DE4021486A1 - Schaltungsanordnung zum betrieb von elektromagnetischen verbrauchern - Google Patents

Schaltungsanordnung zum betrieb von elektromagnetischen verbrauchern

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DE4021486A1 DE19904021486 DE4021486A DE4021486A1 DE 4021486 A1 DE4021486 A1 DE 4021486A1 DE 19904021486 DE19904021486 DE 19904021486 DE 4021486 A DE4021486 A DE 4021486A DE 4021486 A1 DE4021486 A1 DE 4021486A1
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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Hauptanspruches.
Um elektromagnetische Verbraucher möglichst schnell in ihren Nenn-Erregungszustand zu versetzen, ist es bekannt, sie beim Ein­ schalten für kurze Zeit an eine höhere Spannung zu legen, als es für den Nenn-Erregungszustand notwendig ist.
Betrachtet man als elektromagnetische Verbraucher insbesondere schnell zu betätigende Magnetventile wie sie beispielsweise in Kraftstoffzumeßsystemen von Brennkraftmaschinen oder in Dämpfer­ systemen, die durch den Einsatz dieser Magnetventilen in ihren Dämpfereigenschaften verstellbar ausgelegt sind, zum Einsatz kommen, so wird deutlich, daß solche elektromagnetische Verbraucher durch Anlegen einer höheren Anzugsspannung möglichst schnell einzuschalten sind und anschließend mit möglichst geringer Energie durch Anlegen einer niedrigeren Haltespannung im Einschaltzustand zu halten sind.
Aus der DE-OS 28 41 781 ist eine getaktete zweistufige Versorgung in Form eines elektronischen Schalters mit einer Freilauf-Diode bekannt, wobei über das Taktverhältnis der Anzug- und Haltestrom einstellbar beziehungsweise regelbar ist. Derart getaktete Endstufen sind im Hinblick auf ihre elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) unbefriedigend.
Die in der DE-Patentanmeldung P 39 20 064.7 vorgestellte Schaltungs­ anordnung arbeitet im stationären, also nicht im getakteten, Betrieb. Der zu betreibende elektromagnetische Verbraucher wird über zwei ansteuerbare Schalteinrichtungen mit zwei unterschiedlich großen Spannungen, der Anzugsspannung und der Haltespannung im Falle eines Magnetventils, beaufschlagt. Hierbei ist der die Haltespannung aufweisende Stromkreis für jeden einzelnen Verbraucher mit einer Stromregelung versehen.
Diese Anordnung ist im Hinblick auf niedrige Verlustleistungen und eine geringe Anzahl von Bauelementen nachteilig, da für jeden Verbraucher jeweils eine Stromreglung benötigt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ausgehend von einer Schaltungsanordnung, wie sie in der DE-Patentanmeldung P 39 20 064.7 beschrieben wird, eine möglichst verlustarme Schal­ tungsanordnung zum Betrieb von einem oder mehreren elektro­ magnetischen Verbrauchern bei möglichst geringer Anzahl der Bau­ elemente zu erlangen.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Vorteil der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sieht die Beaufschlagung eines oder mehrerer Verbraucher durch je zwei ansteuerbare Schalt­ einrichtungen pro Verbraucher mit zwei unterschiedlich großen Spannungen vor, wobei die niedrigere Spannung, die der Mindest-Er­ regerspannung der Verbraucher entspricht, regelbar ausgelegt ist. Gegenüber dem in der DE-Patentanmeldung P 39 20 064.7 beschriebenen Stand der Technik wird der Strom, der in dem Stromkreis der Mindest-Erregerspannung fließt, nicht für jeden einzelnen Ver­ braucher geregelt. Vielmehr ist eine Strombegrenzung in diesem Stromkreis für alle Verbraucher vorgesehen.
Im Stromkreis mit der niedrigeren Spannung ist eine Spannungs­ regelung auf die Mindest-Erregerspannung immer dann wirksam, wenn die Stromstärke in diesem Stromkreis einen Stromwert Imax nicht überschreitet. Wird jedoch Imax überschritten, so wird die niedrigere Spannung derart gewählt, daß die Stromstärke wieder auf den Wert Imax abgesenkt werden. Für einen Grenzwert Imax geht also die Spannungsregelung, im Sinne einer Strombegrenzung auf Imax, über in eine Stromregelung.
