
Con el fin de mantener la notación en la
descripción siguiente en un mínimo, los elementos de circuito
correspondientes y equivalentes de cada rama están identificados
con los mismos símbolos de referencia.
Cada rama de circuito comprende un módulo
regulador de tensión y un circuito de filtrado, indicados
generalmente como un bloque 14 de modulación. La entrada de este
bloque está conectada directamente al nodo B y su salida está
conectada a un nodo A de la rama; un primer terminal de cada bobina
de inyector correspondiente está conectado directamente al nodo
A.
Un segundo terminal de cada bobina de inyector
está conectado a un conductor de tierra a través de un conmutador
correspondiente Q2n de selección (n = 1 a 4) formado como un
transistor MOSFET.
El módulo regulador de corriente comprende un
interruptor Q1, formado también como un transistor MOSFET,
conectado al nodo B por medio de su electrodo de drenaje, y al
circuito de filtrado por medio de su electrodo fuente.
El circuito de filtrado está representado por un
circuito LC convencional dispuesto en serie entre el electrodo
fuente del transistor Q1 y el nodo A.
Un primer diodo D_{X} conecta el conductor de
tierra a la bobina del filtro LC en el electrodo fuente del
transistor Q1, para la recirculación de la corriente en el filtro
durante los periodos de tiempo en los cuales Q1 está en corte. Un
segundo diodo D_{Y} está conectado entre el nodo A y un nodo al
potencial V_{B} con el fin de limitar a este valor la tensión que
puede alcanzarse por el nodo A durante el funcionamiento.
El dispositivo comprende también una red de
recirculación asociada con las bobinas del inyector para eliminar
la corriente transitoria de descarga que se genera en cada bobina
cada vez que su alimentación es interrumpida por el corte del
transistor Q1 o el correspondiente transistor de selección Q2n.
Esta red de recirculación comprende, para cada
rama del circuito, un primer diodo D1 de recirculación del cual el
ánodo se mantiene al potencial de tierra y el cátodo está conectado
al nodo A, y por tanto al primer terminal de cada carga inductiva
de la rama.
Comprende también una pluralidad de segundos
diodos de recirculación D2n (n = 1 a 4) asociado, cada uno de
ellos, con la respectiva bobina de inyector y teniendo su ánodo
conectado a un segundo terminal de la bobina correspondiente y su
cátodo conectado a un nodo C común a los caminos de recirculación de
todas las bobinas. El nodo común C está conectado al nodo B por
medio de un diodo Zener D_{Z}.
El circuito elevador 10 de entrada está formado
de acuerdo con una configuración conocida. Tiene en su entrada un
condensador C_{AL} de alimentación que es cargado por la batería
a través de un diodo D_{AL} de alimentación. Más delante del
condensador de alimentación está dispuesta una bobina L_{b} en
serie y está conectada a tierra a través de un interruptor Q_{b}.
En serie con la bobina L_{b} está dispuesto un diodo D_{b} que
conecta la bobina con dos condensadores C_{b} de almacenamiento
(C_{b1} y C_{b2}), cuyos electrodos positivos están conectados
directamente al nodo B de salida y tienen el valor predeterminado
V_{B} de tensión, con relación al conductor de tierra.
Durante el funcionamiento, el elevador 10 de
tensión mantiene la tensión V_{B} sustancialmente constante,
recargando los condensadores de almacenamiento cuando la tensión en
sus terminales cae por debajo del valor predeterminado V_{B}.
Una unidad de control (ECU) asociada con el
dispositivo detecta la tensión presente en el nodo B y acciona el
interruptor Q_{b} consecuentemente. Si la tensión V_{B} es
mayor que el valor predeterminado, el transistor Q_{b} está en
corte y los condensadores de almacenamiento se descargan
progresivamente, suministrando corriente a las bobinas de
inyección. Cuando la tensión V_{B} detectada cae por debajo del
valor predeterminado, la unidad de control activa el transistor
Q_{b}, extrayendo corriente de la batería a través del diodo
D_{AL} y de la bobina L_{b} hacia tierra, cargando la bobina. La
unidad de control supervisa también la corriente que fluye en el
transistor Q_{b} y, cuando ésta alcanza una intensidad
predeterminada, hace que Q_{b} quede nuevamente en corte, de
manera que la bobina L_{b} se descarga hacia los condensadores de
almacenamiento que se recargarán consecuentemente. La unidad de
control repite entonces el ciclo cuando detecta de nuevo que la
tensión V_{B} está por debajo del valor predeterminado.
