DE10152270B4

DE10152270B4 - Schaltungsanordnung zur Entladung eines Bufferkondensators

Info

Publication number: DE10152270B4
Application number: DE10152270A
Authority: DE
Inventors: Joerg Reineke; Markus Haederle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-20
Filing date: 2001-10-20
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2021-10-21
Also published as: JP2003188700A; JP4124631B2; US6982517B2; FR2831343A1; DE10152270A1; ITMI20022148A1; US20030099071A1; FR2831343B1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Entladung eines Bufferkondensators (10) zur Hochspannungsversorgung einer Piezo-Endstufe (12} innerhalb eines Steuergeräts (14), wobei die Piezo-Endstufe (12) von einer Spannungsquelle (18) über einen Gleichspannungswandler (20) versorgt wird, der Bufferkondensator (10) zwischen dem Gleichspannungswandler (20) und der Piezo-Endstufe (12) angeordnet ist und das Steuergerät (14) ein piezoelektrisches Element (16) ansteuert, gekennzeichnet durch elektronische Schalelemente (Tx), denen nach Trennung des Steuergeräts (14) von dem piezoelektrischen Element (16) oder nach Ausschalten des Steuergeräts (14) der Bufferkondensator (10) entladen wird und ein den Gleichspannungswandler (20) ansteuerndes Ansteuergerät (22) derart in einen Resetzustand versetzt wird, dass durch eine fehlende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (20) ein Wiederaufladen des Bufferkandensators (10) verhindert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Entladung eines Bufferkondensators
zur Hochspannungsversorgung einer Piezo-Endstufe innerhalb eines Steuergeräts, wobei die Endstufe von einer Spannungsquelle über einen Gleichspannungswandler versorgt wird. Der Bufferkondensator ist zwischen dem Gleichspannungswandler und der Piezostufe angeordnet und das Steuergerät steuert ein piezoelektrisches Element an.

Aus der DE 198 54 789 A1 ist eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem Bufferkondensator zur Hochspannungsversorgung einer Piezo-Endstufe innerhalb eines Stelergeräts bekannt. Die Piezo-Endstufe wird von einer Spannungsguelle über einen Gleichspannungswandler versorgt. Der Bufferkondensator ist zwischen dem Gleichspannungswandler und der Piezo-Endstufe angeordnet. Ein nicht dargestelltes Steuergerät steuert die piezoelektrischen Elemente an.

Bei der Ansteuerung von solchen Piezoaktoren treten sehr hohe Spannungen auf die Personen bei einer Berührutng des Stelergeräts gefährden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Gefährdung von Personen bei einer Berührung eines Steuergeräts zur Ansteuerung einer Piezo-Endstufe zu minimieren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Bufferkondensator entladen und dessen Aufladung sicher verhindert wird.

Die DE 199 59 716 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Entladung eines Kondensators eines Stromversorgungsmoduls. Mit Schaltelementen in Form von Transistoren wird der Kondensator nach Herausziehen des Stromversorgungsmoduls aus dem Stromversorgungssystem entladen.

In der JP 08336281 wird ebenfalls eine Einrichtung zum Schutz von Personen vor hohen Spannungen, die an Kondensatoren anliegen, beschrieben. Zum Lösen einer Verbindung wird der Kondensator mittels eines Schaltmittels gezielt entladen.

Es ist bekannt, dass zur Motorsteuerung von Kraftfahrzeugen Steuergeräte zur Ansteuerung von Einspritzsystemen eingesetzt werden. Diese Steuergeräte sorgen für die exakte Steuerung bzw. Regelung von Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt innerhalb eines Verbrennungsmotors. Einspritzsysteme von Kraftfahrzeugen arbeiten mit einem System, bestehend aus einer Einspritzdüse und einem piezoelektrischen Element, welches vom Steuergerät angesteuert wird. Das Steuergerät besteht im Wesentlichen aus einem Ansteuergerät, einer Hochspannungsversorgung, einem Gleichspannungswandler, einem Bufferkondensator und einer Piezo-Endstufe. Der Bufferkondensator dient der Hochspannungsversorgung des Steuergeräts. Das Steuergerät ist mittels eines Steuergerätesteckers über einen Kabelbaumstecker mit der Motorsteuerung verbunden. Steuergeräte für piezoelektrische Elemente arbeiten mit erhöhten Spannungen, die deutlich oberhalb einer Schutzkleinspannung liegen. Derartige erhöhte Spannungen stellen in bestimmten Fällen gegenüber den bisherigen Systemen ein erhöhtes Gefahrenpotential für Personen dar. Vor allem bei abgezogenem Kabelbaumstecker und einem Hardwarefehler innerhalb der Piezo-Endstufe zur gewünschten Ansteuerung eines peripheren piezoelektrischen Elements und der Piezo-Endstufe besteht die Möglichkeit, dass noch Hochspannung am Steuergerätestecker anliegt. Zudem ist es möglich, dass bei abgetrennter Batteriespannungsversorgung oder Abschalten des Steuergeräts noch für eine gewisse Zeit Hochspannung an einigen Baugruppen innerhalb des Steuergeräts an liegt.

