DE69511173T2

DE69511173T2 - Versorgungsschaltung für Motorfahrzeuge

Info

Publication number: DE69511173T2
Application number: DE69511173T
Authority: DE
Inventors: Antonino Fratta; Andrea Nepote
Original assignee: Magneti Marelli SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1994-05-24
Filing date: 1995-04-03
Publication date: 1999-12-02
Anticipated expiration: 2015-04-04
Also published as: DE69511173D1; EP0684754A1; ITTO940422A0; IT1268065B1; ITTO940422A1; ES2134969T3; EP0684754B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromversorgungskreis der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art.
Die EP-A-0 534 422 offenbart einen Stromversorgungskreis der Art, welcher bei Kopplung an eine Eingangsgleichspannungsquelle an seinem Ausgang eine im wesentlichen konstante Gleichspannung mit einer bezüglich jener der Eingangsspannungsquelle umgekehrten Polarität schafft.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Stromversorgungskreises von besonders einfacher Schaltbarkeit, welcher die Verwendung einer kleineren Anzahl von reaktiven Komponenten und insbesondere induktiven Komponenten unter optimaler Ausnutzung derselben ermöglicht.
Dieses und andere Ziele werden erfindungsgemäß durch einen Stromversorgungskreis des oben angeführten Typs mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen erreicht.
Weitere Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen, nur beispielhaft und nicht einschränkend gedachten Zeichnungen hervor, worin Fig. 1 bis 4 elektrische Diagramme von vier Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schaltung sind, welche zur Versorgung einer Gasentladungslampe verwendet werden.
In einer ersten, in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Schaltung eine Gleichspannungsquelle B, welche zum Beispiel durch die Batterie in einem Kraftfahrzeug dargestellt ist. Der Minuspol dieser Quelle ist an Masse und ihr Pluspol an den Eingang einer Polaritätsumkehrschaltung PIC von an sich bekanntem Typ geschaltet. Diese Schaltung inkludiert einen Transistor M vom MOSFET-Typ, dessen Drain mit der Quelle B und dessen Source mit einer ersten Klemme einer Wicklung W 1 verbunden ist, deren andere Klemme an Masse geschaltet ist. Mit dem Drain des MOSFET M ist eine Platte eines Kondensators CCl verbunden, dessen andere Platte mit der Anode einer Diode Dci verbunden ist, deren Kathode an die Source M angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt A zwischen dem Kondensator CCl und der Anode der Diode Dci stellt den Ausgang der Polaritätsumkehrschaltung PIC dar.
Auf an sich bekannte Weise fließt bei leitendem Transistor M Strom in die Wicklung W1. Wenn der Transistor M dann abgeschaltet wird, kommt es zu einem Stromfluß durch die Wicklung W1, den Kondensator CCl und die Klemmdiode Dci. Durch die Wirkung dieses Stroms wird der Kondensator CCl aufgeladen, was bewirkt, daß die Spannung am Punkt A bezüglich der Erdspannung fällt.
Eine erste Klemme einer zweiten Wicklung W2 ist an den Punkt A angeschlossen; die Wicklung W2 ist derart an die Wicklung W1 der Polaritätsumkehrschaltung PIC gekoppelt, daß sie mit ihr einen Übertrager mit unterteiltem Eisenkern T bildet. Die andere Klemme der Wicklung W2 ist an die Kathode einer Gleichrichterdiode DR angeschlossen, deren Anode über eine Gleichrichter- und Rezirkulationsdiode D an den Punkt A angeschlossen ist.
Die Anode der Gleichrichterdiode DR ist mit einer ersten Klemme eines Induktors WF verbunden, dessen andere Klemme über einen Kondensator CF mit einem feststehenden Spannungspunkt, z. B. mit Masse, in Verbindung steht. Der Kondensator CF könnte jedoch eher mit dem Pluspol der Batterie B als mit Masse verbunden sein.
