DE3908338A1 - Verfahren und einrichtung zum ansteuern einer last, insbesondere in kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer Last, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mittels eines Drossel-Abwärtswandlers, der einen ersten und einen zweiten Kondensator, eine Freilaufdiode, eine Drossel und eine erste Schalteinrichtung aufweist und der mit der Last elektrisch leitend verbunden ist, mit einer Takterzeugungseinrichtung, die in Abhängigkeit von Eingangssignalen eine Spannung mit einem variablen Puls-Pausen-Verhältnis fester Taktfrequenz erzeugt, die die erste Schalteinrichtung ansteuert und eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Es ist bekannt, bei der Ansteuerung einer Last zur Leistungsregelung Drossel-Abwärtswandler, auch genannt Buck-converter, zu verwenden, die es zum einen ermöglichen, die Last in einem großen Leistungsbereich zu regeln und zum anderen gewährleisten, daß ein hoher Wirkungsgrad bei der Ansteuerung der Last erreicht wird. In dem Buch "Schaltnetzteile in der Praxis" von Otmar Kilgenstein, erschienen im VOGEL Buchverlag Würzburg, 1. Auflage 1986, S. 15 ff. sind die Arbeitsprinzipien und Schaltungsanordnungen zur Ansteuerung von Lasten mittels Drossel-Abwärtswandlern beschrieben. Ein Steuer-IC, das der Takterzeugung dient und dessen Beschaltung nicht angegeben ist, steuert eine erste Schalteinrichtung an, deren Schaltstrecke in der Verbindung zwischen der Versorgungsspannung und der Last liegt. Die erste Schalteinrichtung ist hier als ein NPN-Transistor ausgebildet, dessen Basis mit dem Steuer-IC verbunden ist, dessen Emitter zum einen mit der negativen Versorgungsspannung und zum anderen mit einer ersten Elektrode eines zweiten Kondensators verbunden ist. Die zweite Elektrode des zweiten Kondensators ist elektrisch leitend mit der positiven Versorgungsspannung verbunden. Der Kollektor des Transistors ist zum einen mit der Anode einer Freilaufdiode verbunden, deren Kathode mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und zum anderen mit einer Drossel verbunden. Die Drossel ist zudem mit der ersten Elektrode eines ersten Kondensators verbunden, dessen zweite Elektrode elektrisch leitend mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist. Parallel zu dem ersten Kondensator ist die Last angeordnet.

Auch aus dem Buch "Analoge Schaltungen" von Manfred Seifart, erschienen im Hüthig Verlag 1987, Seiten 540 ff. sind Schaltungsanordnungen und Schaltprinzipien dieser Art bekannt.

Bei allen vorbekannten Schaltungsanordnungen kann die Leistungsregelung der Last dadurch erfolgen, daß die erste Schalteinrichtung durch ein Signal angesteuert wird, das ein variables Puls-Pausen-Verhältnis bei fester Taktfrequenz aufweist. Die Taktfrequenz liegt dabei bei etwa 16 bis 200 kHz.

Mit steigender Frequenz ergibt sich der Vorteil, daß die Baugröße der zu verwendenden Drossel bei gleicher zu übertragender Leistung kleiner wird und auch die zu verwendenden Elektrolyt-Kondensatoren kleiner werden und einen niedrigeren Scheinwiderstand aufweisen können, wodurch Kosten herabgesetzt werden können und Platz eingespart werden kann. Dadurch, daß mit steigenden Taktfrequenzen eine hohe Flankensteilheit des Schaltvorgangs erforderlich ist, ergibt sich der Vorteil, daß Ansteuerschaltungen dieser Art nur geringe Leistungsverluste aufweisen, wodurch große Kühlkörper für die erste Schalteinrichtung nicht oder nur in geringem Umfang erforderlich sind. Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, daß auf den Ansteuer- und Leistungsleitungen der Schaltungsanordnungen näherungsweise nur Gleichspannungen anliegen, wodurch nur geringe Störspannungen auftreten können.

Als nachteilig erweist sich bei den vorbekannten Schaltungsanordnungen, daß bei einer hochohmigen Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung mit hohen Frequenzen aufgrund einer zu geringen Flankensteilheit des Schaltvorgangs, bedingt durch die Eingangskapazitäten der ersten Schalteinrichtung, eine Ansteuerung und ein Inbetriebsetzen der Last nicht möglich sein kann. Eine hochohmige Ansteuerung ist z.B. dann erforderlich, wenn ein möglichst großer Leistungsbereich geregelt werden soll und auch dann, wenn die Funktion eines internen Überlast- und Übertemperaturschutzes der ersten Schalteinrichtung nur dann gegeben ist, wenn eine hochohmige Ansteuerung erfolgt. Bei den vorbekannten Schaltungsanordnungen kann es dabei erforderlich sein, aufgrund großer Leistungsverluste bei dem Ansteuern der ersten Schalteinrichtung die entstehende Verlustwärme über Kühlkörper abzuführen, was einen erhöhten Aufwand und erhöhte Kosten bewirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, die einfach und kostengünstig ist, die ein sicheres Ansteuern und Inbetriebsetzen einer Last gewährleistet, die die Leistungsverluste bei dem Inbetriebsetzen und Betreiben der Last möglichst gering hält und die einen möglichst großen Leistungregelbereich zur Verfügung stellt.

