DE3503289C2 - Treiberschaltung - Google Patents

Treiberschaltung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberschaltung, die den Strom­ fluß in einem Elektromagneten einer elektromagnetischen Ein­ richtung abhängig von einem Steuersignal treibt.
Eine Treiberschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US-A 4 180 026 bekannt. Um einen schnellen Betrieb der elektromagnetischen Einrichtung zu ermöglichen, wächst in einer ersten Phase des Betriebs dieser Schaltung der durch die Magnetspule fließende Strom schnell an, um im Magnetkern der Einrichtung einen großen magnetischen Fluß zu erzeugen, der ausreicht, um den Anker der Einrichtung in Bewegung zu setzen. Nachdem der Strom einen Spitzenwert erreicht hat, wird er in einer zweiten Betriebsphase der Schaltung, in der der Anker seine Bewegung beendet, auf einem Wert gehalten, bei dem der Anker in seiner Arbeitsstellung verharrt. Der Strom fließt so lange durch die Magnetspule, wie an der Trei­ berschaltung ein Steuersignal anliegt. Die Dauer der ersten Betriebsphase dieser Schaltung kann je nach der zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung schwanken. Aus FR-A-2 501 899 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das den Stromfluß steu­ ernde Element sowohl während der Anzugsphase (Zeitdauer des Spitzenstroms) und der Haltephase (Zeitdauer des Haltestroms) impulsförmig betrieben wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Treiberschaltung zur Steuerung des Stromflusses in einer Magnetspule anzugeben, die es mit einem einfachen Schaltungsaufbau ermöglicht, die Dauern der Betriebsphasen genauer konstant zu halten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Treiberschaltung gemäß An­ spruch 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen davon kennzeichnen die Unter­ ansprüche 2-8.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer er­ findungsgemäßen Treiberschaltung, und
Fig. 2 Signalzeitdiagramme, die Spannungsverläufe und Strom­ verläufe an mehreren Punkten in der Schaltung dar­ stellen.
Im folgenden wird anhand der Fig. 1 ein Ausführungsbei­ spiel der erfindungsgemäßen Treiberschaltung für die Magnetspule einer elektromagnetischen Vorrichtung einer Art beschrieben, die den Betrieb eines Überstromventils einer Kraftstoffpumpe für eine Brennkraftmaschine steuert. Damit der Brennkraftmaschine Kraftstoff zugeführt wird, muß das Ventil geschlossen werden, wobei sich der Schließer gegen die Kraft einer Feder bewegt.
Die Treiberschaltung weist Anschlüsse 10 und 11 auf, die je­ weils mit der positiven und negativen Versorgungsklemme einer Gleichspannungsversorgungsquelle verbunden sind, die in diesem Fall die Batterieanschlüsse eines von der Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Straßenfahrzeugs sind. Ein Ende der Magnetspule L3 ist über ein Paar in Reihe geschal­ teter Drosseln L1 und L2, die Eisenkerne haben, mit dem Anschluß 10 verbunden. Das andere Ende der Magnetspule L3 ist mit dem Drain-Anschluß eines N-Kanal-Feldeffekttransi­ stors TR1 verbunden, dessen Source-Anschluß mit dem einen Ende eines Stromfühlerwiderstandes R3 verbunden ist. Das andere Ende des Stromfühlerwiderstands R3 ist mit dem Anschluß 11 verbunden. Der Transistor TR1 bildet einen ersten Halbleiterschalter.
