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DE3125528C2 - Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten - Google Patents

Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten

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DE3125528C2
DE3125528C2 DE3125528A DE3125528A DE3125528C2 DE 3125528 C2 DE3125528 C2 DE 3125528C2 DE 3125528 A DE3125528 A DE 3125528A DE 3125528 A DE3125528 A DE 3125528A DE 3125528 C2 DE3125528 C2 DE 3125528C2
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measuring resistor
comparator
resistor
switching element
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Peter Dipl.-Ing. 7760 Radolfzell Schülzke
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Trw Messmer & Co Kg 7760 Radolfzell GmbH
TRW Messmer and Co KG
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten. Ein solcher Schalt regler findet beispielsweise Anwendung bei einem Kraftfahrzeug und regelt den Betrieb eines Lüftermotors, abhängig von der Kühlertemperatur. In dem Lastkreis sind in Reihe zwischen den Polen der Stromversorgung ein Schaltelement, meist in Form eines Transistors, ein Strommeßwiderstand und der Lüftermotor angeordnet. Am Strommeßwiderstand wird das Nutzsignal abgenommen und über ein Widerstandsnetz werk einem Komparator zugeführt. Diesem Komparator wird außerdem das von einem NTC-Widerstand erzeugte Kühler temperatursignal zugleitet. Abhängig von diesem wird der Kühlermotor über den als Schaltelement dienenden Transistor taktweise gesteuert. Das Widerstandsnetzwerk ist so ausgebildet, daß das vom Strommeßwiderstand erzeugte Nutzsignal in den für den Komparator zulässigen Gleichtaktbereich transformiert wird. Dadurch wird es möglich, zur Auswertung des stromabhängigen Nutzsignals mit einem einzigen Komparator auszukommen. Durch den direkten Anschluß des Lüftermotors im Lastkreis an den Stromversorgungspol mit dem in Reihe geschalteten Strommeßwiderstand und Schalttransistor bleibt eine präzise Regelung erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten ist aus der DE-OS 28 41 781 vorbekannt. Hierbei sind im Lastkreis in Serie die induktive Last, ein Strommeßwiderstand und ein Schaltelement in Form eines Transistors angeordnet. Dabei ist die induktive Last am + Pol der Stromversorgung direkt angeschlossen, während der Transistor mit dem - Pol der Stromversorgung verbunden ist. Ein Freilaufkreis in Form einer Diode ist parallel zum Strommeßwiderstand und induktiver Last geschaltet. Am Strommeßwiderstand wird ein kleines Nutzsignal abgenommen und einer Steuervorrichtung für den als Schaltelement wirkenden Transistor zugeleitet. Bei dieser Schaltungsanordnung erweist sich das dem kleinen Nutzsignal überlagerte große Gleichtaktsignal als Problem. In der Ein-Phase des als Schaltelement wirkenden Transistors liegt der Strommeßwiderstand an einem Potential von ca. Ucekii über dem Potential des — Pols der Stromversorgung. In der Aus-Phase liegt er in etwa um die Freilaufdiodenspannung unter dem +Potential der Stromversorgung. Es werden daher zwei getrennte Komparatoren verwendet, deren Gleichtaktbereiche auf die Ein- bzw. Aus-Phase abgestimmt sind. Dies bedeutet einen erheblichen Aufwand.
