DE102004041221A1

DE102004041221A1 - Vorrichtung zur Reduzierung des Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors

Info

Publication number: DE102004041221A1
Application number: DE200410041221
Authority: DE
Inventors: Detlef Lauk; Achim Hawighorst
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-08-26
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2006-03-02

Abstract

Vorgestellt wird eine Vorrichtung (10, 100) zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors (12, 30), insbesondere eines elektrischen Scheibenwischermotors eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten Anschluss (24, 38) sowie mit mindestens einem weiteren Anschluss (26, 40, 46) für jede der Stufen des Elektromotors (12, 30), wobei zwischen dem ersten Anschluss (24, 38) und dem mindestens einen weiteren Anschluss (26, 40, 46) zumindest ein Kondensator (18, 42) liegt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem zumindest einen Kondensator (18, 42) ein Halbleiterbauelement (20) geschaltet ist, das sowohl zur Impulsbegrenzung als auch als Verpolungsschutz dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Die in Kraftfahrzeugen eingesetzten Elektromotoren verursachen oftmals Störungen, die insbesondere den Radioempfang beeinträchtigen oder andere elektronische Fahrzeugkomponenten beeinflussen können. Um diese Störungen zu vermeiden, werden so genannten Entstörfilter eingesetzt, die zumindest über einen Kondensator verfügen. Aus der DE 198 45 862 A1 ist eine Entstörschaltung, insbesondere zum Entstören des Wischermotors eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest zwei Kondensatoren, die zwischen einem gemeinsamen und zwei getrennten Anschlüssen liegen, und einer Impulsbegrenzung bekannt. Zur Impulsbegrenzung ist jedem Kondensator die Reihenschaltung aus der Kathoden-Anoden-Strecke einer Diode und der Anoden-Kathoden-Strecke einer Zenerdiode parallel geschaltet. Die Entstörschaltung kann als Entstörmodul in eine Entstörschaltung, welche in einem Kondensatorgehäuse vorgesehen ist, eingebaut werden, wobei das Kondensatorgehäuse drei Kontaktanschlüsse aufweist, die in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander stehen, unabhängig von der Anzahl der Entstörbauelemente.

Vorteile der Erfindung

Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors, insbesondere eines elektrischen Scheibenwischermotors eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten gemeinsamen Anschluss sowie mit zumindest einem weiteren getrennten Anschluss für jede der Stufen des Elektromotors, wobei zwischen dem ersten gemeinsamen Anschluss und den weiteren getrennten Anschlüssen jeweils zumindest ein Kondensator liegt, den Vorteil auf, dass parallel zu dem zumindest einen Kondensator ein Halbleiterbauelement geschaltet ist, das sowohl zur Impulsbegrenzung als auch als Verpolungsschutz dient. Auf diese Weise ist durch die Verwendung eines einziges Halbleiterbauelements je Stufe des Elektromotors gewährleistet, dass zum Einen mit dem Elektromotor in elektrischer Verbindung stehende Komponenten vor einer durch das Ab- oder Umschalten des Elektromotors hervorgerufenen Überspannung geschützt sind und zum Anderen auch der Elektromotor selbst nicht durch eine mögliche Verpolung gefährdet ist. Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass durch die Realisierung von Impulsbegrenzung und Verpolungsschutz durch ein Halbleiterbauelement eine Reduzierung des Platzbedarfs sowie eine Verringerung der erforderlichen Lötstellen gewährleistet ist.

In vorteilhafter Weise sind die Kondensatoren und die Halbleiterbauelemente in einem gemeinsamen Kombielement integriert, so dass der Anschluss an den Elektromotor deutlich vereinfacht und für verschieden Elektromotoren kompatibel gestaltet werden kann. Ein derartiges Kombielement führt somit zu einer deutlichen Kostenersparnis gegenüber proprietären Vorrichtungen. In diesem Zusammenhang weist das Kombielement einen ersten gemeinsamen Anschluss sowie zumindest einen weiteren getrennten Anschluss für jede Stufe des Elektromotors auf, wobei die Anschlüsse unabhängig von der Anzahl der Entstörbauelemente in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander stehen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.

Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 5 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Es zeigen
1: ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors (1a) sowie ein entsprechendes Kombielement (1b),
2: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors (2a) sowie ein entsprechendes Kombielement (2b),
3: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors (3a) sowie ein entsprechendes Kombielement (3b),
4: ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors (4a) sowie ein entsprechendes Kombielement (4b) und
5: Diagramme des zeitlichen Spannungsverlaufs beim Abschalten eines Elektromotors unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (5a) sowie unter Verwendung einer Entstörvorrichtung nach dem Stand der Technik (5b).
Beschreibung
In 1a ist das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors 12 dargestellt, wobei die erste Stufe einen Einschaltzustand des Elektromotors 12 definiert. Der Elektromotor 12 verfügt über einen ersten Kontakt 14 und einen zweiten Kontakt 16, wobei der erste Kontakt 14 mit einer elektrischen Masse GND und der zweite Kontakt 16 mit einem ersten Versorgungspotential V₁, beispielsweise 12V, verbunden ist. Ebenfalls mit dem ersten und dem zweiten Kontakt 14 und 16 des Elektromotors 12 ist ein Kondensator 18, dem ein Halbleiterbauelement 20 parallel geschaltet ist, verbunden. Das Halbleiterbauelement 20 ist als eine Vierschichtdiode 22 ausgeführt, deren Anode A_V mit der elektrischen Masse GND bzw. dem ersten Kontakt 14 des Elektromotors 12 über einen ersten Anschluss 24 und deren Kathode K_V mit dem ersten Versorgungspotential V₁ bzw. dem zweiten Kontakt 16 des Elektromotors 12 über einen weiteren Anschluss 26 verbunden ist.
Vierschichtdioden werden oftmals auch als Thyristordioden, Triggerdioden oder Kippdioden bezeichnet, die aus vier Halbleiter-Schichten wechselnder Dotierung bestehen und demzufolge drei pn-Übergänge aufweisen. Die Vierschichtdiode 22 vereint durch ihre Spannungsfestigkeit sowie eine erforderliche Zündspannung in Durchlassrichtung (Anoden-Kathoden-Strecke), die deutlich über der üblichen Versorgungsspannung V₁ des Elektromotors 12 liegt, die Reduzierung eines Abschaltimpulses mit einem Verpolungsschutz des Elektromotors 12 in einem einzigen Halbleiterbauelement 20.
In 1b ist die aus der Parallelschaltung des Kondensators 18 und der Vierschichtdiode 22 gebildete Vorrichtung 10 in einem gemeinsamen Kombielement 28, zum Beispiel auf einer Leiterplatte innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, integriert, wobei wiederum die Anode A_V der Vierschichtdiode mit dem ersten Anschluss 24 und die Kathode K_V der Vierschichtdiode 22 mit dem weiteren Anschluss 26 verbunden ist. Weiterhin ist das Kombielement 28 über den ersten Anschluss 24 mit dem ersten Kontakt 14 des Elektromotors 12 sowie mit der elektrischen Masse GND und über den weiteren Anschluss 26 mit dem zweiten Kontakt 16 des Elektromotors 12 sowie der Versorgungsspannung V₁ verbindbar ausgeführt.
2a zeigt das Schaltbild einer der gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erweiterten, erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Reduzierung des Abschaltimpulses bei einem zweistufig ansteuerbaren Elektromotor 30, wobei die erste Stufe den Einschaltzustand und die zweite Stufe einen Betrieb des Elektromotors 30 mit einer vom normalen Einschaltzustand abweichenden Geschwindigkeit definiert. Alternativ ist es auch möglich, für die zweite Stufe einen Intervallbetrieb vorzusehen.
Der Elektromotor 30 weist einen ersten Kontakt 32 auf, der mit der elektrischen Masse GND verbunden ist. Zur Aktivierung der beiden Stufen enthält der Elektromotor 30 darüber hinaus noch einen zweiten, mit dem Versorgungspotential V₁ verbundenen Kontakt 34 und einen dritten, mit einem weiteren Versorgungspotential V₂ verbundenen Kontakt 36, wobei die Versorgungspotentiale V₁ und V, gleich oder unterschiedlich groß sein können. Wie bereits in 1a erläutert, ist mit dem ersten und dem zweiten Kontakt 32 und 34 des Elektromotors 30 ein erster Kondensator 18, dem ein erstes Halbleiterbauelement 20 parallel geschaltet ist, verbunden. Das Halbleiterbauelement 20 ist wiederum als Vierschichtdiode 22 ausgeführt, deren Anode A_V mit der elektrischen Masse GND bzw. dem ersten Kontakt 32 des Elektromotors 30 über einen ersten Anschluss 38 und deren Kathode K_V mit dem ersten Versorgungspotential V₁ bzw. dem zweiten Kontakt 34 des Elektromotors 12 über einen zweiten Anschluss 40 verbunden ist. In gleicher Weise ist eine weitere, aus einem zweiten Kondensator 42 und einer zweiten Vierschichtdiode 44 bestehende Parallelschaltung, die eine Impulsbegrenzung sowie einen Verpolungsschutz für die zweite Stufe des Elektromotors 30 sicherstellen soll, mittels des ersten Anschlusses 38 und eines dritten Anschlusses 46 mit dem ersten Kontakt 32 und dem dritten Kontakt 36 des Elektromotors 30 verbunden.
