DE3824526A1 - Schaltungsanordnung zur regelung eines pulsierenden stroms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung eines pulsierenden Stroms durch eine Induk­ tivität, insbesondere die Spule eines elektro-magne­ tischen Ventils, wobei die Induktivität in Reihe mit einem Halbleiterschalter und parallel zu einer Frei­ laufdiode geschaltet ist und wobei ferner eine Soll­ wertspannung einem Regler zuführbar ist, dessen Aus­ gang über einen Pulsbreitenmodulator mit einem Steu­ ereingang des Halbleiterschalters verbunden ist.

Zur Regelung eines pulsierenden Stroms durch eine Induktivität ist eine möglichst genaue Erfassung des Stroms erforderlich. Bei den bekannten Schaltungen fließt in einem ersten Teil der Periodendauer ein Strom durch den Halbleiterschalter und die Induktivi­ tät. In einem zweiten Teil der Periodendauer ist der Halbleiterschalter nichtleitend. Die in der Indukti­ vität gespeicherte magnetische Energie bewirkt je­ doch einen weiteren Stromfluß durch den sogenannten Freilaufkreis, der aus der Induktivität und der parallelgeschalteten Freilaufdiode besteht. Eine genaue Messung des gesamten Stroms kann an sich nur in den Zuleitungen der Induktivität erfolgen, was jedoch aus schaltungstechnischen Gründen oft nicht möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Regelung eines pulsierenden Stroms durch eine Induktivität anzugeben, bei wel­ cher aus einem zeitlichen Teil des Stromflusses, näm­ lich der Zeit, in der der Strom durch den Halbleiter­ schalter fließt, auf den Spulenstrom während der gesamten Periodendauer geschlossen werden kann.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der bei leitendem Halbleiter­ schalter meßbare Strom zeitlich gewichtet und aufin­ tegriert wird.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine Istwertspannung mit Hilfe eines Strom/Spannungs­ wandlers, der in Reihe mit der Induktivität und dem Halbleiterschalter geschaltet ist, eines weiteren Schalters, der von dem Pulsbreitenmodulator steuer­ bar ist, und eines Integrators ableitbar ist.

Durch die in den weiteren Unteransprüchen aufgeführ­ ten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildun­ gen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angege­ benen Erfindung möglich.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungs­ form,

Fig. 2 Zeitdiagramme von bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auftretenden Spannungen und Strömen und

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist eine Spule 1 in Reihe mit einem Transistor 2 und einem Strom/Spannungswandler 3 zwischen den positiven Pol 4 einer im einzelnen nicht dargestellten Betriebs­ spannungsquelle und Massepotential geschaltet. Die Spule 1 ist bei einem bevorzugten Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaltung Teil eines elektro­ magnetischen Ventils, insbesondere eines Ventils zur Kraftstoffeinspritzung bei einem Verbrennungsmotor. In an sich bekannter Weise ist der Spule 1 eine Frei­ laufdiode 5 parallelgeschaltet.

Über einen Eingang 6 wird einem Regler 7 als Soll­ wert eine Spannung Usoll zugeführt. Der Ausgang des Reglers 7 ist mit dem Eingang eines Pulsbreitenmodu­ lators 8 verbunden, dessen Ausgang an die Steuerelek­ trode des Transistors 2 angeschlossen ist. Außerdem steuert der Pulsbreitenmodulator 8 einen Schalter 9, der beispielsweise von einem Feldeffekttransistor gebildet werden kann.

Der Strom/Spannungswandler 3 besteht im einfachsten Fall aus einem Widerstand, an welchem eine dem Strom proportionale Spannung abfällt. Diese wird über den Schalter 9 einem Integrator 10 zugeführt, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang des Reglers 7 verbunden ist. Als Integrator 10 eignen sich ver­ schiedene bekannte Schaltungen, beispielsweise ein sogenannter Miller-Integrator. Die Integrationszeit­ konstante ist wesentlich größer als die Periodendau­ er des vom Pulsbreitenmodulator abgegebenen Signals. Der Regler 7 ist der Einfachheit halber als Diffe­ renzverstärker dargestellt. Es sind jedoch verschie­ dene Regler-Typen wie PI-Regler im Rahmen der Erfin­ dung anwendbar.

Fig. 2a) zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators, wobei mit einem Doppelpfeil die von der Ausgangsspannung des Reglers abhängige zeitliche Verschiebung der Rückflanke angedeutet ist. Während des Zeitraums t 0 bis t 1 ist der Transi­ stor 2 leitend. Während des restlichen Teils der Periodendauer T ist der Transistor 2 gesperrt. Ent­ sprechend steigt der in Fig. 2b) dargestellte Strom is durch die Spule 1 während der Zeit t 0 bis t 1 an und fällt dann bis zum erneuten Einschalten des Transistors 2 wieder ab. Während des Zeitraums t 0 bis t 1 fließt also ein Strom i 1 durch den Transistor 2. Der Strom i 2 fließt während des Zeitraums t 1 bis zum Ende der Periode T durch die Freilaufdiode 5.