Es sind aus den DE-OS 26 12 914, 27 06 436 und 29 50 692 auch andere Ausbildungen des Lastkreises bekannt, bei denen entweder die induktive La;t nicht
ίο direkt an einem Po! der Stromversorgung oder aber das Schaltelement nicht direkt an einem Pol der Stromversorgung angeschlossen ist. Solche Lastkreise besitzen aber Nachteile, sei es hinsichtlich des Aufwandes für den Strommeßwiderstand, de; Ist-Werterfassung in Ein- und Aus-Phase, Zahl der benötigten Regleranschlüsse und Aufwand für den Regler selbst
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus der DE-OS 28 41781 bekannte Schaltungsanordnung dahingehend zu verbessern, daß sie einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau des Schaltreglers ermöglicht und die Regelung trotzdem präzise bleibt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß durch die Zuordnung eines Teilernetzes zu dem Strommeßwiderstand im Lastkreis bei direktem Anschluß der induktiven Last an t'flem Pol der Stromversorgung es möglich wird, den Schaltregler unter Verwendung nur eines einzigen !Comparators aufzubauen. Trotz dieses einfachen Aufbaues bleiben alle Vorteile, wie präzise Steuerung und dgL, erhalten. Trotz des Teilernetzes bleibt das ankommende, vom Strommeßwiderstand abgenommene Nutzsignal genügend groß bzw. die Dämpfung des Nutzsignals kann trotz der Transformierung in den Gleichtaktbereich des !Comparators relativ gering gehalten werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zur Hystereseerzeugung die Widerstände des Teilernetzwerkes derart unsymmetrisch, daß irf als Mit-Kopplung
■♦ο wirkenden Zweig eine stärkere Einkopplung des transformierten Ist-Wert-Signals auftritt als im als Gegenkopplung wirkenden Zweig. Für diese Hysteresewirkung sind keine zusätzlichen baulichen Mittel erforderlich. Je nach geforderter Hysterese muß z. B. für A5-0,98 · R4 gewählt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 ein Schaltbild eines Schaltreglers für induktive
5P Lasten, z. B. eines Proportionalreglers für die Kühlwassertemperatur eines Kraftfahrzeuges, bei dem eine schaltende Stromregelung des Lüftermotors vorgesehen ist,
F i g. 2 ein Spannungsdiagramm und
F i g. 3 ein Schaltbild eines Reglers nach F i g. 1 einer geänderten Ausführung.
Das in Fig. 1 dargestellte Schaltbild enthält strichpunktiert umrandet den eigentlichen Schaltregler 5 für einen Lüftermotor Λ/eines Kraftlahrzeuges. Abhängig
so von der Kühlwassertemperatur des Kraftfahrzeugmotors soll in einer schältenden Stromregelung der Lüftermotor Mbetrieben werden.
In dem an die -Batt und +Bau-Pole der Fahrzeugbatterie angeschlossenen Lastkreis sind in Reihe geschaltet der Lüftermotor M. der Strommeßwiderstand Ri und der als Schaltelement verwendete pnp-Darlington-Transistor Ti. Der Lüftermotor M ist dabei direkt an den — Batt-Pol der Fahrzeuebatterie
angeschlossen.
Parallel zu dem. Strommeßwiderstand Ri und dem Lüftermotor M ist als Freilaufkreis eine Diode D\ geschaltet.
Der den Lastkreis ein- und ausschaltende Darlington-Transistor Γι ist mit seinem Emitter an den + Batt-Pol der Fahrzeugbatterie und mit seinem Kollektor an den Strommeßwiderstand Rl angeschlossen. Seine Basis wird über einen Widerstand Ra von einem Trigger-Transistor T2 gesteuert, dessen Kollektor mit dem Widerstand R2 und dessen Emitter mit dem — Batt-Pöl der Fahrzeugbatterie verbunden ist. Außerdem ist die Basis des Transistors Ti mit dem Kollektor über einen Widerstand A3 verbunden.
Die Basis des Transistors T2 ist mit dem Ausgang eines Komparators B\ verbunden. Der — Eingang dieses Komparators Si ist über einen Widerstand Ra mit dem einen ende des Strommeßwiderstandes Ri, der +Eingang ist über den Widerstand R5 mit dem anderen Ende des Strommeßwiderstandes Ri verbunden. Parallel zu den beiden Eingängen des Komparators Si liegt ein Kondensator Q1 der zur Störunterdrückung etwa eingekoppelter, parasitärer Störspannungen dient. Der + Eingang des Komparators Si ist über einen Spannungsteiler bildende Widerstände Re und R7 an den + Batt-Pol der Fahrzeugbatterie bzw. an den — Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen. Auch der —Eingang des Komparators Si ist mit einen Spannungsteiler bildenden Widerständen Re und R9 verbunden. Der Widerstand R» ist über einen weiteren Widerstand Ri0 mit dem + Batt-Pol der Fahrzeugbatterie verbunden, während der Spannungsteilerwiderstand R9 direkt mr. dem — Batt-Pol der Fahrzeugbatterie verbunden ist.