2b zeigt ein aus den beiden Kondensatoren 18 und 42 sowie den beiden dazu jeweils parallel geschalteten Vierschichtdioden 22 und 44 gebildetes Kombielement 280 mit dem ersten Anschluss 38 und den beiden weiteren Anschlüssen 40 und 46. Dabei sind die Anoden A_V beider Vierschichtdioden 22 und 44 mit dem ersten Anschluss 38 verbunden, während die Kathode K_V der ersten Vierschichtdiode 22 an dem Anschluss 40 und die Kathode K_V der zweiten Vierschichtdiode 44 an dem Anschluss 46 liegt. Das Kombielement 280 ist nun in einfacher Weise mit den entsprechenden Kontakten 32, 34 und 36 des Elektromotors 30 sowie jeweils mit der elektrischen Masse GND und den Versorgungspotentialen V₁ und V₂ verbindbar, wobei in vorteilhafter Weise die Anschlüsse 38, 40 und 46 des Kombielements 280 unabhängig von der Anzahl der Entstörbauelemente 18, 20, 22, 42, 44 in einem festen, räumlichen Verhältnis zueinander stehen.
In 3a ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Reduzierung des Abschaltimpulses des Elektromotors 12 aufgezeigt, das sich von dem in der 1 gezeigten, ersten Ausführungsbeispiel durch die Verwendung eines anderen Halbleiterbauelements 20 unterscheidet. So kommt nun ein Thyristor 48 zum Einsatz, der in gleicher Weise wie die Vierschichtdiode 22 parallel zum Kondensator 18 derart geschaltet wird, dass seine Anode A_T über den ersten Anschluss 24 mit dem ersten Kontakt 14 des Elektromotors 12 sowie mit der elektrischen Masse GND und mit seiner Kathode K_T über den zweiten Anschluss 26 mit dem zweiten Kontakt 16 des Elektromotors 12 sowie mit dem Versorgungspotential V₁ verbindbar ist. Über einen Widerstand 50, der zum Einen mit dem ersten Anschluss 24 und zum Anderen mit einem Gateanschluss G_T des Thyristors 48 verbunden ist, lässt sich nun ein Verpolungsschutz realisieren, der erst ab einem definierten Zündstrom bzw. einer sich daraus ergebenden Zündspannung, die deutlich größer als das Versorgungspotential V₁ ist, den Thyristor 48 vom Sperrzustand in den Durchlasszustand schaltet. Die Dimensionierung des Widerstands 50 hängt dabei vom verwendeten Thyristor 48 sowie von der entsprechenden Zündspannung und dem Versorgungspotential V₁ ab.
3b zeigt das dem in 3a dargestellten, dritten Ausführungsbeispiel entsprechende Kombielement 28, auf dessen Aufbau und Funktionsweise nun jedoch nicht mehr näher eingegangen werden soll, da diese bereits oben erläutert wurden. Auch hier ist es zweckmäßig, die Anschlüsse 24 und 26 derart anzuordnen, dass sie unabhängig von der Anzahl der Entstörbauelemente 18, 20, 48, 50 in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander stehen.
Das in 4a gezeigte, vierte Ausführungsbeispiel entspricht wiederum dem in der 2a dargestellten, zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Reduzierung des Abschaltimpulses des zweistufig angesteuerten Elektromotors 30, wobei nun ein erster und ein zweiter Thyristor 48 und 52 statt der beiden Vierschichtdioden 22 und 44 zur Impulsreduzierung und als Verpolungsschutz in Parallelschaltungen mit den Kondensatoren 18 und 42 zum Einsatz kommen. Beide Thyristoren 48 und 52 sind mit ihren Anoden A_T gemeinsam mit dem Anschluss 38 sowie mit der elektrischen Masse GND und dem ersten Kontakt 32 des Elektromotors 30 verbunden, während ihre Kathoden K_T jeweils getrennt über die weiteren Anschlüsse 40 und 46 an den Versorgungspotentialen V₁ und V₂ sowie dem zweiten Kontakt 34 für die erste Stufe und dem dritten Kontakt 36 für die zweite Stufe des Elektromotors 30 liegen. Weiterhin besteht eine Verbindung der jeweiligen Gateanschlüsse G_T der beiden Thyristoren 48 und 52 über den Widerstand 50 mit dem Anschluss 38 zum Zwecke des oben beschriebenen Verpolungsschutzes. Dabei kann es auch zweckmäßig sein, für jeden Thyristor 48, 52 einen separaten Widerstand vorzusehen.
4b zeigt das dem in 4a dargestellten, vierten Ausführungsbeispiel entsprechende Kombielement 280, auf dessen Aufbau und Funktionsweise nicht mehr näher eingegangen werden soll, da diese bereits oben beschrieben wurden. Wiederum ist es zweckmäßig, die Anschlüsse 38, 40 und 46 derart anzuordnen, dass sie unabhängig von der Anzahl der Entstörbauelemente 18, 20, 42, 48, 50, 52 in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander stehen.
In 5 sind die Verläufe der Spannungen U beim Abschalten des Elektromotors 12, 30 in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt, wobei 5a den Abschaltimpuls ab dem Zeitpunkt t₀ bei Verwendung des Thyristors 48, 52 aufzeigt, während für 5b ein Varistor nach dem Stand der Technik zur Impulsbegrenzung eingesetzt wurde. Das Versorgungspotential V₁ entspricht in beiden Fällen einer Spannung von ca. 14,4V. Sehr deutlich zu erkennen ist die signifikante Reduzierung der negativen Abschaltspannung bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, 100. So konnte diese gegenüber der Impulsreduzierung mittels Varistor gemäß 5b von ca. –45V auf nur noch ca. –10V (5a) reduziert werden. Ebenso fällt auf, dass die zeitliche Ausdehnung des Abschaltimpulses bei Verwendung des Thyristors 48, 52 im Vergleich zum Varistor weitaus geringer ausfällt. Während der Abschaltimpuls in 5a bereits nach lediglich ca. 200μs einen eingeschwungenen Zustand erreicht, führt das Abschalten mittels Varistor zu einem Abschaltimpuls, der sich mit ca. 2ms über mehr als die 10-fache Dauer erstreckt.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 4 noch auf die genannten Werte, beispielsweise für das Versorgungspotential V₁, die Anzahl der Stufen zur Ansteuerung des Elektromotors oder die Spannungs- und Zeitwerte gemäß 5, beschränkt sind. Weiterhin ist es ebenso möglich, mehrere Kondensatoren pro Stufe in Reihe oder parallel zu schalten.