Der Induktor WF und der Kondensator CF bilden zusammen einen Filter zum Abflachen der Gleichspannung, welche an eine im allgemeinen mit HB angedeutete, H-förmige Brückenausgangsschaltung angelegt ist. Diese Brückenschaltung ist im wesentlichen mit dem Kondensator CF parallelgeschaltet.
Die Brückenschaltung HB umfaßt vier Schalter M1 bis M4, welche zweckmäßig auch durch MOSFET-Transistoren gebildet sind.
Die Gasentladungslampe L und die Sekundärwicklung eines Impulsübertragers (Tesla- Transformators) TT sind in der zentralen Zweigleitung dieser Schaltung HB angeordnet. Die Primärwicklung dieses Transformators TT ist über einen Entlader SC mit einem Starterkreis IC verbunden, welcher einen an die Kathode der Gleichrichterdiode DR angeschlossenen Eingang hat.
Der Starterkreis IC kann zum Beispiel zur Erzeugung eines Spannungsstoßes einen Spannungsstoßkreis eines bekannten Typs, beispielsweise vom Kondensator- und Diodentyp, umfassen, sowie einen Schalter, um die Anlegung dieses Spannungsstoßes an den Entlader SC und eine Primärwicklung des Transformators TT zu bewirken.
Die elektronische Steuereinheit ist durch ECU angedeutet und besitzt eine Mehrzahl von mit den Steuereingängen oder -gates der Schalter M, M1-M4 verbundenen Ausgängen und einen Steuereingang des Starterkreises IC. Diese Einheit hat auch Eingangsklemmen, welche an die Source s des Schalters M und an einen mit der Brückenschaltung HB in Serie geschalteten Widerstand R angeschlossen sind. Dieser Widerstand R ermöglicht es der Einheit ECU, die Stärke des durch die Brückenschaltung und daher in der Lampe L fließenden Stroms zu bestimmen.
Die Einheit ECU, welche unter Verwendung eines Mikroprozessors hergestellt werden kann, ist derart zur Steuerung der Schalter M und M1-M4 angeordnet, daß sie die Inbetriebnahme und Versorgung der Gasentladungslampe L in folgender Weise regelt.
Zur Inbetriebnahme der Lampe L sendet die Einheit ECU ein Ein-Aus-Steuersignal an das Gate des Schalters M.
Eine Kommutation dieses Schalters verursacht anfänglich eine progressive Aufladung des Kondensators CCl und einen progressiven Anstieg des Spannungsunterschieds quer durch seine Klemmen. Insbesondere wenn der Schalter M auf "an" steht, fließt ein Strom durch die Wicklung W1 zur Masse, und dieser Induktor speichert Energie. Steht der Schalter M auf "aus", kommt es zu einem Stromfluß zum Kondensator CCl, zur Diode DCl, und zur Wicklung W1, was dem Kondensator CCl Energie bringt. Letzterer lädt sich auf, und der Spannungsunterschied zwischen seinen Platten vergrößert sich derart, daß. die Spannung des Punkts A immer schwächer und bezüglich der Erdspannung noch negativer wird.
Nach einer schnellen anfänglichen Übergangsphase stabilisiert sich der Punkt A bezüglich der Masse (welche jedoch von einer gewissen Schwingung oder einem Brummen überlagert ist) bei einem negativen Spannungswert.
Um zu vermeiden, daß der Schalter M ausfällt, überwacht die elektronische Steuereinheit ECU den Spannungswert von Source s und Drain d des MOSFET M und verringert die Impulsdauer des an das Gate des MOSFET M angelegten Steuersignals, wenn die Spannung am Kondensator CCl einen vorbestimmten Maximalwert erreicht.
Die Wicklung W1 ist magnetisch an die Wicklung W2 gekoppelt, (zum Beispiel) in der durch herkömmliche Punkte in der Zeichnung angedeuteten Weise, wobei ein Hochspannungstransformator gebildet wird. An der die Sekundärwicklung des Transformators T bildenden Wicklung W2 besteht daher eine Spannung, welche durch die Dioden DR und D gleichgerichtet und über den Induktor WF und den Kondensator CF gefiltert und danach in die Brückenschaltung HB eingespeist wird.