Die Aufgabe wird bei dem Verfahren dadurch gelöst, daß die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung in den leitenden Zustand mit dem Beginn jeder Pulsdauer für eine vorgegebene oder variable Zeitdauer niederohmig erfolgt, daß nach dem Ablauf dieser Zeitdauer die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung für die restliche Zeit der Pulsdauer hochohmig erfolgt und daß die erste Schalteinrichtung nach dem Ablauf der Pulsdauer in den gesperrten Zustand geschaltet wird.

Es ist von Vorteil, daß die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung in den leitenden Zustand mit dem Beginn jeder Pulsdauer für eine vorgegebene oder variable Zeitdauer niederohmig erfolgt, daß nach dem Ablauf dieser Zeitdauer die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung für die restliche Zeit der Pulsdauer hochohmig erfolgt und daß die erste Schalteinrichtung nach dem Ablauf der Pulsdauer in den gesperrten Zustand geschaltet wird, weil so sichergestellt wird, daß auch bei einer hohen Taktfrequenz und einer vorgegebenen Flankensteilheit des Schaltvorgangs ein Ansteuern und eine Inbetriebnahme der Last gewährleistet ist und die Leistungsverluste bei dem Inbetriebsetzen und Betreiben der Last möglichst gering gehalten werden, überschüssige Ladungsträger bei dem Inbetriebsetzen schnell abgeführt werden und durch diese Änderung der Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung ein möglichst großer Leistungsregelbereich erreicht wird. Zudem ergibt sich hieraus der Vorteil, daß ein interner Überlast- und Übertemperaturschutz der ersten Schalteinrichtung, der von einer hochohmigen Ansteuerung abhängig ist, bei diesem Verfahren funktionsfähig ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß mit dem Beginn jeder Pulsdauer die Spannung über die Schaltstrecke der ersten Schalteinrichtung gemessen wird, daß ermittelt wird, ob die gemessene Spannung größer ist als eine vorgegebene Grenzspannung, daß die erste Schalteinrichtung in den gesperrten Zustand geschaltet wird, wenn die gemessene Spannung die vorgegebene Grenzspannung überschreitet und daß nach einer vorgegebenen Zeitdauer und/oder zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Freigabe der ersten Schalteinrichtung erfolgt, ergibt sich der Vorteil, daß zyklisch eine Kurzschlußüberwachung in dem Lastkreis durchgeführt wird, daß bei dem Vorliegen einer Spannung, die eine vorgegebene Grenzspannung überschreitet, die erste Schalteinrichtung in den gesperrten Zustand geschaltet wird, wodurch erreicht wird, daß bei dem Vorliegen eines Kurzschlusses in dem Lastkreis mögliche Beschädigungen und Fehlfunktionen vermieden werden. Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil, daß bei einer entsprechenden Auslegung der vorgegebenen Grenzspannung auch bei einer sehr hohen Leistungsaufnahme der Last beim Anlaufen die Kurzschlußüberwachung nicht aktiv wird und somit ein sicheres Anlaufen und ein sicheres Inbetriebsetzen der Last gewährleistet wird und nur bei wirklich vorliegenden Kurzschlüssen die erste Schalteinrichtung in den gesperrten Zustand geschaltet wird. Durch das Freigeben der ersten Schalteinrichtung nach einer vorgegebenen Zeitdauer und/oder zu einem bestimmten Zeitpunkt ergibt sich zudem der Vorteil, daß nach einem ermittelten Kurzschluß in dem Lastkreis ein erneutes Starten und Ansteuern der ersten Schalteinrichtung ermöglicht wird.

Es ist von Vorteil, daß die vorgegebene Zeitdauer einer vorgegebenen Anzahl Taktperioden entspricht, weil so sichergestellt wird, daß bei einem vorliegenden Kurzschluß in dem Lastkreis keine Überhitzung und damit ein Schaden für die erste Schalteinrichtung entstehen kann, da eine Freigabe der ersten Schalteinrichtung erst nach einer vorgegebenen sicheren Zeitdauer erfolgt.

Dadurch, daß der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des Ablaufs der Pulsdauer entspricht, ergibt sich der Vorteil, daß für die Freigabe der ersten Schalteinrichtung ein definierter Zeitpunkt festgelegt ist, wodurch zudem eine erneute Kurzschlußabfrage zu Beginnn der nächsten Pulsdauer ermöglicht wird. Der gleiche Vorteil ergibt sich dann, wenn der bestimmte Zeitpunkt dem Beginn der Pulsdauer entspricht, falls die Grenzspannung nicht mehr überschritten wird.

