DE10041880A1 - Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei elektrischen Verbrauchern - Google Patents
Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei elektrischen VerbrauchernInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei elektrischen Verbrauchern (V1, V2) beschrieben, die während einer gemeinsamen Zeitdauer betrieben werden, wobei die Bestromung der Verbraucher (V1, V2) während des Betriebs getaktet erfolgt. DOLLAR A Die Verbraucher (V1, V2) werden jeweils über einen eigenen elektrisch betätigbaren Schalter (S1, S2) während des Betriebs taktweise ein- und ausgeschaltet, wobei zur Reduzierung von elektromagnetischen Störgrößen mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (DELTAt) eingeschaltet werden und/oder mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (DELTAt) ausgeschaltet werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei
elektrischen Verbrauchern, die während einer gemeinsamen Zeitdauer betrieben
werden, wobei die Bestromung der Verbraucher während des Betriebs getaktet erfolgt.
Die Anforderung, zwei oder mehrere Verbraucher gleichzeitig zu betreiben, gibt es zum
Beispiel im Bereich der Kraftfahrzeugbeleuchtung, wo zum Betrieb von Abblendlicht,
Standlicht etc. jeweils ein Lampenpaar (links und rechts) mit Strom versorgt werden
muß.
Oftmals erfolgt die Bestromung dieser Verbraucher während des Betriebs getaktet, d. h.
die Stromversorgung der Verbraucher erfolgt nicht über einen dauerhaft eingeschalteten
Strom, der zu Beginn des Betriebs einmal eingeschaltet wird und dann erst bei
Betriebsende wieder ausgeschaltet wird. Bei der taktweisen Bestromung der
Verbraucher wird der Strom vielmehr gemäß einer Rechteckimpulsfolge dauernd ein-
und ausgeschaltet. Die getaktete Bestromung eines Verbrauchers hat den Vorteil, daß
der effektive Wert der Spannung am Verbraucher ausgehend von einer zur Verfügung
stehenden Versorgungsspannung in einfacher Weise zum Beispiel über eine
Pulsweitenmodulation auf für den Verbraucher optimale Werte eingestellt und geregelt
werden kann. Zum Beispiel kann so in einem Kraftfahrzeug mit einer höheren
Bordnetzspannung eine 12 V Lampe mit einer reduzierten Effektivspannung zuverlässig
betrieben werden. Darüber hinaus kann mit den Einstell- und Regelmöglichkeiten der
getakteten Bestromung der Betrieb des Verbrauchers mit schädlichen Überspannungen,
die beispielsweise im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges auftreten können, vermieden
werden, wodurch z. B. die Lebensdauer von Lampen verlängert wird. Auch können über
die Taktung von Lampen und die damit erzielte reduzierte Lichtleistung
unterschiedliche Funktionen mit einer Lampe dargestellt werden - z. B. die
Bremslichtfunktion durch eine konstante und die Schlusslichtfunktion durch eine
getaktete Ansteuerung.
Aufgrund der vorgenannten Vorteile kommt die getaktete Bestromung von
Verbrauchern im Bereich der Kraftfahrzeugbeleuchtung und -elektronik immer mehr
zur Anwendung.
Bei der getakteten Bestromung tritt jedoch das Problem der Erzeugung von
Störimpulsen und der Aussendung von elektromagnetischen Störgrößen, das
grundsätzlich bei jedem schnell erfolgenden Ein- und Ausschaltvorgang vorhanden ist,
besonders stark zutage, da hier der Strom dauernd wechselweise ein- und ausgeschaltet
wird. Die Größe der Störimpulse und die Verteilung der Störwellen im
Frequenzspektrum hängt dabei unter anderem ab von der Art der eingesetzten Schalter
(z. B. Halbleiterschalter, Treiber, Relais etc.), von der Größe des Stroms, der geschaltet
wird, sowie von der Flankensteilheit. So können beispielsweise Störspektren im
Frequenzbereich von Lang-, Mittel- und Kurzwelle auftreten, die dann z. B. vom
Verstärker einer Rundfunkempfangsantenne eines Kraftfahrzeugs mitverstärkt werden
und den Rundfunkempfang beträchtlich stören würden.
Der Betrieb von elektrischen Verbrauchern mit einer getakteten Bestromung ist daher
unter dem Geschichtspunkt der elektromagnetischen Verträglichkeit problematisch,
insbesondere dann, wenn zwei oder mehrere Verbraucher gleichzeitig getaktet betrieben
werden, da dann mehrere Störquellen vorhanden sind.