Der mit dem Ausgang des Transformators T verbundene Starterkreis IC bewirkt die Anhebung der Spannung auf eine hohe Spannung und speist eine hohe Spannung in den Entlader SC und die Primärwicklung des Transformators TT, wenn die Steuereinheit ECU ein Steuersignal an seinen Eingang sendet. Eine sehr hohe Spannung wird dementsprechend an die Sekundärwicklung des Transformators TT übertragen und bewirkt eine Ionisierung des in der Lampe L enthaltenen Gases, welches dadurch leitfähig wird.
Die Einheit ECU steuert die Schalterpaare M1, M4 bzw. M3, M2, um alternativ zu leiten, und ermittelt die Stärke des über den Abfühlwiderstand R in der Lampe fließenden Stroms. Durch Ermittlung zum Beispiel der Spannung quer durch die Klemmen des Kondensators CF ermittelt dieser darüber hinaus die in die Lampe gespeiste Spannung.
Basierend auf dieser Information kann die Einheit durch die Modifizierung der Impulsdauer des Schalters M den Wert der Spannung und des Stroms regulieren, welche der Lampe L zugeführt werden.
Die Entladungslampe besitzt das Merkmal, sowohl während des Anfangsstoßes als auch mit dem Alter einen sehr variablen Widerstand aufzuweisen. Dementsprechend weist sie sehr variable "Arbeitspunkte" auf, in welchen sie für im wesentlichen dieselbe erforderliche Energie stark unterschiedliche Netzspannungen und Ströme benötigt.
Die erfindungsgemäße Versorgungsschaltung ermöglicht die Erfüllung dieser variablen Spannungs- und Stromerfordernisse der Lampe insofern, als ihre Aufbaumerkmale im wesentlichen nur von der aufgrund der Ladung erforderlichen Leistung abhängen.
Der Kern des durch die Wicklungen W1 und W2 gebildeten Transformators T kann in einer Weise ausgelegt sein, welche im wesentlichen von der Stärke des Stroms, welcher zur Lampe L geleitet werden muß, unabhängig ist. Um jedoch die notwendigen sehr hohen Spannungen verfügbar zu machen, insbesondere während der Phase unmittelbar nach dem Starten des Stromflusses in der Lampe, muß der Transformator T ein ziemlich hohes Windungsverhältnis haben.
In Fig. 2 ist eine abweichende Ausführungsform gezeigt, mit der es möglich ist, die ziemlich hohen Spannungen zu erzielen, welche insbesondere nach dem Starten der Leitung in der Lampe L notwendig sind, ohne daß der Transformator T ein übermäßig hohes Windungsverhältnis haben muß.
In der Schaltung der Fig. 2 wurden den bereits beschriebenen Komponenten und Elementen dieselben alphanumerischen Bezugszeichen und Symbole gegeben.
Bezüglich der Schaltung der Fig. 1 unterscheidet sich die in Fig. 2 gezeigte Schaltung im wesentlichen in den folgenden Aspekten.
Die Kathode der Rezirkulationsdiode D ist mit der Kathode (und nicht der Anode) der Klemmdiode DCl verbunden. Darüber hinaus sind zwischen dem Punkt A und der Anode der Gleichrichterdiode DR zwei Dioden D1 und D2 angeordnet. Zwischen der Kathode von DR und dem Verbindungspunkt der Anode von D1 zur Kathode von D2 ist ein Kondensator C geschaltet.
Die Anordnung von D1, D2 und C ist derart, daß sich der Kondensator C bei Betrieb (durch die Diode D1) jedes Mal, wenn der Schalter M zum "Aus"-Zustand geht, auflädt und sich zu späteren Zeitpunkten dieses Zyklus (das heißt, während der Schalter M noch abgeschaltet ist und während der unmittelbar darauffolgenden Leitungsphase dieses Schalters) zur Brückenschaltung HB und daher zur Lampe L hin durch die Diode D2 entlädt.