Parallel mit der Magnetspule L3 liegt eine Reihenschaltung eines Strompfads eines P-Kanal-Feldeffekttransistors TR2 mit einer Diode D1. Der Transistor TR2 und die Diode D1 bilden eine Stromrückflußschleife für die Magnetspule L3. Der Transistor TR2 bildet einen zweiten Halbleiterschalter. Die Anode der Diode D1 ist mit dem Drain-Anschluß des Transi­ stors TR2 verbunden, an dem ebenfalls die Kathode einer Zener- Diode D2 angeschlossen ist. Die Anode der Zenerdiode D2 ist mit dem Verbindungspunkt zweier in Reihe geschalteter Widerstände R13 und R14 verbunden. Das andere Ende des Widerstands R14 ist mit dem Gate-Anschluß des Transistors TR1 und das andere Ende des Widerstands R13 ist mit dem Ausgang eines UND-Glieds IC4 verbunden. Der Gate-Anschluß des Transi­ stors TR2 ist mit dem Verbindungspunkt zweier in Serie ge­ schalteter Widerstände R1 und R2 verbunden. Das andere Ende des Widerstandes R1 ist mit der Kathode der Diode D1 ver­ bunden. Das andere Ende des Widerstands R2 ist mit dem Drain-Anschluß eines N-Kanal-Feldeffekttransistors TR3 ver­ bunden, dessen Source-Anschluß mit der Klemme 11 verbunden ist. Der Gate-Anschluß des Transistors TR3 ist mit einem Steuersignal-Eingangsanschluß 12 und mit einem Eingangsan­ schluß des UND-Glieds IC4 verbunden. Das UND-Glied IC4 wird von einem separaten Spannungsgenerator 14 versorgt, so daß das UND-Glied eine genügend hohe Spannung, um den Transistor TR1 in den leitenden Zustand zu bringen, erzeugen kann.
Die über dem Widerstand R3 aufgrund des durch ihn fließenden Stromes abfallende Spannung wird durch ein Teilernetzwerk aus einem Widerstand R4 und einem Widerstand R6 einem Eingang eines Differenzverstärkers IC5 zugeführt. Der andere Eingang des Differenzverstärkers IC5 ist über einen Widerstand R5 mit der Klemme 11 verbunden. Ein Gegenkopplungswiderstand R7 ist zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers IC5 und dem anderen Eingang eingeschaltet. Der Ausgang des Differenzverstärkers wird über einen Widerstand R8 einem Eingang eines Vergleichers IC2 zugeführt. Der Ausgang des Vergleichers IC2 ist mit dem anderen Eingang des UND-Glieds IC4 und mit einem Steuereingang einer monostabilen Schaltung IC3 verbunden, deren Ausgang über eine Reihenschaltung einer Diode D3 mit einem Widerstand R9 an den einem Eingang des Vergleichers IC2 liegt. Dem anderen Eingangsanschluß des Vergleichers wird eine Bezugsspannung zugeführt, die durch eine Potentiometerkette aus einem Widerstand R10 und einem Widerstand R11, die in Reihe geschaltet sind, erzeugt wird. Die Bezugsspannung kann mittels eines Transistors TR4 ver­ ringert werden, dessen Kollektor-Emitterstrecke über einen Widerstand R12 in Reihe zum Widerstand R11 geschaltet ist. Der Transistor TR4 wird mittels einer monostabi­ len Schaltung IC1 gesteuert, deren Eingang mit dem Steuer­ signal-Eingangsanschluß 12 verbunden ist. Der Anschluß 12 ist mit einem Steuersignalgenerator 13 verbunden, der eine komplexe Schaltung darstellt, und von der zugehörigen Kraft­ stoffpumpe Zeitsteuersignale empfängt, so daß das Steuer­ signal zum richtigen Zeitpunkt und für eine geeignete Zeit­ dauer erzeugt wird, um der Brennkraftmaschine eine geeignete Kraftstoffmenge zuzuführen. An verschiedenen Positionen der in Fig. 1 dargestellten Schaltung sind Strom- bzw. Spannungs- Bezugsziffern dargestellt, die den Strom- bzw. Spannungsver­ läufen in Fig. 2 entsprechen.