Der Grenzwert Imax wird hierbei so gewählt, daß er größer oder gleich der Summe der Mindest-Erregerströme aller Verbraucher ist.
Dies hat den Vorteil, daß die Mittel zur Bereitstellung der niedrigeren Spannung, die von allen Verbrauchern gemeinsam benutzt werden, lediglich auf einen maximalen Strom Imax ausgelegt sein müssen.
Der Wegfall der separaten Stromregelung für jeden einzelnen Ver­ braucher erniedrigt zum einen die Verlustleistung der gesamten Anordnung und reduziert zum anderen die Anzahl der benötigten Bau­ elemente.
Eine besonders vorteilhafte Auslegung der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung ist die Bereitstellung der niedrigeren Spannung mittels eines Spannungswandlers aus einer höheren Spannung, die im Falle einer Anwendung in einem Personen- und/oder Nutzkraftwagen die Batteriespannung sein kann. Ist das Spannungswandlungsverhältnis des Spannungswandlers veränderbar ausgelegt, so erfolgt die Regelung der niedrigeren Spannung durch eine Regelung des Spannungswandlungs­ verhältnises des Spannungswandlers. Ebenso geschieht die Imax-Strom­ begrenzung durch Veränderungen des Spannungswandlungsverhältnises des Spannungswandlers.
Um eine gegenseitige Beeinflussung der die Spannungen UH und UBat aufweisenden Stromkreise und/oder der ansteuerbaren Schalteinrich­ tungen, durch die die Verbraucher mit den beiden unterschiedlich großen Spannungen beaufschlagt werden, zu verhindern, ist als Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die beiden Schaltein­ richtungen über Entkopplungsschaltungen mit den Verbrauchern ver­ bunden sind. Diese Entkopplungsschaltungen werden vorzugsweise von einer Diodenanordnung derart gebildet, daß ein oder zwei Dioden in Durchlaßrichtung mit gleichartigen Elektroden (Anoden oder Kathoden) an die Verbraucher angeschlossen sind und daß deren andere Elektrode (Kathode oder Anode) jeweils in Verbindung zu einem der Schalt­ einrichtungen stehen. Hierdurch werden unerwünschte Ausgleichsströme zwischen den Stromkreisen mit den beiden unterschiedlich großen Spannungen vermieden.
Eine besonders einfache Auslegung der Entkopplungsschaltungen sieht lediglich jeweils eine einzige Diode vor, die sich in der oben beschriebenen Art und Weise in dem Stromkreis mit der niedrigeren Spannung befindet. Hierdurch wird eine Beeinflussung des Strom­ kreises, der die niedrigere Spannung aufweist, durch den Stromkreis mit der höheren Spannung bei gleichzeitiger Beaufschlagung eines Verbrauchers mit beiden Spannungen vermieden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dar­ gestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In diesem Ausführungsbeispiel soll anhand der Zeichnung die erfin­ dungsgemäße Schaltanordnung dargestellt werden.
In der Fig. 1 werden mit der Position 1 ein Spannungswandler, mit der Position 2 eine Stromerkennung und mit der Position 3 eine Spannungserkennung bezeichnet. Die Positionen 11 und 12 stellen 1. und 2. Schalteinrichtungen dar, während mit der Position 13 Entkopp­ lungsschaltungen beschrieben werden. Die Fig. 1 weist mit den Positionen 14 Magnetventile und mit den Positionen 15 Steuer­ schaltungen auf. Mit der Position 8 ist eine Strom/Spannungseinheit und mit der Position 9 eine Regeleinheit bezeichnet. Position 10 stellt eine Vergleichseinheit dar.
Die Fig. 2 und 3 zeigen die Steuersignale S1 und S2. Die Fig. 4 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf an den Magnetventilen 14.