Fig. 2c) stellt den Zeitverlauf des Stroms i 1 durch den Transistor dar, der mit Hilfe des Strom/Span­ nungswandlers 3 erfaßbar ist.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 umfaßt ebenfalls eine Spule 1 und eine Freilaufdiode 5, die an den positiven Pol 4 einer Betriebsspannungsquelle angeschlossen sind. In Reihe dazu ist ebenfalls ein Transistor 2 geschaltet, der über einen Strommeßwi­ derstand 11 mit Massepotential verbunden ist. Ferner ist ebenfalls ein Regler 7 vorgesehen, dem über einen Eingang 6 die Spannung Usoll zugeführt wird. Der Pulsbreitenmodulator wird bei der Schaltungsan­ ordnung nach Fig. 3 von einem Differenzverstärker 12 gebildet, dessen einem Eingang 13 ein sägezahnförmi­ ges Signal und dessen anderem Eingang die Ausgangs­ spannung des Reglers 7 zugeleitet wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers 12 ist über einen Wider­ stand 14 mit +UB und über einen weiteren Widerstand 15 mit der Steuerelektrode des Transistors 2 verbun­ den. Wie bei derartigen Schaltungsanordnungen üb­ lich, ist die Spannung UB stabilisiert und beträgt beispielsweise +5V.

Der dem Strom proportionale Spannungsabfall am Wider­ stand 11 wird über einen Widerstand 16 dem nichtin­ vertierenden Eingang eines schaltbaren Operationsver­ stärkers (OTA=Operational Transductance Amplifier) 17 zugeführt, der als Betriebsspannung einerseits über einen Anschluß 18 die positive Spannung UB und andererseits über einen Anschluß 19 eine mit einem Kondensator 20 gesiebte negative Hilfsspannung UH von beispielsweise -3V erhält. An den Ausgang des OTA 17 sind ein Integrationskondensator 21 und ein zusammen mit einem Widerstand 22 als Emitterfolge geschalteter Transistor 23 angeschlossen. Vom Emit­ ter des Transistors 23 wird die Ausgangsspannung des Integrators über einen Spannungsteiler 24, 25 auf den invertierenden Eingang des OTA 17 rückgekoppelt. Außerdem gelangt die Ausgangsspannung des Integra­ tors zum invertierenden Eingang des Reglers 7.

Die Steuerung des OTA 17 erfolgt über einen Transi­ stor 26, dessen Emitter mit dem Ausgang des Diffe­ renzverstärkers 12 und dessen Kollektor über einen Widerstand 27 mit dem Steuereingang 28 des OTA 17 verbunden ist. Die Steuerung des Transistors 26 wiederum erfolgt dadurch, daß die Spannung am Verbin­ dungspunkt 29 zwischen der Spule 1 und dem Transi­ stor 2 über einen Spannungsteiler 30, 31 der Basis des Transistors 26 zugeführt wird. Außerdem ist eine Diode 32 vorgesehen, welche die Basis des Transi­ stors 26 vor Überspannungen schützt.

Die dargestellte Steuerung des OTA 17 bewirkt, daß der OTA 17 nur einen Ausgangsstrom liefert, wenn der Transistor 2 und damit auch der Transistor 26 lei­ tend sind. Während dieser Zeit ist der Integrator wirksam. Während des übrigen Teils der Periodendauer der Ausgangssignale des Pulsbreitenmodulators ist der Ausgang des OTA 17 gesperrt, so daß sich die Ausgangsspannung des Integrators nicht ändert.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zur Regelung eines pulsieren­ den Stroms durch eine Induktivität, insbesondere die Spule eines elektro-magnetischen Ventils, wobei die Induktivität in Reihe mit einem Halbleiterschalter und parallel zu einer Freilaufdiode geschaltet ist und wobei ferner eine Sollwertspannung einem Regler zuführbar ist, dessen Ausgang über einen Pulsbreiten­ modulator mit einem Steuereingang des Halbleiter­ schalters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der bei leitendem Halbleiterschalter meßbare Strom zeitlich gewichtet und aufintegriert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Istwertspannung mit Hilfe eines Strom/Spannungswandlers (3), der in Reihe mit der Induktivität (1) und dem Halbleiterschalter (2) geschaltet ist, eines weiteren Schalters (9), der von dem Pulsbreitenmodulator (8) steuerbar ist, und eines Integrators (10) ableitbar ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang des Strom/Spannungswandlers (3) über den weiteren Schalter (9) mit einem Eingang des Integrators (10) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalter und der Integrator von einem schaltbaren Operationsverstärker (17) gebildet sind, dessen Aus­ gang über einen Kondensator (21) mit festem Potenti­ al und über einen als Impedanzwandler geschalteten Transistor (23) und einen Spannungsteiler (24, 25) mit dem invertierenden Eingang verbunden ist und dessen nichtinvertierendem Eingang die Ausgangsspan­ nung des Strom/Spannungswandlers (11) zuführbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkon­ stante der Integrationsschaltung wesentlich größer als die Periodendauer des von dem Pulsbreitenmodula­ tor abgegebenen Signals ist.