Im Betrieb und wenn am Anschluß 12 ein positives Steuersignal angelegt wird, schaltet Transistor TR3 ein. Dies wiederum aktiviert die Stromrückflußschleife aus der Diode D1 und dem Transistor TR2. Ferner tritt aus Gründen, die nachstehend erläutert werden, am Ausgang des UND-Glieds IC4 ein Signal auf, das den Transistor TR1 einschaltet, woraufhin ein Strom durch die Magnetspule L3 und den Stromfühlerwiderstand R3 zu fließen beginnt. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms durch die Magnetspule hängt von dem Schaltungswiderstand und der Induktivität ab. Sowie der Strom durch die Magnetspule wächst, wächst auch die am Widerstand R3 abfallende Spannung und die Ausgangsspannung V6 des Verstärkers IC5. An irgend­ einem Punkt der Anstiegsflanke des Stroms I1 beginnt die Bewegung des Ankers des Elektromagneten. Vor dem Ende der Ankerbewegung jedoch erreicht der durch die Magnetspule fließende Strom einen Spitzenwert, bei dem der Transistor TR1 in den nicht leitenden Zustand versetzt wird. Dann induziert der sich abschwächende Fluß im Magnetkern des Elektromagneten eine Gegenspannung, die ihrerseits einen Strom durch die Stromrückflußschleife fließen läßt. Eine kurze Zeit lang kann sich der Strom abschwächen, und dann wird der Transistor TR1 wieder eingeschaltet. Der Strom steigt erneut auf seinen Spitzenwert an und dieser Vorgang wird mindestens solange wiederholt, wie der Anker für die Bewegung zur Endstellung benötigt. Der diesen Vorgang ermöglichende Mechanismus wird nachstehend beschrieben.
Wenn man zunächst die monostabile Schaltung IC1, den Transi­ stor TR4 und den Widerstand R12 außer Acht läßt, liegt der Ausgang des Vergleichers IC2 normalerweise hoch. Sowie jedoch die Spannung V6 am Ausgang des Verstärkers IC5 anwächst, wird ein Punkt erreicht, wo sie die Bezugsspannung, die durch die Widerstände R10 und R11 vorgegeben ist, erreicht. Dann geht der Ausgang des Vergleichers tief, wodurch der Ausgang des UND-Glieds IC4 ebenfalls tief geht und den Transistor TR1 ausschaltet. Der Vergleicher IC2 wird in diesem Zustand durch die monostabile Schaltung IC3, die durch die negative Flanke des Ausgangssignals des Vergleichers getriggert wird und mittels der Diode D3 und des Widerstands R9 auf einer Klemm­ spannung am Eingang des Vergleichers gehalten, die höher ist als die Bezugsspannung. Der Transistor TR1 wird deshalb bis zum Ablauf der in Fig. 2 dargestellten Zeitdauer Tf der mono­ stabilen Schaltung IC3 im Aus-Zustand gehalten. Sobald die Klemmspannung nicht mehr anliegt, geht der Ausgang des Ver­ gleichers wieder hoch und schaltet den Transistor TR1 ein, worauf sich der Vorgang wiederholt.
Die monostabile Schaltung IC1 bestimmt die Zeitdauer, in der der durch die Magnetspule fließende Strom bis zum Spitzen­ wert anwachsen kann. Die monostabile Schaltung IC1 wird durch das am Anschluß 12 liegende Steuersignal getriggert, und ihr Ausgang verhütet das Leiten des Transistors TR4, so daß die Bezugsspannung anwachsen kann. Am Ende der durch die monostabile Schaltung IC1 bestimmten Zeitdauer wird der Transistor TR4 leitend und legt den Widerstand R12 parallel zu dem Widerstand R11. Damit wird die Bezugsspannung am Eingang des Vergleichers IC2 verringert. Dies wirkt sich so aus, daß der Strom durch die Magnetspule bis zu einer Haltestromstärke abfällt. Beim Haltepegel schaltet die monostabile Schaltung IC3 den Transistor TR1 in der obenbeschriebenen Weise ein und aus, so daß der Haltestrom abwechselnd bis zum Haltestromspitzenwert Ih (Fig. 2) an­ steigt und abfällt. In der Zeitdauer, wenn der durch die Magnetspule fließende Strom bis zum Haltepegel abfällt, wird der Transistor TR1 ein- und ausgeschaltet und bewirkt, daß sehr kleine Stromimpulse auftreten. Dies rührt daher, daß der Vergleicher am Ende der von der monostabilen Schal­ tung IC3 bestimmten Zeitdauer hoch geht und den Transistor TR1 einschaltet. Der durch die Magnetspule fließende Strom beginnt anzuwachsen und die Ausgangsspannung des Verstärkers IC5 steigt auf einen Wert über der unteren dem Vergleicher anliegenden Bezugsspannung an. Dadurch schaltet der Verglei­ cher den Transistor TR1 aus. Die Stromimpulse haben eine kurze Dauer und die verbrauchte Leistung ist gering.