Die Aufgabe wird bei der Einrichtung dadurch gelöst, daß die Takterzeugungseinrichtung einen ersten Ausgang aufweist, der elektrisch leitend mit einer zweiten Schalteinrichtung verbunden ist, daß die Takterzeugungseinrichtung einen zweiten Ausgang aufweist, der elektrisch leitend mit einer dritten Schalteinrichtung verbunden ist, daß die erste Schalteinrichtung elektrisch leitend über die zweite Schalteinrichtung mit einer ersten Klemme verbindbar ist, daß die erste Klemme zum einen über einen ersten Widerstand mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und zum anderen über die dritte Schalteinrichtung und einen zweiten Widerstand mit der positiven Versorgungsspannung verbindbar ist, daß der erste Widerstand einen hohen Widerstandswert aufweist, daß der zweite Widerstand einen niedrigen Widerstandswert aufweist, daß die zweite Schalteinrichtung über jede Pulsdauer in den leitenden Zustand geschaltet wird und daß die dritte Schalteinrichtung jeweils zu Beginn eines jeden Pulses für eine vorgegebene oder variable Zeitdauer in den leitenden Zustand geschaltet wird.

Es ist von Vorteil, daß die Takterzeugungseinrichtung einen ersten Ausgang aufweist, der elektrisch leitend mit einer zweiten Schalteinrichtung verbunden ist, daß die Takterzeugungseinrichtung einen zweiten Ausgang aufweist, der elektrisch leitend mit einer dritten Schalteinrichtung verbunden ist, daß die erste Schalteinrichtung elektrisch leitend über die zweite Schalteinrichtung mit einer ersten Klemme verbindbar ist, daß die erste Klemme zum einen über einen ersten Widerstand mit der positiven Versorgungsspannung verbunden ist und zum anderen über die dritte Schalteinrichtung und einen zweiten Widerstand mit der positiven Versorgungsspannung verbindbar ist, daß der erste Widerstand einen hohen Widerstandswert aufweist, daß der zweite Widerstand einen niedrigen Widerstandswert aufweist, daß die zweite Schalteinrichtung über jede Pulsdauer in den leitenden Zustand geschaltet wird und daß die dritte Schalteinrichtung jeweils zu Beginn eines jeden Pulses für eine vorgegebene oder variable Zeitdauer in den leitenden Zustand geschaltet wird, weil so durch die niederohmige Ansteuerung zu Beginn des Pulses ein sicheres Ansteuern und Inbetriebsetzen einer Last gewährleistet wird und zudem die Leistungsverluste bei dem Inbetriebsetzen und Betreiben der Last möglichst gering gehalten werden. Die Umschaltung des Ansteuerwiderstands ermöglicht es zudem überflüssige Ladungsträger möglichst schnell abzuführen und den Bereich der Leistungsregelung möglichst weit auszudehnen, wodurch eine stufenlose Leistungsregelung der Last über einen möglichst großen Regelbereich bei möglichst geringen Leistungsverlusten erreicht wird. Hierbei ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß auf aufwendige Kühlmaßnahmen und Kühlkörper zur Kühlung der ersten Schalteinrichtung verzichtet werden kann. Des weiteren ergibt sich aus der hochohmigen Ansteuerung der Vorteil, daß ein interner Überlast- und Übertemperaturschutz der ersten Schalteinrichtung, dessen Funktion von der hochohmigen Ansteuerung abhängt, für den Betrieb der Einrichtung genutzt werden kann, wodurch die Sicherheit bei dem Betrieb der Einrichtung erhöht wird und mögliche Schäden für die Bauteile der Einrichtung und Fehlfunktionen der Einrichtung vermieden werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß eine Kurzschlußüberwachungseinrichtung mit einer zweiten Klemme verbunden ist, die in der Verbindung zwischen der negativen Versorgungsspannung und der ersten Schalteinrichtung angeordnet ist, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung mit einer dritten Klemme verbunden ist, die in der Verbindung zwischen der ersten Schalteinrichtung und der Drossel angeordnet ist, ergibt sich der Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Kurzschlußüberwachung in dem Lastkreis. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung mit der Takterzeugungseinrichtung verbunden ist, weil so auf einfache Weise eine zyklische Kurzschlußüberwachung erfolgen kann. Dadurch, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung mit einer vierten Schalteinrichtung verbunden ist, über deren Schaltstrecke eine vierte Klemme in der Verbindung zwischen der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung mit der negativen Versorgungsspannung verbindbar ist, ergibt sich der Vorteil, daß bei dem Vorliegen eines Kurzschlusses in dem Lastkreis auf einfache und kostengünstige Weise die erste Schalteinrichtung in den sperrenden Zustand geschaltet werden kann, wodurch mögliche Beschädigungen der Bauelemente der Einrichtung verhindert werden und Fehlfunktionen bei dem Betrieb der Einrichtung vermieden werden. Dadurch, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung mit der Takterzeugungseinrichtung verbunden ist, ergibt sich zudem der Vorteil, daß die erste Schalteinrichtung zyklisch wieder freigesetzt werden kann und somit ein erneutes Ansteuern der Last ermöglicht wird, wodurch bei einem kurzzeitigen Fehler in dem Lastkreis nach dem Wegfall des Fehlers eine automatische Betriebsaufnahme erfolgt.