Wegen der Anwesenheit des Kondensators C und der zugehörigen Dioden D1, D2 liegen am. Punkt 0 der Fig. 2 daher ziemlich hohe Spitzenspannungen (und daher auch Durchschnittsspannungen). Ohne den Transformator T mit einem übermäßig hohen Windungsverhältnis ausbilden zu müssen, werden die gewünschten hohen Spannungswerte zur Anlegung an die Brückenschaltung HB und daher an die Lampe L erzielt, insbesondere in der sogenannten "Übernahme"-Phase, das heißt in jener Phase unmittelbar nach dem Leitungsbeginn in der Lampe L, in welcher eine Spannung dorthin gespeist werden muß, welche viel höher ist als jene, welche im Betriebszustand erforderlich ist.
In Fig. 3 ist eine abweichende Ausführungsform der Schaltung der Fig. 2 gezeigt. Diese Variante unterscheidet sich wesentlich durch die unterschiedliche Anordnung der Diode D2, welche hier mit dem Induktor WF des Filters, der Anode der Diode D1 und dem mit der Anode der Gleichrichterdiode DR und der Kathode der Diode D2 verbundenenen Kondensator C in Serie geschaltet ist.
Der Betrieb der Schaltung der Fig. 3 ist ähnlich jenem der Schaltung gemäß Fig. 2, weshalb dieser nicht weiter beschrieben ist.
In Fig. 4 ist eine weitere abweichende Ausführungsform gezeigt. In dieser Figur wurden dieselben alphanumerischen Bezugszeichen, welche zuvor verwendet wurden, für die bereits beschriebenen Teile und Komponenten eingesetzt.
Fig. 4 zeigt insbesondere eine Ausführungsform, welche eine Variante der Schaltung der Fig. 2 ist. Dennoch sind die in Fig. 4 aufscheinenden Schaltungsmodifikationen auch auf die Schaltungen der Fig. 1 und 3 anwendbar.
In der Schaltung der Fig. 4 umfaßt der Anlaßspannungsgeneratorkreis IC einen Spannungsverstärkerkreis VM von an sich bekanntem Typ, welcher (beispielhaft) zwei Dioden- und Kondensatorstufen ST1 und ST2 enthält.
Der Eingang dieses Spannungsverstärkers VM ist durch einen Kopplungskondensator Cc von geringer Kapazität mit der Wicklung W2 verbunden. Am Ausgang des Verstärkers ist ein Kondensator Csc angeschlossen, welcher zur Reihenschaltung aus Entlader SC und Primärwicklung des Startertransformators TT parallelgeschaltet ist.
Um die Stromleitung in der Lampe L auszulösen, lädt der Spannungsverstärker VM den Kondensator Csc schrittweise wieder auf, welcher bei Erreichung der Entladespannung des Entladers SC bewirkt, daß ein Stromimpuls durch die Primärwicklung des Transformators TT geht. Der dementsprechend auf die Sekundärwicklung des Transformators TT übertragene Spannungsstoß bewirkt eine Stromleitung in der Lampe L.
Ist der Stromfluß in der Lampe einmal gestartet, entlädt sich der Kondensator CF durch die Brückenschaltung HB, und die an den Eingang des Verstärkers VM angelegte Spannung fällt, so daß die Spannung auf dem Kondensator Csc nicht mehr die Entladungsschwelle des SC erreicht.
Der Starterkreis IC der Fig. 4 ist von völlig passivem Typ, das heißt er benötigt keinen aktiven Bestandteil wie einen elektronischen Schalter zur Auslösung einer Leitung in der Lampe.
Zweckmäßig kann ein Amplitudenbegrenzer an den Eingang des Spannungsverstärkers VM, welcher im in Fig. 4 dargestellten Beispiel zwei Dioden DL1 und DL2 umfaßt, angeschlossen sein. Die Kathode von DL1 ist mit einem feststehenden Spannungspunkt (zum Beispiel mit Masse wie in Fig. 4 oder mit dem Pluspol der Batterie B) verbunden, und die Anode ist mit der Kathode von DL2 und dem Eingang von VM verbunden. Die Anode von DL2 ist an die Unterseite der Brücke HB angeschlossen.
Die Kathode von DL1 könnte jedoch vorteilhaft mit dem Punkt A, das heißt dem Ausgang der Polaritätsumkehrschaltung PIC, verbunden sein.
Der Begrenzer, der durch die wie oben beschrieben verbundenen DL1 und DL2 gebildet ist, begrenzt zweckmäßig die Amplitude der an den Eingang des Verstärkers VM angelegten Spannung auf einen Wert, welcher auf die an die Brückenschaltung HB und daher an die Lampe L angelegte Ausgangsspannung abgestimmt ist.