Vorteile der Erfindung

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, dass der hochspannungsbehaftete Bufferkondensator der Piezo-Endstufe innerhalb des Steuergeräts durch die Anordnung von elektronischen Schaltelementen nach Trennung des Steuergeräts vom piezoelektrischen Element über Abziehen des Kabelbaumsteckers vom Steuergeärtestecker oder nach Abschalten des Steuergeräts entladen und dessen Aufladung sicher verhindert wird.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung werden dem Bufferkondensator innerhalb der Schaltungsanordnung elektronische Schaltelemente, vorzugsweise npn-schaltende Bipolar-Transistoren oder MOSFET-Transistoren, an denen sich nach Abziehen des Kabelbaumsteckers oder Abschalten des Steuergerätes eine Basis-Emitter-Spannung einstellt, zugeordnet. Dadurch kommt es an der. Transistoren zu Schaltvorgängen, die sicherstellen, dass der Bufferkondensator in kürzester Zeit entladen wird. Ein erster Transistor bewirkt die Entladung des Bufferkondensators, während ein zweiter Transistor für die Abschaltung des Ansteuergerätes innerhalb des Steuergerätes sorgt, wodurch ein erneutes Aufladen des Bufferkondensators verhindert wird. Diese Schaltungsanordnung stellt eine Schutzabschaltung der Hochspannungsversorgung von Steuergeräten dar und die Gefährdung von Personen ist wesentlich reduziert. Die Betriebssicherheit von Systemen, bestehend aus Steuergeräten mit Hochspannungs-Piezo-Endstufen und dem angeschlossenen piezoelektrischen Element, erhöht sich durch diese integrierte Schutzschaltung wesentlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung in einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Schaltungsanordnung in einem zwei ten Ausführungsbeispiel und
3 eine Spannungskennlinie in Abhängigkeit von der Zeit. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt einen Bufferkondensator 10, der von einer Spannungsquelle 18 über einen Gleichspannungswandler 20 mit Hochspannung versorgt wird. Der Bufferkondensator 10 wird in einem Steuergerät 14 zur Hochspannungsversorgung einer Piezo-Endstufe 12 verwendet. Der Gleichspannungswandler 20 und die Piezo-Endstufe 12 werden von einem Ansteuergerät 22 gesteuert. Über einen Steuergerätestecker 30 und einen Kabelbaumstecker 32 sind piezoelektrische Elemente 16 mit der Piezo-Endstufe 12 verbunden. Dem Bufferkondensator 10 ist hochspannungsseitig ein Widerstand R1 und ein Widerstand R2 sowie ein elektronisches Schaltelement T1 und T2 zugeordnet. Die elektronischen Schaltelemente T1, T2 sind vorzugsweise npn-schaltende Bipolar-Transistoren oder MOSFET-Tran sistoren. Die Transistoren T1 und T2 sind an ihrer Basis zum einen mit dem Widerstand R2 verbunden und zum anderen über eine Kabelbaumbrücke 24 im Steuergeräte-/Kabelbaumstecker 30, 32 mit Masse verbunden. Das elektronische Schaltelement T1 ist kollektorseitig mit dem Widerstand R1 verbunden und emitterseitig auf Masse geführt. Das elektronische Schaltelement T2 ist emitterseitig ebenfalls auf Masse geführt, jedoch führt der schaltende Kollektorausgang auf das Ansteuergerät 22.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung führt nach Abziehen des Kabelbaumsteckers 32 vom Steuergerätestecker 30 zu folgender Funktion:
Im Normalbetrieb sind die Basen von Transistor T1 und T2 über die Kabelbaumbrücke 24 im Steuergeräte-/Kabelbaumstecker 30, 32 mit Masse verbunden. An den Basen der Transistoren T1 und T2 liegt somit keine Basis-Emitter-Spannung U an und die Transistoren T1 und T2 sind gesperrt, das heißt nicht schaltend.
Wird der Kabelbaumstecker 32 vom Steuergerätestecker 30 abgezogen, werden die Transistoren T1 und T2 leitend, das heißt diese schalten, da sich über den Widerstand R2 eine Basis-Emitter-Spannung U_{_Buffer} des Bufferkondensators 10 einstellt. Der geschaltete Transistor T1 bewirkt eine sofortige Entladung des Bufferkondensators 10 über den Widerstand R1. Der geschaltete Transistor T2 setzt das Ansteuergerät 22 in einen Resetzustand und verhindert somit eine Nachladung des Bufferkondensators 10 durch die fehlende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 20 durch das Ansteuergerät 22. Der Entladevorgang des Bufferkondensators 10 erfolgt mit einer sich aus dem Widerstand R1 und der Bufferkapazität des Bufferkondensators 10 ergebenden Zeitkonstante. Durch eine entsprechende Dimensionierung wird erreicht, dass die Hochspannung des Bufferkondensators 10 innerhalb einer angemessenen Zeit auf einen Wert unterhalb einer Schutzkleinspannung U_{_grenz} heruntergesetzt wird.