Der mit Position 1 bezeichnete Spannungswandler wandelt die Betriebsspannung UBat, die bei der Verwendung der Schaltungs­ anordnung in einem Kraftfahrzeug im allgemeinen die Batteriegleich­ spannung UBat ist, in die Gleichspannung UH um, die kleiner als UBat ist. Das Spannungswandlungsverhältnis alpha = UH : UBat des Spannungs­ wandlers 1 ist veränderbar ausgelegt.
In der Stromerkennung 2 und der Spannungserkennung 3 werden die Stromstärkewerte IH und die Sannungswerte UH ermittelt. In der Strom/Spannungswandlereinheit 8 werden die in der Stromerkennung 2 ermittelten Stromstärken IH nach der Vorschrift
UI = (UHsoll/Imax)*IH (1)
in proportionale Spannungswerte UI umgewandelt und diese Spannungs­ signale UI der Vergleichseinheit 10 als Eingangssignale zugeführt. Der Wert Imax wird so gewählt, daß er größer oder gleich der Summe der Mindest-Erregerströme aller Verbraucher ist.
In der Vergleichseinheit 10 werden die UI Werte mit den ebenfalls als Eingangssignale anliegenden UH Werten der Spannungserkennung 3 derart verglichen, daß jeweils die größere der beiden Spannungen UI und UH am Ausgang der Vergleichseinheit 10 ansteht.
Die Vergleichseinheit 10 kann beispielsweise als Anordnung zweier Dioden derart ausgebildet sein, daß in den die Spannungen UH und UI aufweisenden Stromkreisen jeweils eine Diode vor einer Kontaktstelle a, an der die beiden Stromkreise kontaktiert werden, angebracht sind. Die Dioden sind mit ihrer Durchlaßrichtung in Richtung der Kontaktstelle a anzuordnen. Hierdurch wird erreicht, daß die jeweils größere Spannung ausgangsseitig der Vergleichseinheit 10 anliegt. Die Ausgangsspannungen der Vergleichseinheit 10 werden der Regel­ einheit 9 zugeführt.
Weiterhin werden vorgegebene Spannungswerte UHsoll der Regeleinheit 9 zugeleitet. Diese UHsoll Werte entsprechen den Mindest-Erreger­ spannungen der Verbraucher, das heißt den Haltespannungen der Magnetventile 14.
In der Reglereinheit 9 wird das Spannungswandlungsverhältnis alpha des Spannungswandlers 1 im Sinne einer Minimierung der betraglichen Differenz der Eingangssignale gewählt. Berücksichtigt man die Funktionsweise der Vergleichseinheit 10, so heißt dies:
  • - für UI < UH wird alpha im Sinne einer Minimierung des Wertes |UH-UHsoll| beeinflußt, das heißt, UH wird auf den Sollwert UHsoll geregelt;
  • - für UI < UH wird alpha im Sinne einer Minimierung des Wertes |UI-UHsoll| = |(UHsoll/Imax)*(IH-Imax)| (nach Gleichung (1)) beeinflußt. Da die Größen UHsoll und Imax konstante Größen sind, bedeutet dies, daß im Falle UI < UH alpha derart gewählt wird, daß IH auf Imax abgesenkt wird. Zur Verdeutlichung sei darauf verwiesen, daß gemäß der Gleichung (1) UI < UH äquivalent ist mit (IH/Imax) * UHsoll < UH und dies immer dann erfüllt ist, wenn IH < Imax ist, da UH auf den Sollwert UHsoll geregelt wird.
Die quantitativen Abhängigkeiten zwischen den betraglichen Differenzen und der Veränderung von alpha kann beispielsweise in Kennlinien abgespeichert sein.
Durch diese Maßnahmen wird eine Spannungsregelung der Spannung UH auf den Sollwert UHsoll erreicht solange IH kleiner als Imax ist. Wird IH größer als Imax, so geht die Spannungsregelung über in eine Stromregelung im Sinne einer Strombegrenzung von IH auf Imax.