Außerdem ist der Ausgang des Komparators noch über einen Widerstand Rn an den +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen.
Ein Temperatursensor Gi, der die Kühlwassertemperatur überwacht, und von dem NTC-Widerstand gebildet wird, ist über einen Widerstand Rt2 und einen Vorwiders'and Ru an den +Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen. Andererseits ist der Temperatursensor G\ mit dem —Batt-Pol der Fahrzeugbatterie verbunden.
Der dem Widerstand Ru und dem Temperatursensor Ci parallel geschaltete Kondensator Cj und die Zenerdicde D2 dienen zusammen mit dem Vorwiderstand R' j als Stör- und Zerstörschutz.
Das am Punkt a abgegriffene, der Kühlwassertempcratur entsprechende, vom Temperatursensor G\ erzeugte Temperatursignal w:'yd über einen Vorwiderstand R\* einem Eingang des Operationsverstärkers B2 zugeführt. Der andere Eingang des Operationsverstärkers B2 ist an einen von den Widerständen R15 und R|b gebildeten Spannungsteiler angeschlossen. Ein Kondensator C2, parallel zu den Eingängen des Komparators B2 angeschlossen und ein Widerstand Ri7, der vom einen Eingang zum Ausgang des Operationsverstärkers B2 angeschlossen ist, sowie ein Widerstand Ri8 bilden zusammen mit den Widerständen Rn, Ru, Ria und Rh eine Verstärkerstufe für das vom Temperatursensor G\ gelieferte Temperatursignal.
Komparatoren besitzen vorgegebene zulässige Gleichtaktbereiche. Die eine Grenze eines Gleichtaktbereiches kann geringfügig über Null Volt, die andere bis zu einigen Veit unter + UBatt liegen. Wird für einen Komparator B\ der Typ LM 2903 verwendet, so liegt der erlaubte Gleicht?'itbereich in den Grenzen von -0.3 Volt bis VCC -1.5 Volt.
Für einen realisierten 10-A-Regler liegt der Strommeßwiderstand R, im Bereich von c 1. 30 ΐηΩ, um einerseits ein Strommeßsignal genügender Größe und andererseits keine zu große Verlustleistung und zu hohen Spannungsverlust zu erhalten.
Unter der Annahme von UBatt =\2 Volt; UR1 ~ 250 mV; Uce^T, = 1 Volt; Komparator LM 2903 ergibt sich dann ein Spannungsdiagramm, wie in Fig.2 dargestellt
hi Im Ein-Zustand des Transistors Ti liegen die Potentiale A, S des Strommeßwiderstandes Ri überhalb der zulässigen oberen Grenze F0 des Gleichtaktbereiches GKB des Komparators Si und im Aus-Zustand unterhalb der unteren Grenze /^desselben.
Das Teilernetzwerk, bestehend aus den Widerständen R4, Rs, Rq und R5, Re und R7 hat nun dafür zu sorgen, daß die Potentiale A, B auch im »worst case« in die Potentiale C, D transformiert werden, die sowohl bei Ein- als auch be: Aus-Zustand des Lastkreises sicher innerhalb des erlaubten GleichtaktHereiches GKB des als Komparator B\ verwendeten IC liegen.
Wie ersichtlich, ist hierfür nur eine geringe Teilerwirkung erforderlich. Mithin ist der am Eingang des Komparators Si ankommende Nutzsignalhub von t/«, "Ά noch genügend groß bzw. die Dämpfung des Nutzsignals läßt sich bei dieser Transformierung relativ gering halten.