Ein bekannte Möglichkeit zur Begrenzung der Störsignale besteht darin, neben den
Schaltern elektronische Zusatzbauteile einzusetzen, die die Anstiegsflanken der
getakteten Schaltsignale flacher (länger) machen sollen. Problematisch hierbei ist
jedoch, daß dadurch auch die Verlustleistung in den elektrisch betätigbaren Schaltern
steigt. Durch den Anstieg der Verlustleistung, bei der ebenfalls kritische Werte nicht
überschritten werden dürfen, stößt man mit dieser Methode der Störsignalbegrenzung
schnell auf Grenzen. Darüber hinaus sind solche Zusatzbauteile unter
Kostengesichtspunkten sowie aus baulichen und fertigungstechnischen Gründen nicht
erwünscht bzw. auf ein Minimum zu beschränken.
Eine weitere bekannte Möglichkeit, die Aussendung von Störwellen zu begrenzen,
besteht in der Vorsehung einer Abschirmung. Eine solche Abschirmung verursacht
jedoch ebenfalls zusätzliche Kosten und ist aus konstruktiven Gründen oftmals nicht
möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren für den getakteten Betrieb von zwei
oder mehreren Verbrauchern zu schaffen, die gleichzeitig betrieben werden, wobei mit
diesem Verfahren in einfacher und kostengünstiger Weise eine Begrenzung der
Störsignale erreicht werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbraucher jeweils über
einen eigenen elektrisch betätigbaren Schalter während des Betriebs taktweise ein- und
ausgeschaltet werden, wobei mindestens zwei Schalter jeweils zeitversetzt im Abstand
einer Schaltzeit-Differenz (Δt) eingeschaltet werden und/oder mindestens zwei Schalter
jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (Δt) ausgeschaltet werden.
Durch das zeitversetzte Ein- und/oder Ausschalten der Verbraucher wird in vorteilhafter
Weise erreicht, daß die Störsignale, die beim Schalten der einzelnen Verbraucher
auftreten sich nicht zeitgleich überlagern. Damit wird sicher vermieden, daß das
Gesamtstörsignal, das von den Verbrauchern erzeugt wird, zu keiner Zeit über einer
kritischen Schwelle liegt. Die Überlagerung der Störsignale beim Ein- und/oder
Ausschalten der einzelnen Verbraucher, die zu einer kritischen Größe des
Gesamtstörsignals führen würde, wird somit in einfacher und kostengünstiger Weise bei
reduziertem Einsatz von Zusatzbauelementen und ohne Abschirmung verhindert. Die
Wirkung wird erzielt durch die verfahrensgemäße Steuerung der Ein- und/oder
Ausschaltreihenfolge durch Einführung der Schaltzeit-Differenz. Dabei ist die
Schaltzeit-Differenz so gewählt ist, das der Schalter von mindestens einem Verbraucher
erst dann ein- oder ausgeschaltet wird, wenn mindestens ein anderer Verbraucher einen
stabilen (störungsfreien) Schaltzustand erreicht hat.
Die Umsetzung dieses Verfahrens erfolgt vorzugsweise über ein Software-Programm,
das von einem Mikrokontroller in einer Steuereinheit zur Ansteuerung der Verbraucher
abgearbeitet wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert
werden.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer 1. Schaltungsvariante für den getakteten Betrieb
von zwei Verbrauchern, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
angesteuert werden,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer 2. Schaltungsvariante für den getakteten Betrieb
von zwei Verbrauchern, die gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
angesteuert werden,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Schaltungsvariante von Fig. 1, jedoch mit eifler
zusätzlichen Meßeinheit,
Fig. 4 eine Oszillogrammaufzeichnung für die Ein- und Ausschaltsignale von
zwei getaktet betriebenen Verbrauchern nach dem Stand der Technik
sowie das korrespondierende Gesamtstörsignal,
Fig. 5 eine Oszillogrammaufzeichnung für die Ein- und Ausschaltsignale von
zwei getaktet betriebenen Verbrauchern gemäß des erfindungsgemäßen
Verfahrens sowie das korrespondierende Gesamtstörsignal.