Die Steuerschaltungen 15 werden durch Signale zum Öffnen oder Schließen der der Magnetventile 14 beaufschlagt. Diese Signale können beispielsweise Ausgangssignale von Steuer- und/oder Rege­ lungseinheiten sein. Das Öffnen und Schließen der Magnetventile 14 geschieht nun gesteuert von den Steuerschaltungen 15 in der folgenden Weise:
Für das Öffnen der Magnetventile 14 stellen die Steuerschaltungen 15 die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Steuersignale S1 und S2 zur Verfügung. Beide Steuersignale S1 und S2 werden zum gleichen Zeit­ punkt t1 abgegeben. Zum Zeitpunkt t2 geht das die 1. Schalteinrich­ tungen 11 ansteuernde Signal S2 wieder auf Null zurück, während das die 2. Schalteinrichtungen 12 ansteuernde Signal S1 bis zum Zeit­ punkt t3 aufrecht erhalten wird.
Durch die Ansteuerung der 1. Schalteinrichtungen 11 durch das Signal S2 wird den Magnetventilen 14 die höhere Spannung UBat zugeführt. Da die Anzugsspannung UBat größer als die Haltespannung UH ist, werden durch dieses Vorgehen schnelle Einschaltvorgänge der Magnetventile in den Zeiträumen zwischen t1 und t2 erreicht. Die kleinere Halte­ spannung UH wird erst zum Zeitpunkt t2 wirksam und bewirkt, daß die Magnetventile 14 bis zum Zeitpunkt t3 offen bleiben.
Um eine gegenseitige Beeinflussung der ansteuerbaren Schalteinrich­ tungen zu vermeiden, sind Entkopplungsschaltungen 13 vorgesehen. Diese Entkopplungsschaltungen werden vorzugsweise von einer Dioden­ anordnung derart gebildet, daß jeweils eine Diode in Durchlaßrich­ tung mit gleichartigen Elektroden (Anoden oder Kathoden) an die Magnetventile 14 angeschlossen ist und daß deren andere Elektrode (Kathode oder Anode) jeweils in Verbindung zu den Schalteinrich­ tungen 12 stehen. Hierdurch werden unerwünschte Ausgleichsströme zwischen dem Stromkreis mit der höheren Spannung UBat und dem Strom­ kreis mit der niedrigeren Spannung UH vermieden.
Eine andere vorteilhafte Ausführung der Schaltungsanordnung sieht vor, daß die Signale S1 und S2 nie gleichzeitig an den Schaltein­ richtungen 11 und 12 anliegen. Dies kann durch eine entsprechende Auslegung der Steuerschaltungen 15 erreicht werden.
In diesem Falle sind die Entkopplungsschaltungen 13 unnötig und können deshalb im Sinne einer Reduzierung der Bauelemente weg­ gelassen werden.
Die Schalteinrichtungen 11 und 12 können beispielsweise als Bipolar- oder MOS-Transistoren oder als intelligente Endstufen­ bausteine ausgelegt sein.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann zur unabhängigen Schaltung von mehreren Verbrauchern benutzt werden. Dies wird durch voneinander unabhängig arbeitenden Steuerschaltungen 15 erreicht.
Weiterhin können mehrere Verbraucher zu Gruppen zusammengefaßt werden, die jeweils durch eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den beiden Spannungen beaufschlagt werden.
Besonders ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betrieb von Verbraucher geeignet, die Dämpfungs- und/oder Federungseigen­ schaften von Dämpfungs- und/oder Federungssystemen regel- und/oder steuerbarer Fahrwerke beeinflussen. Eine weitere Anwendungs­ möglichkeit der Schaltungsanordnung ist der Betrieb von Ver­ brauchern, insbesondere von Magnetventilen, die zu einem Kraftstoff­ zumeßsystemen gehören.