Der Schaltregler funktioniert folgendermaßen:
Wird aufgrund zu tiefer Kühlwassertemperatur keine Temperatur-Signal-Spannung über den Ausgang des Operationsverstärkers B2 am Widerstand Rio eingekoppelt, ist wegen R\o<Rg. R9 und Rn = R1, und R? = R7, R5 = 0,98 R4 der Punkt D gegenüber dem Punkt C geringfügig negativer.
Somit liegt der Ausgang des Operationsverstärkers St auf Low und die Transistoren T2 und 71 sperren. Der Lastkreis ist unterbrochen, der Kühlmotor M steht still. Wird am Widerstand R1n bei entsprechender Kühltemperatur eine Temperatur-Signal-Spannung eingekoppelt, so wird Punkt Cgegenüber Dnegativer und der Acsgang des Komparators Si geht auf High und demzufolge werden die Transistoren T2 und Ti leitend.
Der wegen Rj < R4 vorher etwas stärker als Cnegativ
verstimmte Punkt D wird nunmehr über R5 positiver verstimmt als Punkt C durch Ri. Deshalb mu&erst ein gewisser Motorstromanstieg und damit Vergrößerung von URi stattfinden, bis die High-Potentiale von Cund D gleich werden und der Regler ausschaltet. Im Low-Zustand verstimmt R5 Punkt D wieder negativer.
so so daß erst ein gewisser Stromabfall durch Ri wieder ein Einschalten bewirkt.
Der Transistor T2 wirkt als Treiber, da kostengünstige, handelsübliche Komparatoren (LM 2903, LM 2901, iv1C3302 usw.) nur einige mA Ausgangsstrom liefern, ein bipolarer Darlington-Transistor bei ca. 1OA Kollektorstrom aber mit einigen 10 mA Basisstrom angesteuert werden muß.
Die Diode D\ im Freilaufkreis des Schaltreglers S übernimmt den Motorstrom, wenn Transistor 7Ί ausschaltet. Sie verhindert zerstörende, induktive Abschaltspitzen und sorgt mit ihrer kleinen Freilaufspannung im Fall des nichtleitendem Transistors 7Ί gemäß der Beziehung
d/
1 Mol
dt
JIl
für einen langsamen, energiesparenden Stromabfall im
Motor M.
Bei der in F i g. 3 dargestellten, geänderten Ausführung eines Schaltreglers Ssoll für einen Lüftermotor M die Drehzahl gesteuert werden. Es wird ein Switch-Mode-Stromregler verwendet. Bei dem im wesentlichen gleichen Aufbau des Reglers sind für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach F i g. 1 ist der Lüftermotor Mmit seinem einen Pol an den + Batt-Pol der Fahrzeugbatterie angeschlossen. In Reihe mit ihm liegt wieder der Strommeßwiderstand R, und ein als Schaltelement dienender Transistor Γι, für den ein MOSFET-Power-Transistor verwendet wird. Hierdurch kann eine zusätzliche Treiberstufe in Form eines Transistors T2 nach F i g. I entfallen.
Als Freilaufkreis dient wieder eine Diode D\, die parallel zum Lüftermotor Mund Strommeßwiderstand R\ geschaltet ist.
V\n Λη* I /if ·*■»·-«■·#-* »/-**· KA ntr\rn't*trr ·»« rXrtrr* 1 PnM D^\l
uu v«v.i L.ui«.r iiiuiui trt «.iiuvrit^, «ta« uviu Γ *j** h'i v»
der Fahrzeugbatterie geschaltet ist und das Schaltelement in Form des Transistors Ti am -Batt-Pol der Batterie angeschlossen ist, ist der am Strommeßwiderstand R\ auftretende Gleichtaktbereich stets positiv, so daß ein Transformieren der Potentiale ins Positive nicht notwendig ist. Damit können die in F i g. 2 vorhandenen Widerstände R1 und R6 entfallen.
Mitkoppelnd wirkt hier der Widerstand /?5. weshalb zur Hystereseerzeugung zu dimensionieren ist:
z.B.