Gemäß 3 ist die Spannung U_{_Buffer} des Bufferkondensators 10 über der Zeit ersichtlich. Erfindungsgemäß wird deutlich erkennbar, dass die Hochspannung des Bufferkondensators 10 zum Zeitpunkt eines Abziehens 36 des Kabelbaumsteckers 32 vom Steuergerätestecker 30 innerhalb kürzester Zeit auf den Grenzspannungswert U_{_grenz} abfällt. Dieser Grenzspannungswert U_{_grenz} ist kleiner/gleich einer vorgeschriebenen Schutzkleinspannung.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, gemäß 2, führt das Abziehen 36 des Kabelbaumsteckers 32 vom Steuergerätestecker 30 erfindungsgemäß ebenfalls zum Abfallen der Hochspannung U_{_Buffer} des Bufferkondensators 10 auf den Grenzspannungswert U_{_grenz. Ferner} wird das Ansteuergerät 22 in einen Resetzustand versetzt. Die dazu verwandte Schaltungsanordnung des zweiten Ausführungsbeispieles zeigt in 2, dass die Basen der elektronischen Schaltelemente T1 und T2 nicht über die Kabelbaumbrücke 24 mit Masse verbunden sind, sondern über die Kabelbaumbrücke 24 an einen Ausgang HR eines zweiten Ansteuergerätes 28 ange schlossen sind. Zwischen der Basis des Transistors T1 und der Kabelbaumbrücke 24 ist ein Widerstand R4 und der Basis des Transistors T2 und der Kabelbaumbrücke 24 ist ein Widerstand R5 geschaltet. Ferner ist die Basis des Transistors T1 über einen Widerstand R3 mit Masse und die Basis des Transistors T2 über einen Widerstand R6 mit Masse verbunden. Der Ausgang HR wird im Ansteuergerät 28 zur Ansteuerung eines Hauptrelais 26 verwendet. Im Normalbetrieb ist das Hauptrelais 26 angesteuert, das heißt, der Ausgang HR und, über die Kabelbaumbrücke 24, die Transistoren T1 und T2 sind über das Ansteuergerät 28 auf Masse geschaltet. An den Basen der Transistoren T1 und T2 liegt somit keine Basis-Emitter-Spannung U an und die Transistoren T1 und T2 sind gesperrt, das heißt nicht durchgesteuert.
Die 2 zeigt weiterhin entsprechend der 1 den Bufferkondensator 10, der von der Spannungsquelle 18 über den Gleichspannungswandler 20 mit Hochspannung versorgt wird. Der Gleichspannungswandler 20 und die Piezo-Endstufe 12 werden von dem Ansteuergerät 22 angesteuert und über den Steuergerätestecker 30 und den Kabelbaumstecker 32 sind die piezoelektrischen Elemente 16 mit der Piezo-Endstufe 12 verbunden. Dem Bufferkondensator 10 sind hochspannungsseitig die Widerstände R1 und R2 sowie die elektronischen Schaltelemente T1 und T2 zugeordnet. Die Transistoren T1 und T2 sind an ihrer Basis, wie in 1, zum einen mit dem Widerstand R2 verbunden und zum anderen über die Kabelbaumbrücke 24 mit dem Ausgang HR des Ansteuergerätes 28 verbunden. Die kollektorseitige Schal tung vom Transistor T1 zum Widerstand R1 und vom Transistor T2 zum Ansteuergerät 22 sowie die emitterseitigen Masseverbindungen der Transistoren T1 und T2 bleiben, wie in 1, unverändert.
Wird nun das Steuergerät 14 extern ausgeschaltet, so schaltet das Ansteuergerät 28 den Ausgang HR des Ansteuergerätes 28 hochohmig. Am Ausgang HR wird sich nun U_{_Bat}einstellen, demzufolge kommt es über die Kabelbaumbrücke 24 zu einer Basis-Emitter-Spannung U an den Transistoren T1 und T2 und diese werden durchgesteuert, das heißt geschaltet. Der geschaltete Transistor T1 bewirkt eine sofortige Entladung des Bufferkondensators 10 über den Widerstand R1. Der geschaltete Transistor T2 setzt das Ansteuergerät 22 in den Resetzustand und verhindert somit, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, eine Nachladung des Bufferkondensators 10 durch die fehlende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers 20 durch das Ansteuergerät 22. Der Entladevorgang des Bufferkondensators 10 erfolgt bei gleichem Widerstand R1 und gleicher Bufferkapazität des Bufferkondensators 10 mit der sich daraus ergebenen Entladungs-Zeitkonstante.
Die dargestellten Widerstände R3 bis R6 dienen der Arbeitspunkteinstellung der Transistoren T1 und T2.
Die in 2 beschriebene Entladeschaltung funktioniert wegen der Kabelbaumbrücke 24 auch beim Abziehen des Kabelbaumsteckers 32 vom Steuergerätestecker 30. Dadurch wird sich, wie in 1 beschrieben, wie derum über den Widerstand R2 eine Basis-Emitter-Spannung U__Buffer des Bufferkondensators 10 einstellen, wodurch der Abschaltvorgang des bereits beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels laut 1 erfolgt. Durch diese Anordnung wird zum einen beim Abziehen des Kabelbaumsteckers 32 vom Steuergerätestecker 30 und zum anderen beim externen Abschalten des Ansteuergerätes 28 gewährleistet, dass die Hochspannung am Bufferkondensator 10 entladen wird und kein Nachladen des Bufferkondensators 10 erfolgt.