Claims (11)

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines oder mehrerer elektro­ magnetischer Verbraucher, insbesondere von Magnetventilen, wobei jeder Verbraucher (14) über eine ansteuerbare 1. Schalteinrichtung (11) mit einer 1. Spannung (UBat) und über eine ansteuerbare 2. Schalteinrichtung (12) mit einer 2. Spannung (UH), die niedriger als die 1. Spannung (UBat) ist, beaufschlagbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die 2. Spannung (UH) regelbar ausgelegt ist und für die Stromstärke (IH), mit der die Verbraucher durch die 2. Schalt­ einrichtung (12) beaufschlagt werden, eine Maximal- Begrenzung vorgesehen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Maximal-Begrenzung für die Stromstärke (IH) ein Stromwert Imax gewählt wird, der größer oder gleich der Summe der Mindest-Erreger­ ströme ist, die in den die 2. Spannungen (UH) aufweisenden Strom­ kreis bei geschlossenen 2. Schalteinrichtung (12) fließen, und die Mittel zur Bereitstellung der 2. Spannung (UH) etwa auf den Strom­ wert Imax ausgelegt sind.
3. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereitstellung der kleineren Spannung (UH) mittels eines Spannungswandlers (1) aus der höheren Spannung (UBat) gebildet wird und das Spannungswandlungsverhältnis alpha = UH : UBat des Spannungswandlers (1) veränderbar ausgelegt ist und die Regelung der kleineren Spannung (UH) auf den Sollwert UHsoll durch eine Regelung des Spannungswandlungsverhältnisses alpha des Spannungswandlers (1) erfolgt.
4. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Spannungswandlungs­ verhältnisses alpha derart geschieht, daß
  • - UH für IH-Werte, die kleiner oder gleich dem Wert Imax sind, der Mindest-Erregerspannungen UHsoll der Verbraucher (14) entspricht und
  • - UH für IH-Werte, die größer als der Wert Imax sind, derart gewählt wird, daß die IH-Werte wieder auf den Wert Imax abgesenkt werden.
5. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle von Magnetventilen als Ver­ braucher die Mindest-Erregerspannungen die Haltespannung der Magnet­ ventile und die Mindest-Erregerströme die Halteströme der Magnet­ ventile und die größere Spannung (UBat) die Anzugsspannungen der Magnetventile sind.
6. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zum Betrieb von Verbrauchern angewendet wird, die Dämpfungs- und/oder Federungs­ eigenschaften von Dämpfungs- und/oder Federungssystemen regel- und/oder steuerbarer Fahrwerke beeinflussen und/oder die Schaltungsanordnung zum Betrieb von Verbrauchern angewendet wird, die zu Kraftstoffzumeßsystemen gehören.
7. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (11, 12) über Entkopplungsschaltungen (13) mit den Verbrauchern (14) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungsschaltungen (13) eine oder mehrere Dioden enthalten, die in Durchlaßrichtung mit gleich­ artigen Elektroden (Anoden oder Kathoden) an die Verbraucher (14) angeschlossen sind und deren andere Elektrode (Kathode oder Anode) jeweils in Verbindung zu einem der Schalteinrichtungen stehen.
9. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Verwendung der Schal­ tungsanordnung in einem Personen- und/oder Nutzkraftwagen die 1. Spannung (UBat) die Batteriespannung des Personen- und/oder Nutz­ kraftwagens ist.
10. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (11 und 12) als Bipolar- oder MOS-Transistoren oder als intelligente Endstufenbau­ steine ausgelegt sind und durch Signale von Steuerschaltungen (15) derart gesteuert werden, daß die Verbraucher (14) durch definierte Ansteuerungen der Schalteinrichtungen (11 und 12) (Steuersignal S2 und S1) bestimmte Zeiten mit den beiden Spannungen UBat und UH beaufschlagt werden.
11. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke (IH) in Strom/Spannungswandlereinheiten (8) in proportionale Spannungswerte (UI) nach der Vorschrift UI = (UHsoll/Imax) * IH umgewandelt wird und diese Spannungswerte (UI) neben den Spannungswerten (UH) als Ein­ gangssignale an der Vergleichseinheit (10) anliegen und als Aus­ gangssignale der Vergleichseinheit (10) die jeweils größere der beiden Eingangssignale anliegen und die Ausgangssignale der Ver­ gleichseinheit (10) der Regeleinheit (9) neben dem Spannungswert UHsoll als Eingangssignale zugeführt werden und in der Regeleinheit (9) das Spannungswandlungsverhältnis alpha im Sinne einer Mini­ mierung der betraglichen Differenz der Eingangssignale gewählt wird.
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