Es ist von Vorteil, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung mindestens ein Zeitglied aufweist, weil so der Zeitpunkt für die Freigabe der ersten Schalteinrichtung auf einen vorbestimmten oder variablen Zeitpunkt festgelegt werden kann, der z.B. bei einem ständig vorliegenden Kurzschluß in dem Lastkreis sicherstellt, daß die erste Schalteinrichtung durch ständige Einschaltversuche nicht überhitzt wird oder zerstört wird oder andere Bauelemente der Einrichtung beschädigt werden.

Vorteilhaft ist es, daß die erste Schalteinrichtung aus mindestens drei parallel geschalteten Transistoren aufgebaut ist, weil so auch Lasten an der Einrichtung betrieben werden können, die eine große Leistungsaufnahme aufweisen.

Dieser Vorteil ergibt sich insbesondere dann, wenn die Transistoren als Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind.

Dadurch, daß jedem der Transistoren in seiner Verbindung zu der zweiten Schalteinrichtung ein niederohmiger Vorwiderstand zugeordnet ist und daß der Widerstandswert der Widerstände etwa 10 Ohm entspricht, ergibt sich der Vorteil einer gleichmäßigen Leistungsverteilung auf die Transistoren.

Es ist von Vorteil, daß die Takterzeugungseinrichtung, die zweite Schalteinrichtung und die dritte Schalteinrichtung als integrierte Schaltkreise ausgebildet sind, weil so ein einfacher und kostengünstiger Aufbau erreicht wird und Platz eingespart wird.

Dadurch, daß die Takterzeugungseinrichtung, die zweite Schalteinrichtung und die dritte Schalteinrichtung aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind, ergibt sich der Vorteil, daß die Takterzeugungseinrichtung in ihrer Funktion, ihrem Aufbau und ihrer Arbeitsweise bestmöglich an die durch die übrigen Bauelemente der Einrichtung vorgegebenen Eigenschaften und Notwendigkeiten angepaßt werden kann, wodurch bei dem Betrieb der Einrichtung die Sicherheit und Zuverlässigkeit erhöht wird.

Es ist besonders vorteilhaft, daß die Last der Elektromotor eines Lüfters und/oder Heizungsgebläses in Kraftfahrzeugen ist, weil so ein sicheres Ansteuern und Inbetriebsetzen des Gebläses gewährleistet ist, die Leistungsverluste bei dem Inbetriebsetzen und bei dem Betrieb möglichst gering gehalten werden, wodurch auf Kühlkörper für die erste Schalteinrichtung verzichtet werden kann, die z.B. in den Luftzufuhrkanälen zur Kühlung angeordnet sein können und die in das Kraftfahrzeug geförderte Luft ungewollt aufheizen.

Dadurch, daß die Taktfrequenz der Takterzeugungseinrichtung größer 50 kHz ist, ergibt sich der Vorteil, daß aufgrund der hohen Flankensteilheit des Schaltvorgangs die von der Einrichtung erzeugten Störungen in einem Kraftfahrzeug möglichst gering gehalten werden können, da zudem näherungsweise nur Gleichspannungen auf den Ansteuer- und Leistungsleitungen anliegen. Die gleichen Vorteile ergeben sich insbesondere dann, wenn die Taktfrequenz der Takterzeugungseinrichtung etwa 100 kHz entspricht, wodurch gleichzeitig eine Platzersparnis und eine Kostenminimierung erreicht wird, da die zu verwendenden Elektrolytkondensatoren und die Drossel kleine Abmessungen haben können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben: Es zeigen

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 ein Takt- und Funktionsdiagramm der Erfindung,

Fig. 3 einen Schaltungsausschnitt der erfindungsgemäßen Einrichtung in detailierter Darstellung.

Gleiche und gleichwirkende Bauteile in allen Zeichnungen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Eine Last (L) ist dabei zur leistungsgeregelten Ansteuerung mit einem Drossel-Abwärtswandler verbunden. Die Last (L) kann dabei z. B. der Elektromotor eines Lüfters und/oder Heizungsgebläses in einem Kraftfahrzeug sein. Die Last (L) ist parallel zu einem ersten Kondensator (C 1) angeordnet. Die erste Elektrode des ersten Kondensators (C 1) ist elektrisch leitend mit der Drossel (D) verbunden. Die zweite Elektrode des ersten Kondensators (C 1) ist elektrisch leitend mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbunden. Die Drossel (D) ist zudem über eine dritte Klemme (K 3) zum einen mit der ersten Schalteinrichtung (S 1) und zum anderen mit der Anode mit der Freilaufdiode (F) verbunden, deren Kathode elektrisch leitend mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbunden ist. Die Schaltstrecke der ersten Schalteinrichtung (S 1) kann die dritte Klemme (K 3) elektrisch leitend mit einer zweiten Klemme (K 2) verbinden. Die zweite Klemme (K 2) ist dabei zum einen mit der negativen Versorgungsspannung (VN) und zum anderen mit einer ersten Elektrode eines zweiten Kondensators (C 2) verbunden, dessen zweite Elektrode elektrisch leitend mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbunden ist. Die erste Schalteinrichtung (S 1) kann als ein Halbleiterschalter ausgebildet sein, der es ermöglicht, die Last (L) mit hohen Taktfrequenzen anzusteuern.