Cada inyector es activado por el accionamiento
del transistor Q1 que pertenece a la rama del circuito a la cual
está conectada la bobina del inyector en cuestión, y del transistor
Q2n correspondiente a esa bobina, por medio de la misma unidad de
control.
El funcionamiento del dispositivo durante el
accionamiento del inyector I1 será descrito a continuación a modo
de ejemplo.
La bobina del inyector I1 se selecciona mediante
la activación del correspondiente transistor Q21 de selección. La
intensidad de la corriente transportada a través de I1 es regulada
por el accionamiento del transistor Q1 de la rama B_{1}, por
medio de señales de habilitación de impulsos modulados en achura
(PWM). La tensión que se establece en el nodo A durante los periodos
de tiempo en los cuales el transistor Q1 está conduciendo es
sustancialmente la tensión V_{B} menos la caída de potencial en
el transistor Q1. Esta tensión está limitada a un valor máximo
V_{B} por la conexión del nodo A esta tensión de referencia por
medio del diodo D_{Y}.
Como la tensión por delante de Q1 varía
rápidamente (modulación PWM), el filtro LC dispuesto más atrás del
cableado para la conexión de los inyectores limita la pendiente de
los frentes de tensión entre el nodo A y tierra y elimina los
componentes de alta frecuencia no deseados del correspondiente campo
eléctrico radiado.
La configuración particular del circuito del
elevador 10 de tensión (y, en particular, la presencia de la bobina
L_{b}) actúa también como un filtro hacia la batería para filtrar
las oscilaciones de corriente que se producen como resultado de la
conmutación de cada uno de los transistores Q1 y Q_{b}.
Si no existe un circuito elevador de tensión
debido a la disponibilidad de una tensión adecuada (por ejemplo 42
voltios) directamente de la batería, se dispone ventajosamente una
inductancia en serie entre la batería y cada rama de circuito como
un filtro para las oscilaciones de corriente hacia la batería.
Durante los periodos de tiempo en los que el
transistor Q1 está en corte, la corriente del inyector es
recirculada a través de un camino constituido por D1, I1 y Q21.
Al final del periodo de actuación del inyector,
el transistor Q21 de selección está también en corte y la
recirculación tiene lugar a través de un camino constituido por D1,
I1, D21 y D_{Z}, hacia los condensadores C_{b} de
almacenamiento. En virtud de esta configuración, con el uso de un
diodo Zener adecuado, es posible llevar la tensión en el nodo C, que
viene dada por la suma de la tensión de referencia V_{B} y la
caída de tensión en D_{Z}, a una tensión preferida tan grande
como se desee, para permitir una rápida descarga de la bobina del
inyector.
La elección de conectar el diodo Zener al nodo B
en lugar de hacerlo al conductor de tierra, permite el uso de un
diodo Zener que tenga una caída de tensión menor en sus terminales
y por tanto menores problemas de disipación, y permite que parte de
la energía procedente de las bobinas del inyector sea recuperada
llevando su corriente de recirculación hacia los condensadores
C_{b} de almacenamiento.
En un modo de realización alternativo ilustrado
en la figura 2, cada rama del circuito está conectada a la batería
12 por medio de un circuito regulador 20 de tensión, que funciona
como un regulador de corriente con conmutación bidireccional para
permitir también que la batería se recargue.
El circuito 20 comprende una bobina L_{b}
dispuesta en serie con la batería, un condensador C_{b} de
almacenamiento cuyo electrodo positivo está conectado al nodo B de
salida y tiene el valor predeterminado V_{B} de tensión con
relación al conductor de tierra, y los transistores Q_{b1} y
Q_{b2} dispuestos por delante de la bobina L_{b} y conectados,
respectivamente, al electrodo positivo del condensador C_{b} y a
tierra. Para completar el circuito, se indican en el dibujo los
diodos parasitarios D_{b1} y D_{b2} entre los electrodos de
drenaje y fuente de los transistores.
