DE19806311A1 - Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher - Google Patents
Vorrichtung zum Schalten induktiver VerbraucherInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten indukti
ver Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein Kraftfahrzeug enthält induktive Verbraucher, beispiels
weise Magnetventile, deren Stromfluß linear steuerbar sein
muß (Stromfluß → Ventilkraft → Hydraulikdruck). Dies er
folgt in der Regel durch getaktetes Schalten dieses Verbrau
chers L1 (siehe Fig. 1) mit veränderlicher Pulsbreite. Zum
Schalten werden üblicherweise integrierte Leistungshalbleiter
mit MOSFET-Endstufen Q1 verwendet, welche eine vom Source-
zum Drainanschluß stromleitende Substratdiode aufweisen. Dem
induktiven Verbraucher ist eine Freilaufdiode D1 parallelge
schaltet. Eine derartige Anordnung - mit Ausnahme des induk
tiven Verbrauchers selbst - ist in der Regel Teil einer in
Fig. 1 gestrichelt umrahmten Motor- oder Getriebesteuerung
ST.
Ein generelles Problem der Kraftfahrzeug-Elektronik ist die
Möglichkeit der Verpolung der Spannungsquelle Bat. In diesem
Fall wären Freilaufdiode und Substratdiode in Stromflußrich
tung mit der Spannungsquelle verbunden, wobei der entstehende
Strom die Freilaufdiode und die Substratdiode zerstören wür
de. Ein Stromfluß bei verpolter Spannungsquelle muß deshalb
durch entsprechende Maßnahmen unterbunden werden, wobei je
doch der Freilaufstromkreis für den Verbraucher erhalten
bleiben muß und in den Verbraucherstromkreis keine Bauelemen
te eingefügt werden sollen, welche die an den Verbraucher an
zulegende Spannung vermindern.
Aus diesen Gründen verbietet sich die Anwendung einer an sich
bekannten, einfachen Verpolschutzdiode oder eines weiteren,
aus der EP 0 436 778 A2 bekannten, im Falle einer Verpolung
der Spannungsquelle nichtleitend werdenden elektronischen
Schalters im Verbraucherstromkreis.
Allgemein bekannt ist eine Lösung mit einem Hauptrelais, des
sen Erregerwicklung mit einer Verpolschutzdiode in Reihe an
der Spannungsquelle liegt und über den Zündschalter des
Kraftfahrzeugs erregbar ist. Nachteile dieser Lösung sind ho
he Kosten, großes Bauvolumen, begrenzte Zuverlässigkeit und
endliche Lebensdauer der Kontakte dieses Hauptrelais.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Schalten
induktiver Verbraucher, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
mit einer Schutzschaltung gegen Verpolung der Spannungsquelle
zu versehen, die weder den Freilaufkreis des Verbrauchers be
hindert noch die an den Verbraucher anzulegende Spannung ver
mindert, und welche die Nachteile eines Hauptrelais überwin
det.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung ge
mäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entneh
men.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand
einer schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeich
nung zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher
mit einer schematisch dargestellten Schutzschaltung
gegen Verpolung der Spannungsquelle, und
Fig. 2 den Schaltplan dieser Schutzschaltung.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besteht aus einer Reihenschal
tung eines induktiven Verbrauchers L1 und eines elektroni
schen Schalters Q1 zum Ansteuern dieses Verbrauchers über ei
ne nicht dargestellte weitere Schaltung, die an den Polen "+"
und "-" einer Spannungsquelle Bat (einer Kraftfahrzeug-Bat
terie) liegt. Der Verbraucherstromkreis ist in fetten Linien
dargestellt. Parallel zum Verbraucher L1 ist eine Freilaufdi
ode D1 geschaltet.
Erfindungsgemäß ist in Reihenschaltung mit der Freilaufdiode
D1, in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Freilaufdiode
D1 und dem Verbindungspunkt A zwischen Pluspol + und Verbrau
cher L1, eine als Kasten dargestellte Schutzschaltung S gegen
Verpolung der Spannungsquelle eingefügt. Der Schaltplan die
ser Schutzschaltung ist in Fig. 2 dargestellt.
