[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung eines pulsierenden Stroms
durch eine Induktivität, insbesondere die Spule eines elektro-magnetischen Ventils,
wobei die Induktivität in Reihe mit einem Halbleiterschalter und parallel zur einer
Freilaufdiode geschaltet ist und wobei ferner eine Sollwertspannung einem Regler
zuführbar ist, dessen Ausgang über einen Pulsbreitenmodulator mit einem Steuereingang
des Halbleiterschalters verbunden ist.
[0002] Zur Regelung eines pulsierenden Stroms durch eine Induktivität ist eine möglichst
genaue Erfassung des Stroms erforderlich. Bei den bekannten Schaltungen fließt in
einem ersten Teil der Periodendauer ein Strom durch den Halbleiterschalter und die
Induktivität. In einem zweiten Teil der Periodendauer ist der Halbleiterschalter
nichtleitend. Die in der Induktivität gespeicherte magnetische Energie bewirkt jedoch
einen weiteren Stromfluß durch den sogenannten Freilaufkreis, der aus der Induktivität
und der parallelgeschalteten Freilaufdiode besteht. Eine genaue Messung des gesamten
Stroms kann an sich nur in den Zuleitungen der Induktivität erfolgen, was jedoch aus
schaltungstechnischen Gründen oft nicht möglich ist.
[0003] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Regelung
eines pulsierenden Stroms durch eine Induktivität anzugeben, bei welcher aus einem
zeitlichen Teil des Stromflusses, nämlich der Zeit, in der der Strom durch den Halbleiterschalter
fließt, auf den Spulenstrom während der gesamten Periodendauer geschlossen werden
kann.
[0004] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der bei
leitendem Halbleiterschalter meßbare Strom zeitlich gewichtet und aufintegriert
wird.
[0005] Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine Istwertspannung mit Hilfe
eines Strom/Spannungswandlers, der in Reihe mit der Induktivität und dem Halbleiterschalter
geschaltet ist, eines weiteren Schalters, der von dem Pulsbreitenmodulator steuerbar
ist, und eines Integrators ableitbar ist.
[0006] Durch die in den weiteren Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
[0007] Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in
der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es
zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 Zeitdiagramme von bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auftretenden
Spannungen und Strömen und
Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform.
[0008] Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
[0009] Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist eine Spule 1 in Reihe mit einem Transistor
2 und einem Strom/Spannungswandler 3 zwischen den positiven Pol 4 einer im einzelnen
nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle und Massepotential geschaltet. Die Spule
1 ist bei einem bevorzugten Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Schaltung Teil
eines elektromagnetischen Ventils, insbesondere eines Ventils zur Kraftstoffeinspritzung
bei einem Verbrennungsmotor. In an sich bekannter Weise ist der Spule 1 eine Freilaufdiode
5 parallelgeschaltet.
[0010] Über einen Eingang 6 wird einem Regler 7 als Sollwert eine Spannung Usoll zugeführt.
Der Ausgang des Reglers 7 ist mit dem Eingang eines Pulsbreitenmodulators 8 verbunden,
dessen Ausgang an die Steuerelektrode des Transistors 2 angeschlossen ist. Außerdem
steuert der Pulsbreitenmodulator 8 einen Schalter 9, der beispielsweise von einem
Feldeffekttransistor gebildet werden kann.
[0011] Der Strom/Spannungswandler 3 besteht im einfachsten Fall aus einem Widerstand, an
welchem eine dem Strom proportionale Spannung abfällt. Diese wird über den Schalter
9 einem Integrator 10 zugeführt, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang des
Reglers 7 verbunden ist. Als Integrator 10 eignen sich verschiedene bekannte Schaltungen,
beispielsweise ein sogenannter Miller-Integrator. Die Integrationszeitkonstante ist
wesentlich größer als die Periodendauer des vom Pulsbreitenmodulator abgegebenen
Signals. Der Regler 7 ist der Einfachheit halber als Differenzverstärker dargestellt.
Es sind jedoch verschiedene Regler-Typen wie PI-Regler im Rahmen der Erfindung anwendbar.
[0012] Fig. 2a) zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung des Pulsbreitenmodulators, wobei
mit einem Doppelpfeil die von der Ausgangsspannung des Reglers abhängige zeitliche
Verschiebung der Rückflanke angedeutet ist. Während des Zeitraums t0 bis t1 ist der
Transistor 2 leitend. Während des restlichen Teils der Periodendauer T ist der Transistor
2 gesperrt. Entsprechend steigt der in Fig. 2b) dargestellte Strom is durch die Spule
1 während der Zeit t0 bis t1 an und fällt dann bis zum erneuten Einschalten des Transistors
2 wieder ab. Während des Zeitraums t0 bis t1 fließt also ein Strom i1 durch den Transistor
2. Der Strom i2 fließt während des Zeitraums t1 bis zum Ende der Periode T durch die
Freilaufdiode 5. Fig. 2c) stellte den Zeitverlauf des Stroms i1 durch den Transistor
dar, der mit Hilfe des Strom/Spannungswandlers 3 erfaßbar ist.