Um die erste Schalteinrichtung (S 1) mit einer hohen Taktfrequenz ansteuern zu können, verfügt die erfindungsgemäße Einrichtung über eine Takterzeugungseinrichtung (T), die elektrisch leitend mit dem Steuereingang der ersten Schalteinrichtung (S 1) verbunden ist. Die Takterzeugungseinrichtung (T) verfügt über eine Eingangsklemme (E), an der z.B. von einem hier nicht gezeigten Mikrorechner, Eingangssignale anliegen können, in deren Abhängigkeit die Takterzeugungseinrichtung (T) eine Spannung mit einem variablen Puls-Pausen-Verhältnis fester Taktfrequenz erzeugt, die eine Leistungsregelung der Last (L) ermöglicht.

Zur Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) durch die Takterzeugungseinrichtung (T) verfügt die Takterzeugungseinrichtung (T) über einen ersten Ausgang (A 1), der elektrisch leitend mit dem Steuereingang einer zweiten Schalteinrichtung (S 2) verbunden ist. Die zweite Schalteinrichtung (S 2) kann dabei ebenfalls als ein Halbleiterschalter ausgebildet sein, dessen Schaltstrecke zum einen mit dem Steuereingang der ersten Schalteinrichtung (S 1) verbunden ist und zum anderen mit einer ersten Klemme (K 1) verbunden ist. Um zu erreichen, daß die erste Schalteinrichtung sowohl hochohmig als auch niederohmig angesteuert werden kann, ist die erste Klemme (K 1) zum einen über einen ersten Widerstand (R 1) mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbunden und zum anderen über die Schaltstrecke einer dritten Schalteinrichtung (S 3) und einem zweiten Widerstand (R 2) mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbindbar. Zur Ansteuerung der dritten Schalteinrichtung (S 3) verfügt die Takterzeugungseinrichtung (T) über einen zweiten Ausgang (A 2), der elektrisch leitend mit dem Steuereingang der dritten Schalteinrichtung (S 3) verbunden ist. Die dritte Schalteinrichtung (S 3) kann dabei ebenfalls als ein Halbleiterschalter ausgebildet sein. Um einen Wechsel des Ansteuerwiderstandes für die erste Schalteinrichtung (S 1) zu erreichen, ist der erste Widerstand (R 1) als ein hochohmiger Widerstand ausgebildet, während der zweite Widerstand (R 2) als ein niederohmiger Widerstand ausgebildet ist. Der erste Widerstand (R 1) kann dabei beispielhaft einen Widerstandswert von etwa 1000 Ohm aufweisen, während der zweite Widerstand (R 2) beispielhaft einen Widerstandswert von etwa 70 Ohm aufweisen kann. Ist bei jeder Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1), die die erste Schalteinrichtung (S 1) in den leitenden Zustand schaltet, durch einen Puls von der Takterzeugungseinrichtung (T) zu Beginn eines jeden dieser Pulse eine niederohmige Ansteuerung erforderlich, so erzeugt die Takterzeugungseinrichtung (T) über eine vorgegebene oder variable Zeitdauer an dem zweiten Ausgang (A 2) eine Spannung, die die dritte Schalteinrichtung (S 3) in den leitenden Zustand schaltet, wodurch eine niederohmige Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) erreicht wird, da über jede Pulsdauer von der Takterzeugungseinrichtung (T) an derem ersten Ausgang (A 1) eine Spannung anliegt, die die zweite Schalteinrichtung (S 2) in den leitenden Zustand schaltet. Nach der vorgegebenen oder variablen Zeitdauer wird die dritte Schalteinrichtung (S 3) in den gesperrten Zustand geschaltet, so daß über den Rest der Pulsdauer die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) hochohmig erfolgt.