Diese Schutzschaltung S weist zwischen dem mit dem Verbin
dungspunkt A verbundenen Eingang 1 und dem mit der Anode der
Freilaufdiode D1 verbundenen Ausgang 2 einen mit der Frei
laufdiode D1 in Reihenschaltung angeordneten, invers betrie
benen N-Kanal-MOSFET (Sourceanschluß im normalen, nicht ver
polten Betrieb an positivem Potential) als elektronischen
Schalter Q2 auf. Diese inverse Schaltung ist für das Schalt
verhalten des Schalters Q2 bedeutungslos.
Der Schalter Q2 könnte an sich auch als P-Kanal-MOSFET ausge
führt sein, jedoch hätte dieser - bei vergleichbarem Kanalwi
derstand - wesentlich höhere Kosten und eine komplexe Ansteu
erschaltung zur Folge.
Bei richtig gepolter Spannungsquelle Bat erzeugt eine La
dungspumpe P eine positive Gate-Source-Spannung, die den
Schalter Q2 leitend steuert, wodurch der Freilaufstrom unge
hindert fließen kann.
Bei Verpolung der Spannungsquelle Bat wird keine positive Ga
te-Source-Spannung erzeugt und Schalter Q2 ist nichtleitend:
der Verpolschutz ist wirksam.
Da die Schaltung einer Ladungspumpe und eines Oszillators für
sich bekannt sind, braucht darauf nicht näher eingegangen zu
werden, es genügt eine prinzipielle Beschreibung.
Die Ansteuerung der in diesem Ausführungsbeispiel dreistufi
gen Ladungspumpe P - bestehend aus den Kondensatoren C1, C2,
C3 und den Dioden 3a, b und 4a, b - erfolgt über einen Schmitt-
Trigger-Oszillator Osz, der aus einem Inverter U1A, einem
Kondensator C5 und einem Widerstand R4 aufgebaut ist, mit ei
ner Frequenz von beispielsweise 100 kHz. Die nachgeschalteten
Inverter U1B, U1C und U1D dienen zur Gegentakterzeugung und
zur Entkopplung.
Die Spannungsversorgung des Oszillators Osz erfolgt aus der
Spannungsquelle Bat über einen nicht dargestellten Zündschal
ter mittels eines ebenfalls nicht dargestellten, in der Mo
torsteuerung ST vorhandenen und verpolgeschützten, integrier
ten Spannungsregler (von beispielsweise 5 V).
Jeweils zwischen Source- und Gate-Anschluß des Schalters Q2
sind eine zum Gate-Anschluß hin stromleitende Zenerdiode D6,
ein Widerstand R3 und ein Kondensator C4 geschaltet:
- - die Zenerdiode D6 begrenzt im Störfall die Gatespannung auf einen für den Schalter Q2 zulässigen Wert;
- - die dreistufige Ladungspumpe erzeugt eine Leerlaufspannung von etwa 15V; mit der Belastung durch den Widerstand R3 er gibt sich ein typischer Wert von 12 V, was zum vollständigen Durchschalten des Schalters Q2 völlig ausreicht;
- - der Kondensator C4 dient als Speicherelement, sein Wert ist groß gegenüber den Kondensatoren C1 bis C3 zu wählen, so daß die Wechselspannungsanteile der Ladungspumpe ausreichend ge siebt werden; außerdem bleibt die über den kapazitiven Span nungsteiler C4/C1+C2+C3 entstehende Gate-Source-Spannung am Schalter Q2 bei Verpolung der Spannungsquelle Bat sicher un ter dessen Einschaltschwelle;
- - der Widerstand R3 entlädt den Kondensator C4 nach dem Aus schalten der Motorsteuerung, wodurch bis zu einem Neustart (oder zu einer möglichen Verpolung der Spannungsquelle Bat) der Schalter Q2 sicher nichtleitend geschaltet wird.
Die Ausgänge der Inverter U1C und U1D sind mit je einem Wi
derstand R1, R2 beschaltet, welche bei schnellen Störimpulsen
die Ladeströme der Kondensatoren C1, C2 und C3 und die Aus
gangsströme der Inverter U1C und U1D auf tolerierbare Werte
begrenzen.
Der als N-Kanal-MOSFET ausgeführte Schalter Q2 weist eben
falls eine Substratdiode auf, welche bei Verpolung der Span
nungsquelle Bat in den Sperrzustand geht; da bei Verpolung
der Spannungsquelle Bat auch die Versorgungsspannung für den
Oszillator Osz fehlt, wird die Ladungspumpe nicht aktiviert.