Κη
Λ»
Der Soll-Wert der Drehzahl wird vom Potentiometer /?i<) über den Widerstand Rm am Widerstand Λ21 eingekoppelt.
Ansonsten gelten die Ausführungen zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auch für die vorliegende, geänderte Ausführungsform nach F i g. 3.
Die Schaltungsanordnung eignet sich ebenso zur Steuerung der Erreger anderer induktiver Verbraucher, wie 2. B. von H1JbHiS0HCtCn. E!'.k!rorru\crn*M-F'nsnrit'/-ventilen etc.
Der Komparator kann auch als Operationsverstärker ausgebildet sein.
Fig. 1
Fig. 2
Komparator LM 2903 P LM 2903 P Widerstände 2,2 ΚΏ Potentiometer 10 nF
fl, = A1, = 2,2 KiI 1OnF
Operationsverstärker D - 0,3 ΚΏ 11 -iF
B2 = 30 mil R21 =
430 Ω Kondensatoren
Widerstände 2ΚΏ Cl = By 29 bF
Rx = 2ΚΩ C2 = Zy 20
R2 = 2ΚΏ r. =
A3 = 13 ΚΏ
Ra = 13 ΚΏ Dioden pnp Darlington-Transistor
BDW 94 A
R< = Π ΚΩ D1 = npn Transistor BC 137
Re = 1 J Λ\-Λΐ
13 ΚΏ		 D2 =
Rj = 0,3 ΚΏ
5,1 ΚΏ Transistoren
Ä, = 2 ΚΏ Ά =
#10 = 22 ΚΩ T2 =
Rn = 10 ΚΩ
A12 - 20 ΚΏ
A13 = 20 ΚΏ
Λ,4 = 390 ΚΩ Blatt Zeichnungen
A15 = 2,2 ΚΏ
Hierzu 3
Rn =

Claims (3)

3i 25 528 Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung für einen Schaltregler für induktive Lasten mit einem Schaltelement, einem Strommeßwiderstand und einer Last in Reihe zwischen den Polen einer Stromversorgung, wobei die Last an den einen Stromversorgungspol, das Schaltelement an den anderen Stromversorgungspol angeschlossen und der Strommeßwiderstand zwischen Last und Schaltelement angeordnet ist, einem parallel zur Reihenschaltung von Strommeßwiderstand und Last liegendem Freilaufkreis und einem an den Strommeßwiderstand und das Schaltelement angeschlossenen Steuerkreis zur Auswertung eines Sollwertes und eines über den Strommeßwiderstand gewonnenen Ist-Wertes, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Komparator (Bi) vorhanden ist, dessen Eingänge mit dem Strommeßwiderstand (Ri) und mit einem Soll-Wertgeber (Gi) verbunden jind und dessen Ausgang mit dem Schaltelement (T1) im Lastkreis (Ti, R\, m) in Verbindung steht, sowie daß ein im wesentlichen symmetrisches Teilernetzwerk (Rg, Rg, Rf, R6, R7, R5) ZWischenStrommeBWiderstandfTiiXKomparatoreingängen und Soll-Wertgeber vorhanden ist, welches das außerhalb des Gleichtaktbireiches des !Comparators (Bi) auftretende, vom Strommeßwiderstand erzeugte Ist-Wertsignal verarbeitbar in den Gleichtaktbereich (GKB) des !Comparators (Bi) transformiert.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß <~ur Hj-.ereseerzeugung die Widerstände des Teilenvuzwerkes (Rx, /?* R4, R^ R7. /?-,) derart unsymmetrisch sind. o. t im als Mit-Kopplung wirkenden Zweig (R-,) eine stärkere Einkopplung des transformierten Ist-Wert-Sjgnals auftritt als im als Gegenkopplung wirkenden Zweig (Ri).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilernetzwerk nur die Widerstände (Ri. R*. R^ R7. R2t) aufweist, die die Eingänge des !Comparators (B\) mit dem Strommeßwiderstand (Ri) und dem einen Stromversorgungspoi verbinden.
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