Um die Sicherheit bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen Einrichtung zu erhöhen, Fehlfunktionen zu vermeiden und Beschädigungen von Bauteilen der Einrichtung zu verhindern, verfügt die erfindungsgemäße Einrichtung über eine Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K). Zur Ermittlung, ob in dem Lastkreis ein Kurzschluß vorliegt, ist es erforderlich, eine Spannung in dem Lastkreis zu messen. Zu diesem Zweck ist die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) zum einen elektrisch leitend mit der zweiten Klemme (K 2) verbunden und zum anderen elektrisch leitend mit der dritten Klemme (K 3) verbunden. Als Meßwiderstand für den Spannungsabfall in dem Lastkreis dient dabei in besonders vorteilhafter Weise, die Schaltstrecke der ersten Schalteinrichtung (S 1), wenn diese sich in dem leitenden Zustand befindet. Überschreitet die von der Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) gemessene Spannung eine vorgegebene Grenzspannung, die sicherstellt, daß die gemessene Spannung nicht aufgrund des hohen Anlaufstromes bei dem Inbetriebsetzen der Last (L) erfolgt, sondern nur durch einen Kurzschluß in dem Lastkreis gegeben sein kann, wird die erste Schalteinrichtung (S 1) in den sperrenden Zustand geschaltet, falls der Strom über dem Anlaufstrom liegt. Zu diesem Zweck ist die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) elektrisch leitend mit dem Steuereingang einer vierten Schalteinrichtung (S 4) verbunden, deren Schaltstrecke die negative Versorgungsspannung (VN) elektrisch leitend mit einer vierten Klemme (K 4) verbinden kann, die in der Verbindung zwischen der ersten Schalteinrichtung (S 1) und der zweiten Schalteinrichtung (S 2) angeordnet ist. Um den Meßvorgang der Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) zu einem vorgegebenen definierten Zeitpunkt starten zu können, der z.B. mit dem Beginn des Pulses von der Takterzeugungseinrichtung (T) zusammenfällt, ist die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) elektrisch leitend mit der Takterzeugungseinrichtung (T) verbunden. Diese Verbindung ermöglicht eine zyklische Kurzschlußüberwachung in dem Lastkreis der erfindungsgemäßen Einrichtung. Durch diese Verbindung wird zudem ermöglicht, auch bei dem Vorliegen eines Kurzschlusses in dem Lastkreis periodisch den Versuch durchzuführen, die Last (L) in Betrieb zu setzen. Zu diesem Zweck wird die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Takterzeugungseinrichtung (T) angesteuert, so daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) ein Signal erzeugen kann, daß die vierte Schalteinrichtung (S 4) in den gesperrten Zustand schaltet und so die erste Schalteinrichtung (S 1) freigibt, d.h. über die zweite Schalteinrichtung (S 2) in den leitenden Zustand schaltbar ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) über ein Zeitglied verfügen, daß eine vorgegebene Zeitdauer bestimmt, die gewartet wird, bevor die erste Schalteinrichtung (S 1) freigegeben wird, um zu vermeiden, daß bei einem ständig vorliegenden Kurzschluß in dem Lastkreis durch ein zu schnelles kurz aufeinanderfolgendes Freigeben und Ansteuern der ersten Schalteinrichtung (S 1) diese sich zu sehr erhitzt, wodurch Beschädigungen entstehen können und zudem Beschädigungen der Last (L) durch ein zu schnelles aufeinanderfolgendes Ansteuern bei dem Vorliegen eines Kurzschlusses vermieden werden.

Fig. 2 zeigt ein zeitliches Ablaufdiagramm, der durch die Takterzeugungseinrichtung (T) erzeugten Takte. Im folgenden wird anhand dieses Ablaufdiagramms das Verfahren zur Ansteuerung der Last (L) näher beschrieben.

Das gezeigte Diagramm ist in zwei Taktablaufdiagramme unterteilt. Auf der Abszisse ist dabei die Zeit (t) aufgetragen, während auf der Ordinate für jedes Taktablaufdiagramm jeweils die Spannung (U) aufgetragen ist. Das obere Taktablaufdiagramm zeigt den Spannungsverlauf von der Takterzeugungseinrichtung (T) an dessen erstem Ausgang (A 1), während das untere Taktablaufdiagramm den Spannungsverlauf an dem zweiten Ausgang (A 2) der Takterzeugungseinrichtung (T) darstellt.