Claims

Vorrichtung (10, 100) zur Reduzierung eines Abschaltimpulses eines in Stufen ansteuerbaren Elektromotors (12, 30), insbesondere eines elektrischen Scheibenwischermotors eines Kraftfahrzeugs, mit einem ersten Anschluss (24, 38) sowie mit mindestens einem weiteren Anschluss (26, 40, 46) für jede der Stufen des Elektromotors (12, 30), wobei zwischen dem ersten Anschluss (24, 38) und dem mindestens einen weiteren Anschluss (26, 40, 46) zumindest ein Kondensator (18, 42) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem zumindest einen Kondensator (18, 42) ein Halbleiterbauelement (20) geschaltet ist, das sowohl zur Impulsbegrenzung als auch als Verpolungsschutz dient.
Vorrichtung (10, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (18, 42) und die dazu parallel geschalteten Halbleiterbauelemente (20) in einem gemeinsamen Kombielement (28, 280) zum Anschluss an den Elektromotor (12, 30) integriert sind.
Vorrichtung (10, 100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombielement (28, 280) einen ersten Anschluss (24, 38) sowie zumindest einen weiteren Anschluss (26, 40, 46) für jede Stufe des Elektromotors (12, 30) aufweist.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (20) eine Vierschichtdiode (22, 44) ist, wobei die Vierschichtdiode (22, 44) mit ihrer Anode (A_V) an den ersten Anschluss (24, 38) und mit ihrer Kathode (K_V) an den weiteren Anschluss (26, 40, 46) geschaltet ist.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement (20) ein Thyristor (48, 52) ist, wobei der Thyristor (48, 52) mit seiner Anode (A_T) an den ersten Anschluss (24, 38), mit seiner Kathode (K_T) an den weiteren Anschluss (26, 40, 46) und mit seinem Gateanschluss (G_T) über einen Widerstand (50) an den ersten Anschluss (24, 38) geschaltet ist.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (24, 26, 38, 40, 46) unabhängig von der Anzahl der Entstörbauelemente (18, 20, 22, 42, 44, 48, 50, 52) in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander stehen.
Vorrichtung (10, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe des Elektromotors (12, 30) einen Einschaltzustand definiert.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Stufen einen Betrieb des Elektromotors (30) mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder einen Intervallbetrieb des Elektromotors (30) definieren.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (24, 38) mit einem ersten Kontakt (14, 32) des Elektromotors (12, 30) verbindbar ist.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschluss (24, 38) mit einer elektrischen Masse (GND) verbindbar ist.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Anschlüsse (26, 40, 46) mit weiteren Kontakten (16, 34, 36) für die jeweiligen Stufen des Elektromotors (12, 30) verbindbar sind.
Vorrichtung (10, 100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Anschlüsse (26, 40, 46) mit einem Versorgungspotential (V₁, V₂) verbindbar sind.