In Fig. 1 ist eine 1. Schaltungsvariante zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens für den getakteten Betrieb von 2 Glühlampen als Verbraucher (V1, V2)
dargestellt. Die getaktete Bestromung erfolgt über jeweils einen elektrisch betätigbaren
Schalter (S1, S2), z. B. ein Halbleiterschalter, die die Verbraucher im eingeschalteten
Zustand jeweils mit der Versorgungsspannung (UB) verbinden. Dabei werden von einer
Steuereinheit (z. B. ein Mikrokontroller) für jeden Schalter getaktete Ein- und
Ausschaltsignale erzeugt, mit denen die Schalter (S1, S2) beaufschlagt werden. Je nach
verwendetem Schaltertyp erfolgt dabei das Einschaltern durch eine fallende Flanke und
das Ausschalten durch eine steigende Flanke oder umgekehrt. Zur Bewirkung der
Schaltzeit-Differenz (Δt) sind die beiden getakteten Schaltsignale gegeneinander
phasenverschoben. Die Phasenverschiebung bzw. die Schaltzeit-Differenz wird in dieser
Schaltungsvariante mittels eines Timers aus den Taktsignalen eines Taktgebers in der
Steuereinheit erzeugt. Zur Bewirkung der Phasenverschiebung bzw. der Schaltzeit-
Differenz können auch zwei verschiedene Taktgeber verwendet werden. Taktgeber und
Timer können als integraler Bestandteil der Steuereinheit oder als mit ihr verbundene
externe Bausteine ausgebildet sein.
In Fig. 2 ist eine 2. Schaltungsvariante zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gezeigt. In diesem Fall erzeugt die Steuereinheit an sich über einen
Taktgeber für die beiden Schalter (S1, S2) zwei synchrone, nicht phasenverschobene
getaktete Ein- und Ausschaltsignale. Die Schaltzeit-Differenz (Δt) wird in diesem Fall
durch ein Verzögerungsglied in der Schaltsignalleitung von der Steuereinheit zum 2.
Schalter (S2) erzeugt. Als Verzögerungsglied kommt z. B. ein analoges RC-Glied oder
ein digitaler Timer-Baustein in Frage.
Um die an den Verbrauchern (V1, V2) anliegende effektive Betriebsspannung
einzustellen und zu regeln, wird zusätzlich die Pulsweite der taktweise ein- und
ausgeschalteten Verbraucher moduliert. Dabei ist es erfindungsgemäß im
Zusammenhang mit der Pulsweitenmodulation optional vorgesehen, die Schaltzeit-
Differenz (Δt) in Abhängigkeit von der Pulsweite ebenfalls zu verändern, um auch hier
sicherzustellen, daß der eine Schalter immer erst dann ein- oder ausgeschaltet wird,
wenn der andere Verbraucher einen stabilen Schaltzustand erreicht hat.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird zu
Kontrollzwecken die ordnungsgemäße Bestromung der Verbraucher gemessen. Mit
dieser Messung kann z. B. eine Lampenfunktionskontrolle durchgeführt werden. Um bei
den erfindungsgemäß zur Begrenzung der Störsignale phasenverschobenen
Schaltsignalen eine sinnvolle Messung durchführen zu können, ist der Meßzeitpunkt
(Abtastzeitpunkt) oder das Meßzeit-Intervall und/oder der Meßwert-Auslesezeitpunkt
oder das Meßwertauslese-Intervall auf den stabilen Einschaltzustand des zu
kontrollierenden Verbrauchers einstellbar. Für diesen Zweck werden die Zeitpunkte
oder Intervalle für die Messung bzw. das Auslesen der Meßwerte direkt mit den
phasenverschobenen Schaltsignalen korreliert und/oder in Abhängigkeit von der
Schaltzeit-Differenz (Δt) eingestellt. Für die Meßeinheit und die Ausleseeinheit kann
man
auf bekannte Einheiten (z. B. AD-Wandler) zurückgreifen.
Fig. 3 zeigt die Schaltungsvariante von Fig. 1, die hier um eine Meßeinheit
(schematisch dargestellt) für Kontrollmessungen erweitert wurde. Dabei wird die
Meßeinheit durch Umschaltung eines Multiplexers wahlweise mit dem einen oder dem
anderen Verbraucher (V1, V2) verbunden. Der Umschaltzeitpunkt wird dabei unter
Berücksichtigung der Schaltzeit-Differenz (Δt) bestimmt. Vorzugsweise wird neben der
Schaltzeit-Differenz (Δt) noch eine zusätzliche Verzögerungszeit für die
Meßumschaltung mit einbezogen, damit der zu kontrollierende Verbraucher sich im
einem stabilen Einschaltzustand befindet.
