DE3727498A1 - Vorrichtung zum steuern der leistung eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Leistung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einer Stromquelle, mit einem Taktgenerator, mit einer Endstufe, die die Taktimpulse des Taktgenerators empfängt und die einen Schalter in Reihe mit dem elektrischen Verbraucher aufweist und mit einer Kurzschlußüberwachung, die die Spannung am Verbindungspunkt des elektrischen Verbrauchers mit dem Schalter mißt und die den Schalter öffnet, wenn die Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 34 36 456 vorbekannt. Dort ist eine Kurzschlußüberwachung vorgesehen, die ständig wirksam ist.

Die vorbekannte Vorrichtung hat jedoch Nachteile. Dadurch daß die Kurzschlußüberwachung ständig wirksam ist, können beim Ein- und Ausschalten des als Schalter wirkenden Feldeffekttransistors möglicherweise auftretende Spannungsspitzen die Spannung am Verbindungspunkt so hoch treiben, daß die Kurzschlußüberwachung dies fälschlich als Kurzschluß erkennt. Die Folge wäre ein unerwünschtes Öffnen des Schalters und damit ein Abschalten des elektrischen Verbrauchers, obwohl tatsächlich kein Kurzschluß vorhanden ist. Solche Spannungsspitzen treten insbesondere in Kraftfahrzeugen häufig auf.

Eine Kurzschlußüberwachung in den Taktimpulspausen ist häufig unnötig, weil eine Gefährdung von Bauteilen in den Taktimpulspausen, also bei geöffnetem Schalter nicht möglich ist.

Schließlich kann insbesondere dann, wenn ein Elektromotor als elektrischer Verbraucher verwendet wird, beim Anlauf des Elektromotors die Spannung am Verbindungspunkt den vorgegebenen Schwellwert überschreiten. Die vorbekannte Vorrichtung würde möglicherweise auch dann fälschlich einen Kurzschluß registrieren.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen Kurzschluß am elektrischen Verbraucher dann möglich sicher erkennt, wenn der Kurzschluß zu einer Gefährdung von Bauteilen führen würde.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kurzschlußüberwachung durch den Taktgenerator steuerbar ist, und daß die Kurzschlußüberwachung während der Taktimpulsdauer wirksam ist.

Dadurch, daß die Kurzschlußüberwachung durch den Taktgenerator steuerbar ist, ist es möglich, die Funktion der Kurzschlußüberwachung abhängig von der Taktfrequenz der Taktimpulse zu beeinflussen. Die Beeinflussung der Funktion der Kurzschlußüberwachung erfolgt derart abhängig von der Taktfrequenz, daß die Kurzschlußüberwachung nur während der Taktimpulsdauer wirksam ist. Das heißt, nur dann, wenn der Schalter geschlossen ist und somit Strom über den Schalter durch den elektrischen Verbraucher fließen kann, wird die Spannung am Verbindungspunkt mit dem Schwellwert verglichen. Nur dann, wenn die Spannung am Verbindungspunkt während der Taktimpulsdauer den Schwellwert übersteigt, wird der Schalter geöffnet und der Verbraucher durch die Kurzschlußüberwachung abgeschaltet.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß eine Störung der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Spannungsspitzen beim Ein- und Ausschalten des Schalters nicht möglich ist. Dadurch ist ein Öffnen des Schalters bei einem fälschlich erkannten Kurzschluß nicht möglich, weil anders als beim Vorbekannten die Spannungsspitzen nicht als Kurzschluß erkannt werden können.

Andererseits ist eine Beschädigung des elektrischen Verbrauchers oder des Schalters durch einen tatsächlichen Kurzschluß ausgeschlossen, weil die erfindungsgemäße Kurzschlußüberwachung nur dann wirksam ist, wenn der Schalter geschlossen ist und wenn damit ein Stromfluß durch den Schalter und dem Verbraucher überhaupt möglich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Taktgenerator durch einen Sollwertgeber steuerbar ist, weil so eine kontinuierliche Steuerung der elektrischen Leistungsaufnahme des Verbrauchers und damit der Leistungsabgabe des Verbrauchers möglich ist. Als Sollwertgeber kommt ein Potentiometer in Frage, dessen Schleiferstellung ein Maß für die Taktfrequenz oder die Pulsbreite des Taktgenerators sein kann. Man kann als Sollwertgeber auch eine elektronische Schaltung verwenden, die insbesondere Teil einer Innenraumtemperaturregelung für Kraftfahrzeuge ist, und die den Luftdurchsatz durch den Kraftfahrzeuginnenraum steuert.