Durante el funcionamiento como elevador de
tensión, el circuito 20 se comporta de la misma manera que el
circuito elevador 10 de tensión de la figura 1, el transistor
Q_{b1}, que está activado, correspondiente al diodo D_{b}.
Si el condensador C_{b} de almacenamiento está
sobrecargado por la corriente de recirculación procedente de las
bobinas del inyector, la unidad de control reconoce esta condición
detectando la tensión presente en el nodo B y activa ambos
transistores apropiadamente de manera que permitan al condensador
de almacenamiento liberar corriente hacia la batería, que es
recargada.
Claims (12)
1. Un dispositivo de circuitos para el
accionamiento de cargas inductivas, que puede estar conectado a una
fuente de alimentación (12) de corriente continua y que comprende
al menos una rama de circuito (B1, B2) para la conexión con al
menos una carga inductiva respectiva (I1, I4; I2, I3), comprendiendo
en combinación la al menos una rama de circuito (B1; B2):
- un módulo regulador (14) de corriente que tiene
una entrada para la conexión a la fuente de alimentación (12),
estando conectada su salida durante el funcionamiento a un primer
terminal de la al menos una carga inductiva respectiva (I1, I4; I2,
I3), comprendiendo el módulo (14) unos primeros medios (Q1) de
conmutación electrónica dispuestos para activarse de manera que
regulen la corriente a suministrar a la al menos una carga,
- unos segundos medios (Q21, Q24; Q22, Q23) de
conmutación electrónica, estando asociado cada uno de ellos con una
carga respectiva (I1, I4; I2, I3) y que están conectados durante el
funcionamiento entre un segundo terminal de la carga y un conductor
que se mantiene a un primer potencial de referencia, siendo capaces
los segundos medios (Q21, Q24; Q22, Q23) de conmutación de ser
activados selectivamente de maneras predeterminadas de forma tal
que permiten un flujo de corriente desde la alimentación (12) a
través de la carga respectiva (I1, I4; I2, I3) cuando los primeros
medios (Q1) de conmutación están activados, y
- una red (D1, D21, D24; D1, D22, D23) de
recirculación de corriente asociada con la que al menos una carga
inductiva (I1, I4; I2, I3) con el fin de eliminar la corriente
transitoria de descarga que fluye en ella cada vez que se
desconecta tal carga de la fuente de alimentación (12) de tensión,
comprendiendo la red de recirculación:
un primer diodo (D1) de recirculación cuyo ánodo
se mantiene al primer potencial de referencia y el cátodo se
conecta al primer terminal de la al menos una carga inductiva,
y
al menos un segundo diodo (D21, D24; D22, D23) de
recirculación que está asociado con una respectiva carga (I1, I4;
I2, I3) y cuyo ánodo está conectado a un segundo terminal de la
respectiva carga y el cátodo está conectado a un nodo (C) que puede
ser controlado a un segundo potencial de referencia, estando
controlado el segundo potencial de referencia por los
correspondientes medios de regulación de tensión.
2. Un dispositivo de circuitos según la
reivindicación 1, caracterizado porque al menos una de las
ramas (B1; B2) del circuito comprende un circuito de filtrado
dispuesto entre los primeros medios (Q1) de filtrado y el primer
terminal de la al menos una carga (I1, I4; I2, I3) para filtrar las
componentes armónicas de la tensión que son generadas por delante
de los primeros medios (Q1) de conmutación cuando el circuito está
en funcionamiento.
3. Un dispositivo de circuitos según la
reivindicación 2, caracterizado porque el circuito de
filtrado es un filtro LC.
4. Un dispositivo de circuitos según cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
los medios reguladores de tensión comprenden un diodo Zener
(D_{Z}) cuyo cátodo está conectado al cátodo de al menos un
segundo diodo (D21, D24; D22, D23) de recirculación y cuyo ánodo se
mantiene al primer potencial de referencia.