Um bei der erfindungsgemäßen Einrichtung für den ersten und zweiten Kondensator (C 1, C 2) und die Drossel (D) kostengünstige und platzsparende Bauelemente verwenden zu können, wird die Taktfrequenz, die die Takterzeugungseinrichtung (T) erzeugt, hier beispielhaft größer etwa 50 kHz gewählt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die von der Takterzeugungseinrichtung (T) erzeugte Taktfrequenz beispielsweise etwa 100 kHz beträgt. Davon ausgehend beträgt die Periodendauer (Z) in dem hier gezeigten Ablaufdiagramm beispielsweise 10 Mikrosekunden. In Abhängigkeit von der an der Eingangsklemme (E) der Takterzeugungseinrichtung (T) anliegenden Spannung z.B. von einem hier nicht gezeigten Mikrorechner, erzeugt die Takterzeugungseinrichtung (T) eine Spannung mit einem variablen Puls-Pausen-Verhältnis. Dadurch, daß die Pulsdauer (Z 1), über die an dem Ausgang (A 1) eine Spannung anliegt, die die zweite Schalteinrichtung (S 2) in den leitenden Zustand und damit die erste Schalteinrichtung (S 1) in den leitenden Zustand schaltet, nahezu unbegrenzt variiert werden kann, erreicht man einen möglichst großen Regelbereich der Leistung für die Last (L). Die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) erfolgt dabei über die Pulsdauer (Z 1) hochohmig, so daß ein integrierter Überlast- und Übertemperaturschutz der ersten Schalteinrichtung wirksam ist, wodurch die Sicherheit bei dem Betrieb erhöht wird. Diese hochohmige Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) kann bei den genannten hohen Frequenzen und den vorgegebenen Flankensteilheiten des Schaltvorgangs durch die erste Schalteinrichtung (S 1) dazu führen, daß ein sicheres Inbetriebsetzen und Ansteuern der Last (L) nicht gewährleistet ist. Zur schnellen Abfuhr überschüssiger Ladungsträger beim Schalten der ersten Schalteinrichtung (S 1) ist es daher erforderlich, über eine vorgegebene oder variable Zeitdauer (Z 0) die erste Schalteinrichtung (S 1) niederohmig anzusteuern. Das untere Ablaufdiagramm der Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf an dem zweiten Ausgang (A 2) der Takterzeugungseinrichtung (T), der eine kurzzeitige niederohmige Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) ermöglicht. Jeweils mit Beginn eines jeden Pulses an dem ersten Ausgang (A 1) liegt an dem zweiten Ausgang (A 2) eine Spannung an, die die dritte Schalteinrichtung (S 3) in den leitenden Zustand schaltet, so daß an der ersten Klemme (K 1) ein niederohmiges Potential anliegt. Die Zeitdauer (Z 0) über die die dritte Schalteinrichtung (S 3) in den leitenden Zustand geschaltet wird, kann beispielsweise etwa 0,3 Mikrosekunden betragen, wenn die Periodendauer (Z) beispielsweise etwa 10 Mikrosekunden beträgt. Die Zeitdauer (Z 0) kann dabei jedoch auch in Abhängigkeit von dem Eingangssignal an der Eingangsklemme (E) variabel sein. Durch diese Änderung des Ansteuerwiderstandes für die erste Schalteinrichtung (S 1) wird neben einem sicheren Inbetriebsetzen der Last (L) erreicht, daß ein möglichst großer Bereich zur Regelung der Leistung der Last (L) zur Verfügung gestellt wird, wodurch insbesondere erreicht wird, daß bei einer Ansteuerung der Last (L) mit ganz kleinen Leistungen und ganz großen Leistungen Leistungssprünge vermieden werden. Über die in dem Ablaufdiagramm gekennzeichnete Zeit (Z 2) liegt an dem ersten Ausgang (A 1) eine Spannung an, die bewirkt, daß die zweite Schalteinrichtung (S 2) in den gesperrten Zustand geschaltet wird. Die Zeit (Z 2) ist dabei abhängig von der Pulsdauer (Z 1). Die Spannung an der ersten Ausgangsklemme (A 1) kann dabei beispielsweise etwa 0 Volt betragen.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der ersten Schalteinrichtung (S 1) mit Einbindung in die Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Zur Ansteuerung von Lasten (L), die eine hohe Leistungsaufnahme haben können, reicht die Verwendung eines einzelnen Halbleiterschalters als erste Schalteinrichtung (S 1) häufig nicht aus. Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die erste Schalteinrichtung (S 1) aus einer Parallelschaltung von mindestens drei Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) besteht. Die verwendeten Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) sind hier in vorteilhafter Weise als Feldeffekt-Transistoren ausgebildet, um möglichst hohe Flankensteilheiten bei dem Schaltvorgang zu erreichen und möglichst hohe Lasten (L) schalten zu können. Die zweite Schalteinrichtung (S 2) ist, wie unter Fig. 1 beschrieben, zum einen mit der ersten Klemme (K 1) und zum anderen mit dem ersten Ausgang (A 1) verbunden. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die erste Klemme (K 1) über die Schaltstrecke der zweiten Schalteinrichtung (S 2) elektrisch leitend mit jedem Gate der Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) verbindbar. Um eine möglichst gleichmäßige Leistungsaufteilung auf die Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) zu erreichen, ist jedem Gate der Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) in seiner Verbindung zu der zweiten Schalteinrichtung (S 2) je ein Vorwiderstand (W 1, W 2, W 3 ...) vorgeschaltet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Drain-Elektroden der Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) untereinander und mit der zweiten Klemme (K 2) verbunden, die mit der negativen Versorgungsspannung (VN) verbunden ist. Weiterhin sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Source-Elektroden der Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) untereinander und mit der dritten Klemme (K 3) der erfindungsgemäßen Einrichtung verbunden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Transistortypen verwendet werden, wobei jedoch das Prinzip der Parallelschaltung bestehen bleiben kann.

Claims (16)