Es ist weiter besonders vorteilhaft, wenn der Taktgenerator eine feste vorgegebene Frequenz und eine abhängig vom Sollwertgeber veränderliche Taktimpulsdauer aufweist. Dadurch ist sichergestellt, daß die Zeitdauer in der die Kurzschlußüberwachung wirksam ist, lang genug gewählt werden kann, um einen Kurzschluß im elektrischen Verbraucher zu erkennen.

Man kann vorteilhaft den Schwellwert von der Nennleistungsaufnahme des elektrischen Verbrauchers abhängig wählen, um zu ermöglichen, daß auch sogenannte schleichende Kurzschlüsse zum Öffnen des Schalters führen. Als schleichende Kurzschlüsse werden Zustände bezeichnet, in denen der elektrische Verbraucher nicht vollständig, sondern nur teilweise überbrückt ist.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, den Schwellwert von dem Sollwertgeber abhängig auszubilden, weil der Sollwert des Sollwertgebers ein Maß für die gewünschte elektrische Leistungsaufnahme des elektrischen Verbrauchers ist.

Als elektrischen Verbraucher kann man elektromagnetische Verbraucher verwenden, die beim Ein- und Ausschalten vergleichsweise starke Spannungsspitzen aufweisen. Insbesondere Lüftermotoren in Kraftfahrzeugen sind als elektrische Verbraucher durch die erfindungsgemäße Vorrichtung steuerbar, weil neben dem Kurzschluß des Lüftermotors auch dessen Blockieren z. B. durch Gegenstände im Bereich des Lüfterflügels oder durch Festfressen von Lagern durch die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft erkannt werden kann.

Um in diesem Zusammenhang eine Falschauslösung der erfindungsgemäßen Kurzschlußüberwachung, insbesondere beim Anlauf eines Lüftermotors, u. a. durch die vom Lüftermotor erzeugte elektromotorische Kraft zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn die Kurzschlußüberwachung für eine vorgegebene Zeitdauer nach dem Anlauf des Lüftermotors unwirksam ist.

Man kann weiterhin die Kurzschlußüberwachung derart ausbilden, daß sie nach Auftreten eines Kurzschlusses, insbesondere periodisch nach einer vorgegebenen zweiten Zeitdauer, den Schalter schließt. Dadurch ist die Wiedereinschaltung des elektrischen Verbrauchers möglich, wenn der gemessene Kurzschluß in der Zeitdauer vom Abschalten des elektrischen Verbrauchers bis zum Einschalten beseitigt wurde. Der periodische Versuch der Einschaltung ist dann besonders vorteilhaft.

Als elektrische Schalter kann man Transistoren verwenden, weil solche elektronischen Schalter schaltungstechnisch besonders einfach durch die Endstufe steuerbar sind. Dies gilt insbesondere für Metalloxydschicht-Feleffekttransistoren, die nahezu stromlos schaltbar sind, so daß sich eine zusätzliche Treiberschaltung erübrigt.

Schließlich kann man zwischen dem Taktgenerator und dem Sollwertgeber einen Kennlinienspeicher anordnen, um das Taktverhalten des Taktgenerators an die häufig nicht proportinale Leistungsabgabe des elektrischen Verbrauchers anzupassen. Dadurch kann erreicht werden, daß eine vorgegebene Sollwertänderung einer entsprechenden Änderung der Leistungsabgabe des elektrischen Verbrauchers entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstands ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Blockschaltbild,

Fig. 2 Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 in einem elektrischen Schaltbild und

Fig. 3 Spannungszeit-Diagramme an verschiedenen Meßpunkten der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1.

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung (ST) über eine erste Klemme (KL 1) und eine zweite Klemme (KL 2), mit den Anschlüssen eines als Potentiometer augebildeten Sollwertgebers (S) leitend verbunden, dessen Schleifer über eine dritte Klemme (KL 3) wiederum mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (ST) leitend verbunden ist. Weiter ist die erfindungsgemäße Vorrichtung (ST) über eine vierte Klemme (KL 4) mit einem ersten Anschluß eines als Lüftermotor (M) ausgebildeten elektrischen Verbrauchers und mit dem positiven Pol einer Stromquelle (B), die als Kraftfahrzeugbatterie ausgebildet sein kann und über eine achte Klemme (KL 8) mit dem negativen Pol der Kraftfahrzeugbatterie (B) leitend verbunden. Der zweite Anschluß des Lüftermotors (M) ist parallel über eine fünfte Klemme (KL 5) mit der Endstufe (E) der erfindungsgemäßen Vorrichtung (ST) und über eine siebte Klemme (KL 7) mit der Kurzschlußüberwachung (K) des Steuergeräts (ST) leitend verbunden. Schließlich ist die Endstufe (E) der erfindungsgemäßen Vorrichtung (ST) über eine sechste Klemme (KL 6) mit der negativen Versorgungsspannung der Stromquelle (B) leitend verbunden.