Claims

Schaltungsanordnung zur Entladung eines Bufferkondensators (10) zur Hochspannungsversorgung einer Piezo-Endstufe (12} innerhalb eines Steuergeräts (14), wobei die Piezo-Endstufe (12) von einer Spannungsquelle (18) über einen Gleichspannungswandler (20) versorgt wird, der Bufferkondensator (10) zwischen dem Gleichspannungswandler (20) und der Piezo-Endstufe (12) angeordnet ist und das Steuergerät (14) ein piezoelektrisches Element (16) ansteuert, gekennzeichnet durch elektronische Schalelemente (Tx), denen nach Trennung des Steuergeräts (14) von dem piezoelektrischen Element (16) oder nach Ausschalten des Steuergeräts (14) der Bufferkondensator (10) entladen wird und ein den Gleichspannungswandler (20) ansteuerndes Ansteuergerät (22) derart in einen Resetzustand versetzt wird, dass durch eine fehlende Ansteuerung des Gleichspannungswandlers (20) ein Wiederaufladen des Bufferkandensators (10) verhindert wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Steuergeratesteckers (30) die elektronichen Schaltelemente (Tx) über eine Kabelbaumbrücke (24), die Piezo- Endstufe (12), die Spannungsquelle (18) über ein Hauptrelasis (26) und des Austeuergerät (28) mit seinem Hauptrelasis-Ausgang (HR) über einen Kabelbaumstecker (32) mit dem piezoelektrichen Element (16) verbindbar sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden nsprüche, dadurch gekennzeichnet,dass an den Schaltelementen (T1) und (T2) eine den Schaltelement-Kennlinien entsprechende Basis-Emitter-Spannung einstellbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis- Emitter-Spannung (U_{_Buffer}) durch eine erhöhte Bufferspannung des Bufferkondensators (10) über einen Widerstand (R2) erreichbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis-Emitter-Spannung (U_{_Bat}) durch eine Batteriespannung erreichbar ist.
Schaltungsanordnung nach einem dervorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schalzelement (T1) ein Widerstand (R1) zugeordnet ist, der zusammen mit einer Kapazitat des Bufferkondensators (10) eine Entladungs-Zeitkonstante bilder.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schaltelement (T1)Wiederstände (R3) und (R4) zugeordnet sind, die der Arbeitspunkteinstellung des elektronischen Schaltelementes (T1) dienen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, dass dem Schaltelement (T2) Widerstände (R5) und (R6) zugeordnet sind, die der Arbeitspunkteinstellung des elektronischen Schaltelementes (T2) dienen.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1) und (T2) npn-schaltende Bipolar-Transistoren sind.
Schaltungsanordnungnach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (T1) und (T2) MOSFET- Transistoren sind.