Claims

1. Stromversorgungskreis, insbesondere für Kraftfahrzeuge, umfassend eine Gleichspannungsquelle (B), einen mit der Spannungsquelle (B) verbundenen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (PIC, W2, DR), enthaltend zumindest einen gesteuerten Schalter (M), einen Ausgang zur Kopplung an eine Gleichstromladung (HB; L); eine zur Bewerkstelligung auf vorbestimmte Weise der Ein/Aus-Steuerung des gesteuerten Schalters angeordnete Steuerschaltung (ECU); wobei der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler eine mit der Spannungsquelle (B) verbundene Polaritätsumkehrschaltung (PIC) enthält, um an seinem Ausgang eine Gleichspannung von zu jener der Quelle (B) entgegengesetzter Polarität zu schaffen; und die: Polaritätsumkehrschaltung (PIC) eine mit dem gesteuerten Schalter (M) verbundene erste Wicklung (W 1) enthält;

welcher Stromversorgungskreis gekennzeichnet ist durch

eine zweite Wicklung mit einer mit dem Ausgang (A) der Polaritätsumkehrschaltung (PIC) verbundenen ersten Klemme und einer über die erste Gleichrichtereinrichtung (DR), welche zwischen der Ladung (HB; 1) und der zweiten Wicklung (W2) angeschlossen ist, mit der Ladung (HB; L) verbundenen zweiten Klemme; welche zweite Wicklung (W2) derart an die erste Wicklung (W1) der Polaritätsumkehrschaltung (PIC) gekoppelt ist, daß ein Transformator (T) gebildet wird; und

eine zwischen der Ladung (HB; L) und dem Ausgang (A) der Polaritätsumkehrschaltung (PIC) geschaltete zweite Gleichrichtereinrichtung (D, D1, D2);

und dadurch, daß die Wicklungen (W1; W2) derart aneinander gekoppelt sind, daß, wenn sich der Schalter (M) in Leitung befindet, die durch die zweite Klemme der zweiten Wicklung (W2) in die Ladung (HB, L) gespeiste Spannung eine maximale Stärke aufweist, welche der Summe der Stärken der Ausgangsspannung der Polaritätsumkehrschaltung (PIC) und der Spannung quer durch die zweite Wicklung (W2) entspricht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiters einen Kondensator (C) mit einer mit der zweiten Klemme der zweiten Wicklung (W2) verbundenen Platte und eine zugeordnete Steuereinrichtung (D 1, D2) enthält, die angeordnet ist, um die Aufladung des Kondensators (C) zu ermöglichen, wenn der elektronische Schalter (M) ausgeschaltet ist, und welcher sich zu einem darauffolgenden Zeitpunkt desselben Zyklus des Steuersignals, welches an den Steuereingang des elektronischen Schalters (M) gesendet wird, entlädt.

3. Stromversorgungskreis nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Versorgung einer Gasentladungslampe (L), dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (W2) über eine Gleichrichtereinrichtung (DR, D; DR, D1, D2) mit einer H- Brückenschaltung (HB), in welcher die Lampe (L) geschaltet ist, verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, worin die Lampe (L) mit der Sekundärwicklung eines Startertransformators (TT) in Serie geschaltet ist, dessen Primärwicklung am Ausgang eines Anlaßspannungsgeneratorkreises (IC) mit einer Entladungseinrichtung (SC) in Serie geschaltet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß der Anlaßspannungsgeneratorkreis (IC) einen Spannungsverstärker (VM) umfaßt, dessen Eingang mit der zweiten Klemme der zweiten Wicklung (W2) und dessen Ausgang mit einem Kondensator (CSB) verbunden ist, welcher mit der Entladungseinrichtung (SC) und der Primärwicklung des Startertransformators (TT), welche in Serie geschaltet sind, parallelgeschaltet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Klemme der zweiten Wicklung (W2) mit einem Begrenzer (DL1, DL2) verbunden ist, welcher zur Begrenzung der an den Eingang des Spannungsverstärkers (VM) angelegten Spannung auf einen mit der an die Brückenschaltung (HB) angelegten Spannung abgestimmten Wert betätigbar ist.