Die Versorgungsspannung zum Versorgen des Sollwertgebers (S) ist durch eine zwischen der Klemme (KL 1) und der Klemme (KL 4) angeordnete Spannungsstabilisierung (SP) in bekannter Art und Weise stabilisiert. Das Eingangssignal des Sollwertgebers (S) bzw. die Schleiferspannung des Potentiometers wird über die Klemme (KL 3) parallel einem Kennlinienspeicher (KS) und über eine Leitung (3) einer Kurschlußüberwachung (K) zugeführt. Durch das Ausgangssignal des Kennlinienspeichers (KS) wird ein Taktgenerator (T) angesteuert, der abhängig von diesem Ausgangssignal eine Pulsfolge erzeugt, die eine variable Pulsbreite und eine konstante Pulsfrequenz aufweist. Diese Pulsfolge wird parallel der Endstufe (E) und über eine erste Leitung (1) der Kurzschlußüberwachung (K) als Eingangssignal zugeführt. Als weiteres Eingangssignal wird der Kurzschlußüberwachung (K) über die Klemme (KL 7) bzw. eine vierte Leitung (4) das Potential am Verbindungspunkt des Lüftermotors (M) mit einem als Transistor ausgebildeten Schalter (TR) der Endstufe zugeführt. Abhängig von diesen drei Eingangssignalen steuert die Kurzschlußüberwachung (K) zusätzlich zum Taktgenerator (T) über eine zweite Leitung (2) die Endstufe (E) und damit den Transistor (T).

In der Fig. 2 sind gleiche oder gleichwirkende Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der als Schalter verwendete Transistor (TR) ist dort als Metalloxydschicht-Feldeffekttransistor ausgebildet, der über einen sechsten Widerstand (R 6) in Reihe mit einem fünften Widerstand (R 5) und über die Leitung (1) vom Taktgenerator (T) mit Taktimpulsen versorgt wird. Zusätzlich wirkt der Taktgenerator (T) über die erste Leitung (1) und eine erste Diode (D 1) auf den invertierenden Eingang eines Vergleichers (V) als Teil der Kurzschlußüberwachung (K). Weiterhin wird dem invertierenden Eingang des Vergleichers (V) über die Leitung (3) und einen siebten Widerstand (R 7) der Sollwert des Sollwertgebers (S) zugeleitet. Schließlich liegt am invertierenden Eingang des Vergleichers (V) über einen dritten Widerstand (R 3) das Potential der Klemme (7) an.

Ein vorgegebener Spannungsschwellwert, mit denen die Summe der Eingangspotentiale am invertierenden Eingang des Vergleichers (V) verglichen wird, liegt am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (V) über einen Spannungsteiler, bestehend aus dem ersten Widerstand (R 1) und dem zweiten Widerstand (R 2), der im übrigen mit der Kraftfahrzeugbatterie (B) verbunden ist, an.

Um das Absinken der Schwellwertspannung am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (V) zu verzögern, ist der erste Widerstand (R 1) mit einem ersten Kondensator (C 1) überbrückt, dessen Zeitkonstante die Verzögerungszeit bis zum Wirksamwerden der erfindungsgemäßen Kurzschlußüberwachung bestimmt.

Der Ausgang des Vergleichers (V) ist einerseits über einen vierten Widerstand (R 4) mit der positiven Versorgungsspannung (+UB) und über eine zweite Diode (D 2) und die zweite Leitung (2) mit der Steuerelektrode des Transistors (T) und der Kathode einer dritten Diode (D 3) leitend verbunden, deren Anode mit der negativen Versorgungsspannung (-UB) leitend verbunden ist. Als letztes Teil ist ein zweiter Kondensator (C 2) einerseits mit dem Verbindungspunkt des fünften Widerstandes (R 5) und des sechsten Widerstandes (R 6) und andererseits mit der Klemme (KL 7) leitend verbunden.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 wird nun anhand der Spannungszeit-Diagramme der Fig. 3 näher erläutert:

In der Fig. 3a ist die Spannung (U 3) an der dritten Leitung (3), die von der Schleiferstellung des Sollwertpotentiometers (S) abhängig ist, in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen und wird durch Betätigung des Sollwertgebers (S) vorgegeben. Es sei angenommen, daß der Sollwertgeber (S) ausgehend von einem Sollwert (0) zum Anfangszeitpunkt (t 0) bis zu einem ersten Zeitpunkt (t 1) vergrößert wird, dann vom ersten Zeitpunkt (t 1) bis zum zweiten Zeitpunkt (t 2) konstant bleibt, dann vom zweiten Zeitpunkt (t 2) bis zu einem dritten Zeitpunkt (t 3) mit einer größeren Änderungsrate weiter vergrößert wird und schließlich ab dem dritten Zeitpunkt (t 3) auf diesem eingestellten hohen Wert konstant bleibt. Dann ändert sich die Einschaltdauer oder Taktimpulsdauer des Taktgenerators (T) in der in Fig. 3b dargestellten Weise. Die Pulse des Taktgenerators (T) weisen eine vorgegebene feste Frequenz (T 1) auf. Die Breite der auftretenden Pulse wird abhängig von dem Sollwertgeber (S) und ggf. abhängig von der im Kennlinienspeicher (KS) abgelegten Kennlinie verändert. In der Fig. 3b ist davon ausgegangen, daß der Kennlinienspeicher (KS) als Kennlinie im wesentlichen eine Ursprungsgerade aufweist, so daß sich mit steigender Spannung (U 3) eine im wesentlichen liniare Verlängerung der Pulsbreite zwischen dem Auftreten zweier Pulse ergibt.

Dies geschieht, wie in der Fig. 3a dargestellt, erstmal bis zum ersten Zeitpunkt (t 1). Vom ersten Zeitpunkt (t 1) bis zum zweiten Zeitpunkt (t 2) bleibt dann die Pulsbreite abhängig von der voreingestellten Spannung (U 3) konstant. Vom zweiten Zeitpunkt (t 2) bis zum dritten Zeitpunkt (t 3) wird die Pulsbreite aufgrund der sich erhöhenden Spannung (U 3) weiter größer, bis sie zum Zeitpunkt (t 3) den der nunmehr konstant eingestellten Spannung (U 3) entsprechenden Wert erreicht hat und gehalten wird.

In der Fig. 3c ist eine Spannung (U 4) gegen die Zeit (t) aufgetragen. Die Spannung (U 4) entspricht dem Potential an der Klemme (KL 7) bzw. dem Potential auf der vierten Leitung (4). Diese Spannung (U 4) setzt sich zusammen aus der am Motor anliegenden Versorgungsspannung, wenn der Transistor (T) über die erste Leitung (1) vom Taktgenerator leitend oder eingeschaltet ist und der durch den sich drehenden Motor (M) erzeugten elektromotorischen Kraft.

Solange kein Kurzschluß am Lüftermotor (M) auftritt, wie dies bis zu einem vierten Zeitpunkt (t 4) der Fall sein soll, ist das Potential an der Klemme (KL 7) unterhalb dem voreingestellten Schwellwert (SW) und es erfolgt kein Eingriff der erfindungsgemäßen Kurzschlußsicherung (K) auf die Ansteuerung des Transistors (TR) durch den Taktgenerator (T). Überschreitet jedoch der Spannungswert an der Klemme (KL 7), wie dies zum Zeitpunkt (t 4) in Fig. 3c dargestellt ist, den Schwellwert (SW), weil der Lüftermotor (M) blockiert ist oder am Lüftermotor (M) ein Kurzschluß aufgetreten ist, so übersteigt das Potential am invertierenden Eingang des Vergleichers (V) den am nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers (V) anliegenden Schwellwert, dann und nur dann wenn die erste Leitung (1) des Taktgenerators positives Potential aufweist, so daß der Transistor (TR) leitend geschaltet ist und kein Stromfluß vom invertierenden Eingang des Vergleichers (V) über die erste Diode (D 1) zum Taktgenerator (TR) erfolgen kann. Ist dies der Fall, so wechselt der Ausgang des Vergleichers (V) seinen Ausgangszustand vom positiven Potential, das ihm vorher über den vierten Widerstand (R 4) aufgeprägt wurde, zu negativem Potential. Die Steuerelektrode des Transistors (TR) ändert daraufhin ihren Zustand vom Zustand hohen Potentials in den Zustand niedrigen Potentials, weil ein Stromfluß von der Steuerelektrode des Transistors (TR) über die zweite Diode (D 2) zum Masse-Potential des Ausgangs des Vergleichers möglich ist. Daraufhin wird der Transistor (TR) gesperrt und der Laststromkreis des Lüftermotors (M) geöffnet.