5. Un dispositivo de circuitos según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los
medios reguladores de tensión comprenden un diodo Zener (D_{Z})
cuyo cátodo está conectado al cátodo de al menos un segundo diodo
(D21, D24; D22, D23) de recirculación y cuyo ánodo está conectado a
la fuente de alimentación (12) de tensión.
6. Un dispositivo de circuitos según cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la
al menos una rama (B1; B2) del circuito puede estar conectada a la
fuente de alimentación (12) de tensión a través de un elevador (10)
de tensión, adaptado para generar una tensión de un valor (V_{B})
predeterminado a partir de la tensión (V_{AL}) de alimentación,
siendo alimentado después el valor predeterminado a la entrada del
módulo (14) regulador de corriente.
7. Un dispositivo de circuitos según cualquiera
de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la al
menos una rama (B1; B2) del circuito puede estar conectada a la
fuente de alimentación (12) de tensión a través de los medios
reguladores de tensión, y porque los medios reguladores de tensión
comprenden un circuito (20) regulador de corriente de conmutación
dispuesto para funcionar como un elevador de la tensión desde la
fuente de alimentación (12) hacia la rama (B1; B2) del circuito y
como un reductor de la tensión desde la rama (B1; B2) del circuito
hacia la fuente de alimentación (12).
8. Un dispositivo de circuitos según la
reivindicación 7, caracterizado porque el circuito (20)
regulador de corriente de conmutación comprende en combinación:
- un elemento inductivo (L_{b}) que tiene un
primer terminal que puede estar conectado a la fuente de
alimentación (12) de corriente continua,
- un elemento capacitivo (C_{b}) que tiene un
primer terminal conectado a un segundo terminal del elemento
inductivo (L_{b}) por medio de un primer interruptor (Q_{b1}),
y un segundo terminal conectado a un conductor de tierra, y
- un segundo interruptor (Q_{b2}) conectado
entre el segundo terminal del elemento inductivo (L_{b}) y el
conductor de tierra, siendo capaz el elemento capacitivo (C_{b})
de:
- recibir una corriente desde el elemento
inductivo (L_{b}) con el fin de aumentar la tensión (V_{B}) en
sus propios terminales de manera que alcance un valor que sea mayor
que la tensión (V_{AL}) suministrada por la fuente de
alimentación (12) y que corresponde al segundo potencial de
referencia;
- recibir una corriente de descarga desde la red
(D1, D21, D24; D1, D22, D23) de recirculación, y
- liberar una corriente hacia la fuente de
alimentación (12) cuando la tensión (V_{B}) en sus propios
terminales haya excedido un valor predeterminado correspondiente al
segundo potencial de referencia.
9. Un dispositivo de circuitos según cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
comprende una unidad de control (ECU) para activar los primeros y
segundos medios (Q1; Q21, Q24, Q22, Q23) de conmutación de maneras
predeterminadas de forma que regule la intensidad de la corriente a
suministrar a la al menos una carga (I1, I4, I2, I3), y de forma tal
que suministre selectivamente la corriente a la al menos una carga
(I1, I4, I2, I3), respectivamente.
10. Un dispositivo de circuitos según la
reivindicación 9, caracterizado porque la unidad de control
(ECU) está adaptada para activar los primeros medios (Q1) de
conmutación por medio de señales de habilitación moduladas en
anchura de impulsos.
11. Un dispositivo de circuitos según cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque
los primeros y segundo medios (Q1; Q21, Q24, Q22, Q23) de
conmutación están formados como transistores MOSFET.
12. Un dispositivo de circuitos según la
reivindicación 8, caracterizado porque el primer y segundo
conmutador (Q_{b1}, Q_{b2}) están formados como transistores
MOSFET.
Applications Claiming Priority (2)
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| ITTO981028 | 1998-12-09 | ||
| IT1998TO001028A IT1303596B1 (it) | 1998-12-09 | 1998-12-09 | Dispositivo circuitale di pilotaggio di carichi induttivi. |
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- 1999-12-06 EP EP99124311A patent/EP1008740B1/en not_active Expired - Lifetime
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