1. Verfahren zum Ansteuern einer Last, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mittels eines Drossel-Abwärtswandlers, der einen ersten und einen zweiten Kondensator, eine Freilaufdiode, eine Drossel und eine erste Schalteinrichtung aufweist und der mit der Last elektrisch leitend verbunden ist, mit einer Takterzeugungseinrichtung, die in Abhängigkeit von Eingangssignalen eine Spannung mit einem variablen Puls-Pausen-Verhältnis fester Taktfrequenz erzeugt, die die erste Schalteinrichtung ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) in den leitenden Zustand mit dem Beginn jeder Pulsdauer (Z 1) für eine vorgegebene oder variable Zeitdauer (Z 0) niederohmig erfolgt, daß nach dem Ablauf dieser Zeitdauer (Z 0) die Ansteuerung der ersten Schalteinrichtung (S 1) für die restliche Zeit der Pulsdauer (Z 1) hochohmig erfolgt und daß die erste Schalteinrichtung (S 1) nach dem Ablauf der Pulsdauer (Z 1) in den gesperrten Zustand geschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Beginn jeder Pulsdauer (Z 1) die Spannung über die Schaltstrecke der ersten Schalteinrichtung (S 1) gemessen wird, daß ermittelt wird, ob die gemessene Spannung größer ist als eine vorgegebene Grenzspannung, daß die erste Schalteinrichtung (S 1) in den gesperrten Zustand geschaltet wird, wenn die gemessene Spannung die vorgegebene Grenzspannung überschreitet und daß nach einer vorgegebenen Zeitdauer und/oder zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Freigabe der ersten Schalteinrichtung (S 1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitdauer einer vorgegebenen Anzahl von Taktperioden entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Zeitpunkt dem Zeitpunkt des Ablaufs der Pulsdauer (Z 1) entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Zeitpunkt dem Beginn der Pulsdauer (Z 1) entspricht, falls die Grenzspannung nicht mehr überschritten wird.

6. Einrichtung zum Ansteuern einer Last, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem Drossel-Abwärtswandler, der einen ersten und einen zweiten Kondensator, eine Freilaufdiode, eine Drossel und eine erste Schalteinrichtung aufweist und der mit der Last elektrisch leitend verbunden ist, mit einer Takterzeugungseinrichtung, die in Abhängigkeit von Eingangssignalen eine Spannung mit einem variablen Puls-Pausen-Verhältnis fester Taktfrequenz erzeugt und die elektrisch leitend mit der ersten Schalteinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Takterzeugungseinrichtung (T) einen ersten Ausgang (A 1) aufweist, der elektrisch leitend mit einer zweiten Schalteinrichtung (S 2) verbunden ist, daß die Takterzeugungseinrichtung (T) einen zweiten Ausgang (A 2) aufweist, der elektrisch leitend mit einer dritten Schalteinrichtung (S 3) verbunden ist, daß die erste Schalteinrichtung (S 1) elektrisch leitend über die zweite Schalteinrichtung (S 2) mit einer ersten Klemme (K 1) verbindbar ist, daß die erste Klemme (K 1) zum einen über einen ersten Widerstand (R 1) mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbunden ist und zum anderen über die dritte Schalteinrichtung (S 3) und einen zweiten Widerstand (R 2) mit der positiven Versorgungsspannung (VP) verbindbar ist, daß der erste Widerstand (R 1) einen hohen Widerstandswert aufweist, daß der zweite Widerstand (R 2) einen niedrigen Widerstandswert aufweist, daß die zweite Schalteinrichtung (S 2) über jede Pulsdauer (Z 1) in den leitenden Zustand geschaltet wird und daß die dritte Schalteinrichtung (S 3) jeweils zu Beginn eines jeden Pulses für eine vorgegebene oder variable Zeitdauer (Z 0) in den leitenden Zustand geschaltet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) mit einer zweiten Klemme (K 2) verbunden ist, die in der Verbindung zwischen der negativen Versorgungsspannung (VN) und der ersten Schalteinrichtung (S 1) angeordnet ist, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) mit einer dritten Klemme (K 3) verbunden ist, die in der Verbindung zwischen der ersten Schalteinrichtung (S 1) und der Drossel (D) angeordnet ist, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) mit der Takterzeugungseinrichtung (T) verbunden ist und daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) mit einer vierten Schalteinrichtung (S 4) verbunden ist, über deren Schaltstrecke eine vierte Klemme (K 4) in der Verbindung zwischen der ersten Schalteinrichtung (S 1) und der zweiten Schalteinrichtung (S 2) mit der negativen Versorgungsspannung (VN) verbindbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußüberwachungseinrichtung (K) mindestens ein Zeitglied aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schalteinrichtung (S 1) aus mindestens drei parallel geschalteten Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) aufgebaut ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) als Feldeffekt-Transistoren ausgebildet sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Transistoren (T 1, T 2, T 3 ...) in seiner Verbindung zu der zweiten Schalteinrichtung (S 2) ein niederohmiger Vorwiderstand (W 1, W 2, W 3 ...) zugeordnet ist und daß der Widerstandswert der Widerstände (W 1, W 2, W 3...) etwa 10 Ohm beträgt.

12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Takterzeugungseinrichtung (T), die zweite Schalteinrichtung (S 2) und die dritte Schalteinrichtung (S 3) als integrierte Schaltkreise ausgebildet sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Takterzeugungseinrichtung (T), die zweite Schalteinrichtung (S 2) und die dritte Schalteinricchtung (S 3) aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind.

14. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (L) der Elektromotor eines Lüfters und/oder Heizungsgebläses in Kraftfahrzeugen ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz der Takterzeugungseinrichtung (T) größer 50 kHz ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz der Takterzeugungseinrichtung (T) etwa 100 kHz entspricht.