Es baut sich keine positive Gate-Source-Spannung auf und
Schalter Q2 wird nicht leitend.
Parallel zur Substratdiode des Schalters Q2 und vom Minuspol
der (richtig gepolten) Spannungsquelle Bat zu dessen Drainan
schluß ist je eine impulsfeste Begrenzerdiode D2 und D5 ge
schaltet, die zur Spannungsbegrenzung von positiven und nega
tiven Störimpulsen dienen.
Dabei wird jeweils eine Diode in Flußrichtung und die andere
in Zenerung betrieben. Zwischen dem Drainanschluß des Schal
ters Q2 und dem Minuspol der (richtig gepolten) Spannungs
quelle Bat, also parallel zur Begrenzerdiode D5, ist ein
Siebkondensator C6 geschaltet.
Die beschriebene Schutzschaltung ist preiswert und zuverläs
sig; sie unterliegt keinem Verschleiß. Es können gleichzeitig
mehrere Freilaufkreise gemeinsam mit einer Schutzschaltung
gegen Verpolung geschützt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung
werden nachstehend dimensionierte Bauteile verwendet:
C1, C2, C3 = 2.2 nF
C4 = 100 nF
C5 = 1 nF
C6 = 3.3 µF
R1, R2 = 1 kΩ
R3 = 1 MΩ
R4 = 10 kΩ
D2 = RD16EB
D3a, b = BAV99
D4a, b = BAV99
D5 = RD33EB
D6 = RD18EB
U1A - U1D = 74HC14
Q2 = BUZ70/SIE
C4 = 100 nF
C5 = 1 nF
C6 = 3.3 µF
R1, R2 = 1 kΩ
R3 = 1 MΩ
R4 = 10 kΩ
D2 = RD16EB
D3a, b = BAV99
D4a, b = BAV99
D5 = RD33EB
D6 = RD18EB
U1A - U1D = 74HC14
Q2 = BUZ70/SIE
Claims (5)
1. Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher, insbeson
dere in einem Kraftfahrzeug, mit einer zwischen Pluspol (+)
und Minuspol (-) einer Spannungsquelle (Bat) liegenden Rei
henschaltung eines Verbrauchers (L1) und eines diesem Ver
braucher (L1) zugeordneten Schalters (Q1), mit einer dem Ver
braucher (L1) parallelgeschalteten Freilaufdiode (D1), und
mit einer Schutzschaltung (S) gegen Verpolung der Spannungs
quelle,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschaltung (S) einen mit der Freilaufdiode (D1)
in Reihenschaltung angeordneten elektronischen Schalter (Q2)
aufweist, welcher bei richtiger Polung der Spannungsquelle
(Bat) über eine von einem Oszillator (Osz) angesteuerte La
dungspumpe (P) leitend gesteuert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der elektronische Schalter (Q2) ein invers betriebener
N-Kanal-MOSFET ist, dessen Sourceanschluß mit dem Pluspol (+)
verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ladungspumpe (P) zwischen Source- und Gateanschluß des
elektronischen Schalters (Q2) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Spannungsversorgung des Oszillators (Osz) über einen
Schalter aus der Spannungsquelle (Bat) mittels eines verpol
geschützten, integrierten Spannungsreglers erfolgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß parallel zum elektronischen Schalter (Q2) eine im pulsfeste Begrenzerdiode (D2) geschaltet ist, und
- 2. daß zwischen der Verbindungsleitung vom elektronischen Schalter (Q2) zur Freilaufdiode (D1) und dem Minuspol (-) der Spannungsquelle (Bat) eine weitere impulsfeste Be grenzerdiode (D5) geschaltet ist,
- 3. wobei die Anoden der Freilaufdiode (D1) und der beiden Begrenzerdioden (D2, D5) miteinander verbunden sind.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998106311 DE19806311A1 (de) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1998106311 DE19806311A1 (de) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher |
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DE1998106311 Withdrawn DE19806311A1 (de) | 1998-02-16 | 1998-02-16 | Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher |
Country Status (3)
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DE (1) | DE19806311A1 (de) |
FR (1) | FR2775137A1 (de) |
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- 1999-02-15 FR FR9901783A patent/FR2775137A1/fr active Pending
- 1999-02-16 US US09/250,864 patent/US6127745A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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