[0013] Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 umfaßt ebenfalls eine Spule 1 und eine Freilaufdiode
5, die an den positiven Pol 4 einer Betriebsspannungsquelle angeschlossen sind. In
Reihe dazu ist ebenfalls ein Transistor 2 geschaltet, der über einen Strommeßwiderstand
11 mit Massepotential verbunden ist. Ferner ist ebenfalls ein Regler 7 vorgesehen,
dem über einen Eingang 6 die Spannung Usoll zugeführt wird. Der Pulsbreitenmodulator
wird bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 von einem Differenzverstärker 12 gebildet,
dessen einem Eingang 13 ein sägezahnförmiges Signal und dessen anderem Eingang die
Ausgangsspannung des Reglers 7 zugeleitet wird. Der Ausgang des Differenzverstärkers
12 ist über einen Widerstand 14 mit +UB und über einen weiteren Widerstand 15 mit
der Steuerelektrode des Transistors 2 verbunden. Wie bei derartigen Schaltungsanordnungen
üblich, ist die Spannung UB stabilisiert und beträgt beispielsweise +5V.
[0014] Der dem Strom proportionale Spannungsabfall am Widerstand 11 wird über einen Widerstand
16 dem nichtinvertierenden Eingang eines schaltbaren Operationsverstärker (OTA =
Operational Transductance Amplifier) 17 zugeführt, der als Betriebsspannung einerseits
über einen Anschluß 18 die positive Spannung UB und andererseits über einen Anschluß
19 eine mit einem Kondensator 20 gesiebte negative Hilfsspannung UH von beispielsweise
-3V erhält. An den Ausgang des OTA 17 sind ein Integrationskondensator 21 und ein
zusammen mit einem Widerstand 22 als Emitterfolge geschalteter Transistor 23 angeschlossen.
Vom Emitter des Transistors 23 wird die Ausgangsspannung des Integrators über einen
Spannungsteiler 24, 25 auf den invertierenden Eingang des OTA 17 rückgekoppelt. Außerdem
gelangt die Ausgangsspannung des Integrators zum invertierenden Eingang des Reglers
7.
[0015] Die Steuerung des OTA 17 erfolgt über einen Transistor 26, dessen Emitter mit dem
Ausgang des Differenzverstärkers 12 und dessen Kollektor über einen Widerstand 27
mit dem Steuereingang 28 des OTA 17 verbunden ist. Die Steuerung des Transistors 26
wiederum erfolgt dadurch, daß die Spannung am Verbindungspunkt 29 zwischen der Spule
1 und dem Transistor 2 über einen Spannungsteiler 30, 31 der Basis des Transistors
26 zugeführt wird. Außerdem ist eine Diode 32 vorgesehen, welche die Basis des Transistors
26 vor Überspannungen schützt.
[0016] Die dargestellte Steuerung des OTA 17 bewirkt, daß der OTA 17 nur einen Ausgangsstrom
liefert, wenn der Transistor 2 und damit auch der Transistor 26 leitend sind. Während
dieser Zeit ist der Integrator wirksam. Während des übrigen Teils der Periodendauer
der Ausgangssignale des Pulsbreitenmodulators ist der Ausgang des OTA 17 gesperrt,
so daß sich die Ausgangsspannung des Integrators nicht ändert.
1. Schaltungsanordnung zur Regelung eines pulsierenden Stroms durch eine Induktivität,
insbesondere die Spule eines elektro-magnetischen Ventils, wobei die Induktivität
in Reihe mit einem Halbleiterschalter und parallel zu einer Freilaufdiode geschaltet
ist und wobei ferner eine Sollwertspannung einem Regler zuführbar ist, dessen Ausgang
über eine Pulsbreitenmodulator mit einem Steuereingang des Halbleiterschalters verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der bei leitendem Halbleiterschlater meßbare Strom zeitlich gewichtet und aufintegriert
wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Istwertspannung mit Hilfe eines Strom/Spannungswandlers (3), der in Reihe
mit der Induktivität (1) und dem Halbleiterschalter (2) geschaltet ist, eines weiteren
Schalters (9), der von dem Pulsbreitenmodulator (8) steuerbar ist, und eines Integrators
(10) ableitbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgang des Strom/Spannungswandlers (3) über den weiteren Schalter (9) mit
einem Eingang des Integrators (10) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalter und der Integrator von einem schaltbaren Operationsverstärker
(17) gebildet sind, dessen Aus gang über einen Kondensator (21) mit festem Potential
und über einen als Impedanzwandler geschalteten Transistor (23) und einen Spannungsteiler
(24, 25) mit dem invertierenden Eingang verbunden ist und dessen nichtinvertierendem
Eingang die Ausgangsspannung des Strom/Spannungswandlers (11) zuführbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Integrationsschaltung wesentlich größer als die Periodendauer
des von dem Pulsbreitenmodulator abgegebenen signals ist.