Die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der
Gegenüberstellung der Fig. 4 und 5 deutlich. In Fig. 4 eine
Oszillogrammaufzeichnung für die Ein- und Ausschaltsignale von zwei nach dem Stand
der Technik getaktet betriebenen Verbrauchern sowie das korrespondierende Störsignal
auf der Versorgungsleitung dargestellt. Fig. 5 zeigt die Oszillogrammaufzeichnung für
zwei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren getaktet betriebene Verbraucher. Wie
deutlich zu erkennen ist, ist die Amplitude des Störsignals beim Verfahren gemäß des
Standes der Technik aufgrund der Überlagerung der beiden zeitgleichen Störsignale
wesentlich größer als beim erfindungsgemäßen Verfahren.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf den Betrieb von 2
Verbrauchern beschränkt. Vielmehr werden die Vorteile des Verfahrens um so größer je
mehr Verbraucher betrieben werden sollen.
Claims (12)
1. Verfahren zum Betreiben von mindestens zwei elektrischen Verbrauchern
(V1, V2), die während einer gemeinsamen Zeitdauer betrieben werden, wobei die
Bestromung der Verbraucher (V1, V2) während des Betriebs getaktet erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbraucher (V1, V2) jeweils über einen eigenen elektrisch betätigbaren Schalter (S1, S2) während des Betriebs taktweise ein- und ausgeschaltet werden, wobei
mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (Δt) eingeschaltet werden und/oder
mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (Δt) ausgeschaltet werden.
die Verbraucher (V1, V2) jeweils über einen eigenen elektrisch betätigbaren Schalter (S1, S2) während des Betriebs taktweise ein- und ausgeschaltet werden, wobei
mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (Δt) eingeschaltet werden und/oder
mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils zeitversetzt im Abstand einer Schaltzeit-Differenz (Δt) ausgeschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
von einer Steuereinheit Ein- und Ausschaltsignale erzeugt werden, mit denen die
Schalter (S1, S2) beaufschlagt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
von der Steuereinheit die Taktsignale eines Taktgebers für die Erzeugung der
Einschalt- und Ausschaltsignale verwendet werden, wobei die getakteten
Einschalt- und/oder die getakteten Ausschaltsignale für die Beaufschlagung von
mindestens zwei Schaltern (S1, S2) zur Bewirkung der Schaltzeit-Differenz (Δt)
phasenverschoben sind.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
von der Steuereinheit (Δt) die Schaltzeit-Differenz mittels eines Timer-Bausteins
aus den Taktsignalen des Taktgebers erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
von der Steuereinheit die Schaltzeit-Differenz (Δt) mittels eines Timer-Bausteins
aus den Taktsignalen eines weiteren Taktgebers erzeugt wird, während die
getakteten Schaltsignale für die Beaufschlagung der Schalter (S1, S2) aus den
Taktsignalen des ersten Taktgebers erzeugt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
von der Steuereinheit für mindestens zwei Schalter (S1, S2) jeweils ein
gemeinsames Einschalt- und/oder Ausschaltsignal erzeugt wird, wobei die
Beaufschlagung von mindestens einem Schalter (S2) mit dem Einschalt- und
Ausschaltsignal über ein Verzögerungsglied um die Schaltzeit-Differenz (Δt)
später erfolgt als die jeweilige Schaltsignal-Beaufschlagung von mindestens
einem anderen Schalter (S1).
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Schaltzeit-Differenz so gewählt ist, daß der Schalter von mindestens einem
Verbraucher erst dann ein- oder ausgeschaltet wird, wenn mindestens ein
anderer Verbraucher einen stabilen Schaltzustand erreicht hat.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Pulsweite der taktweise ein- und ausgeschalteten Verbraucher moduliert
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltzeitdifferenz in Abhängigkeit der Pulsweite geändert wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Bestromung von mindestens einem der Verbraucher gemessen wird, wobei
der Meßzeitpunkt oder das Meßzeitintetvall und/oder der Meßwert-
Auslesezeitpunkt oder das Meßwertauslese-Intervall auf den stabilen
Einschaltzustand dieses Verbrauchers einstellbar sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Meßzeitpunkt oder das Meßzeitintervall und/oder der Meßwert-
Auslesezeitpunkt oder das Meßwertauslese-Intervall in Abhängigkeit von den
Schaltsignalen und/oder der Schaltzeitdifferenz für den Schalter dieses
Verbrauchers eingestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die Messung von einer Meßeinheit durchgeführt wird, wobei die Meßeinheit
und/oder eine Meßwert-Ausleseeinheit über einem Multiplexer mit mindestens
zwei Verbrauchern verbindbar sind, wobei die Meßeinheit und/oder eine
Meßwert-Ausleseeinheit durch Umschaltung des Multiplexers wahlweise mit
dem einen oder dem anderen Verbraucher verbindbar ist und der
Umschaltzeitpunkt unter Berücksichtigung der Schaltzeit-Differenz zwischen
diesen beiden Verbrauchern bestimmt wird.
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