Nach einer vorgegebenen Zeitdauer (T 2) wird zu einem fünften Zeitpunkt (t 5) der Ausgangszustand des Ausgangs des Vergleichers (V) gewechselt, so daß mit dem Auftreten des nächsten positiven Pulses auf der ersten Leitung (1) vom Taktgenerator (T) der Transistor (TR) wieder leitend geschaltet wird. Die zweite Zeitdauer (T 2) wird durch die Wahl des zweiten Kondensators (C 2) bestimmt. Sollte zu dem fünften Zeitpunkt (t 5) der Kurzschluß noch bestehen oder die Blockierung des Lüftermotors (M) noch aufrechterhalten werden, so laufen die vorher beschriebenen Vorgänge nochmals ab, weil die Spannung an der Klemme (KL 7) wieder den Schwellwert (SW) überschreitet.

Nach Ablauf einer weiteren zweiten Zeitdauer (T 2) zu einem sechsten Zeitpunkt (t 6) und mit dem Auftreten des nächsten positiven Steuerpulses des Taktgenerators (T) wird dann wieder versucht, den Transistor (TR) leitend zu schalten. Diese Vorgänge wiederholen sich so lange, bis der Kurzschluß oder die Blockierung des Lüftermotors (M) beseitigt ist, oder bis die Stromversorgung unterbrochen wird.

In der Fig. 3 ist angenommen, daß zu einem Zeitpunkt (t 6) die Blockierung des Lüftermotors (M) bzw. der Kurzschluß aufgehoben ist, so daß der Lüftermotor (M) wieder normal anläuft und damit das Potential an der Klemme (KL 7) den Schwellwert (S) bei einem Einschalten des Transitors (TR) nicht überschreitet. Dies ist in den Fig. 3c und 3d entsprechend dargestellt.

In der Fig. 3c ist nur ein Schwellwert (SW) als Konstantwert eingezeichnet. Es ist jedoch besonders vorteilhaft, den Schwellwert (SW) abhängig vom Sollwert des Sollwertgebers (S) veränderlich auszubilden. Dies ist in der Fig. 2 über die dritte Leitung (3) vorgesehen. Beim Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den Fig. 1 bis 3 wurde als elektrischer Verbraucher ein Lüftermotor (M) einer Innenraumtemperaturregelung eines Kraftfahrzeuges verwendet. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können jedoch auch andere elektrische Verbraucher vorteilhaft auf Kurzschlüsse bzw. die Blockierung von Bewegungen überwacht werden.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Steuern der Leistung eines elektrischen Verbrauchers, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einer Stromquelle, mit einem Taktgenerator, mit einer Endstufe, die die Taktimpulse des Taktgenerators empfängt und die einen Schalter in Reihe mit dem elektrischen Verbraucher aufweist und mit einer Kurzschlußüberwachung, die die Spannung am Verbindungspunkt des elektrischen Verbrauchers mißt und die den Schalter öffnet, wenn die Spannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußüberwachung (K) durch den Taktgenerator (T) steuerbar ist und daß die Kurzschlußüberwachung (K) während der Taktimpulsdauer wirksam ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (T) durch einen Sollwertgeber (S), insbesondere einem Potentiometer, steuerbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (T) eine feste vorgegebene Frequenz und eine abhängig vom Sollwertgeber (S) veränderliche Taktimpulsdauer (T 1) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert von der Nennleistungsaufnahme des elektrischen Verbrauchers abhängig ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert von dem Sollwertgeber (S) abhängig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher, ein elektromagnetischer Verbraucher, insbesondere der Lüftermotor (M) eines Kraftfahrzeuges ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußüberwachung (K) für eine vorgegebene Zeitdauer beim Anlauf des Lüftermotors (M) unwirksam schaltbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußüberwachung (K) nach Auftreten eines Kurzschlusses, insbesondere periodisch nach einer vorgegebenen zweiten Zeitdauer den Schalter (T) schließt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Transistor (T), insbesondere ein Metalloxydschicht-Feldeffekttransistor, ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Taktgenerator (T) und dem Sollwertgeber (S) ein Kennlinienspeicher (K) angeordnet ist.