Zu jedem Zeitpunkt des Zyklus kann der durch die Magnetspule L3 fließende Strom auf Null verringert werden. Wenn man das Steuersignal entfernt, geht der Ausgang des UND-Glieds IC4 tief und schaltet damit den Transistor TR1 aus. Zusätz­ lich wird der Transistor TR3 nicht leitend, so daß die Strom­ rückflußschleife nicht mehr in Betrieb ist. Da der im Kern des Elektromagneten vorhandene Fluß zusammenbricht, wird im Elektromagneten eine Spannung induziert, die die Spannung am Drain-Anschluß des Transistors TR1 bis zu einem Wert über die Spannung am Anschluß 10 und eventuell bis zu einer Spannung, die ein Durchbrechen der Zenerdiode D2 bewirken kann, anwach­ sen läßt. Zu diesem Zeitpunkt schaltet der durch die Diode D2 fließende Strom den Transistor TR1 ein und klemmt die Spannung V2. Somit sinkt der im Elektromagneten fließende Strom sehr schnell auf Null. Mit dem Absinken der Stromstärke verringert sich ebenfalls die Spannung V2 und der durch die Diode D2 fließende Strom. Sowie die Spannung die Durchbruchsspannung unterschreitet, hört der Strom durch die Diode D2 zu fließen auf und der Transistor TR1 schaltet aus.
Es soll noch hervorgehoben werden, daß die monostabile Schal­ tung IC1 mit dem Versorgungsspannungsanschluß 10 verbunden ist. Dies stellt sicher, daß sich die Periode der monostabilen Schal­ tung mit der Versorgungsspannung ändert, damit eine mit an­ wachsender Versorgungsspannung sich erhöhende Anstiegsgeschwin­ digkeit des durch die Magnetspule fließenden Stroms kompen­ siert werden kann. Diese Einstellung der Periodendauer der monostabilen Schaltung IC1 stellt sicher, daß der durch die Magnetspule fließende Strom bei niedriger Versorgungsspannung sich nicht auf den Haltepegel verringern kann, bevor der Anker seine Arbeitsstellung erreicht hat.
Ferner muß in Verbindung mit der monostabilen Schaltung IC3 bemerkt werden, daß ihre Periodendauer Tf konstant ist, weshalb die Aus-Periodendauer des Transistors TR1 konstant bleibt.
Die Verwendung von Feldeffekttransistoren ermöglicht sehr hohe Stromstärken, bedingt jedoch gleichzeitig eine hohe Treiberspannung. Darin liegt der Grund für die Verwendung des Spannungsgenerators 14, der das UND-Glied IC4 speist. In einer veränderten Ausführungsform kann das UND-Glied einen üblicheren Aufbau besitzen und eine Reihe parallel geschalteter Stromrichter ansteuern, die von dem Spannungsgenerator 14 mit einem zwischen dem UND-Glied und dem parallel geschalteten Stromrichter eingeschalteten Signalinverter gespeist werden.
Angesichts der hohen Ströme, die mit der Schaltung ermöglicht werden und der hohen Schaltgeschwindigkeit, die durch die Anwendung von Feldeffekttransistoren bedingt ist, ist ein T-Filter, das Drosselspulen L1 und L2 und einen Kondensator C1 enthält, vorgesehen. Der Kondensator C2 ist ebenfalls zum Schutz der Leitung und der Filterinduktivitäten nötig, die eine hohe Spannung erzeugen, wenn der Transistor TR1 aus­ geschaltet wird.

Claims (8)

1. Treiberschaltung zur Steuerung eines durch die Magnetspu­ le (L3) eines Elektromagneten fließenden Stroms in Abhän­ gigkeit von einem externen Steuersignal (V1),
mit einem ersten Versorgungsanschluß (10) und einem zwei­ ten Versorgungsanschluß (11) zur Verbindung mit einer Gleichspannungsversorgung, wobei der erste Versorgungsan­ schluß (10) ferner mit einem Ende der Magnetspule (L3) verbunden ist;
einem Steuersignal-Eingangsanschluß (12) für das externe Steuersignal (V1);
einem ersten Halbleiterschalter (TR1), der einen Magnet­ spulenstrompfad zwischen dem anderen Ende der Magnetspule und einem Ende eines Stromfühlerwiderstandes (R3) bildet, wobei das andere Ende des Stromfühlerwiderstandes mit dem zweiten Versorgungsanschluß (11) verbunden ist,
einer Stromrückflußschleife, die parallel zu der Magnet­ spule (L3) geschaltet ist und einen zweiten Halbleiter­ schalter (TR2) sowie in Reihe zu diesem eine Diode um­ faßt;
einer Treibervorrichtung (TR3, R2, R1) für den zweiten Halbleiterschalter (TR2),
einer Bezugsspannungsschaltung (IC1, IC2, R10, R11, R12) zum Erzeugen einer Bezugsspannung (V7), die zwei ver­ schiedene Pegel annehmen kann,
einem Vergleicher (2) mit einem ersten Eingang, an dem die Bezugsspannung anliegt und einem zweiten Eingang, an dem ein von der durch den Stromfühlerwiderstand fließen­ den Stromstärke (I1) abhängiges Signal anliegt, und
dessen Ausgang schaltet, wenn die Stromstärke (I1) einen durch den Pegel der Bezugsspannung festgelegten Wert überschreitet, und
einem UND-Glied (IC4), dessen einer Eingang mit dem Steuersignal-Eingangsanschluß (12) und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang des Vergleichers (IC2) verbunden ist, und dessen Ausgang den ersten Halbleiterschalter (TR1) bei Übereinstimmung von Steuersignal (V1) und Ausgangssignal des Vergleichers (IC2) in den leitenden Zustand versetzt,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Bezugsspannungsschaltung eine erste monostabile Schaltung (IC1) enthält, die den Pegel der Bezugsspan­ nung nach einer vorgegebenen Zeitdauer nach Empfang des Steuersignals ändert,
  • - das Ausgangssignal einer zweiten monostabilen Schaltung (IC3), die auf den Ausgang des Vergleichers (IC2) an­ spricht, dem zweiten Eingang des Vergleichers zugeführt wird, wodurch die Frequenz, mit der der Vergleicher schaltet, bestimmt wird,
  • - die Treiberschaltung (TR3, R2, R1) den zweiten Halblei­ terschalter (TR2) im leitenden Zustand hält, solange ein Steuersignal am Steuersignal-Eingangsanschluß (12) anliegt.
2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer der zweiten monostabilen Schaltung (IC3) konstant ist.
3. Treiberschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste monostabile Schaltung (IC1) auf den Pegel der Gleichspannungsversorgung anspricht und ihre Perioden­ dauer mit diesem Pegel verändert.
4. Treiberschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer mit absinkendem Pegel der Gleich­ spannungsversorgung anwächst.
5. Treiberschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine spannungsempfindliche Einrichtung, die auf die Spannung am anderen Ende der Magnetspule anspricht und den ersten Halbleiterschalter (TR1) in den leitenden Zustand versetzt, wenn die Stromrückflußschleife nicht in Betrieb ist.
6. Treiberschaltung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsempfindliche Einrichtung eine Zener­ diode (D2) enthält.
7. Treiberschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Halbleiterschalter (TR1) und (TR2) Feldeffekttransistoren sind.
8. Treiberschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein "T"-Filter (L1, L2, C1, C2) enthält, durch das der durch die Magnetspule fließende Strom fließt.
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