Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stroms durch einen elektrischen, insbesondere elektromagnetischen Verbraucher

Stand der Technik

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Schaltungsanord¬ nung zur Steuerung des Stroms durch einen Verbraucher nach der Gattung des Oberbegriffs des Hauptanspruchs.

Aus der deutschen Offenleg ngsschrif 31 35 805 ist eine stromgeregelte Endstufe für elektromagnetische Verbraucher bekannt, bei der ein Feldeffekttransistor die Funktion des Schaltens und der Strommessung übernimmt. Dabei wird gemäß des beschriebenen Ausführungsbeispiels mit. Hil e einer zum Feldeffekttransistor parallel geschalteten Kapazität die Spannung am Feldeffekttransistor nachge¬ bildet .

Es hat sich nun herausgestellt, daß die beschriebene Ein¬ richtung vor allem im Zusammenhang mit ihrer Kurzschlu߬ festigkeit kein optimales Verhalten aufweist. So ergibt

sich z.B. bei durchgeschaltetem Feldeffekttransistor und einem plötzlichen Kurzschluß des Feldeffekttransistors zur Bat eriespannung eine viel zu lange Reaktionszeit der Ein¬ richtung bis zum Abschalten des Feldeffekttransistors, so daß dieser dadurch z.B. thermisch stark überlastet wird.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stroms durch einen elektrischen, insbesondere elektromag¬ netischen Verbraucher mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik den Vorteil, daß mit ihr wesentlich kürzere Reaktionszeiten nach Kurz¬ schlüssen in der Schaltungsanordnung möglich sind. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Schal¬ tungsanordnung nur mit Hilfe einer Zwangseinschaltung einen Strom durch den elektrischen Verbraucher treiben kann.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Zwangseinschaltung mittels einer Kapazität zu realisieren. Weitere vorteil¬ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptan¬ spruch angegebenen er ^' findungsgemäßen Einrichtung sind durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Schaltungsanordnung zur Steuerung des Stroms durch einen elektrischen Verbraucher. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Steuerung und/oder Regelung des Stromes durch einen elektromagneti¬ schen Verbraucher, z.B. ein Magnetventil. Verwendung kann die beschriebene Schaltungsanordnung z.B. in Verbindung mit Brennkraftmaschinen finden, insbesondere bei der Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Magnetventils. Prinzipiell ist aber die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht auf diese speziellen Anwendungen beschränkt, sondern kann überall dort verwendet werden, wo schnelle Reaktionen auf Kurz¬ schlüsse und Überlastungen erforderlich sind.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Realisierung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. In dieser Figur bildet ein elektromagnetischer Verbraucher 10 und ein Feldeffekttransistor 11 eine Serienschaltung, wobei der elektromagnetische Verbraucher 10 an eine Batteriespan¬ nung U_ , . und der Feldeffekttransistor 11 an Masse an- geschlossen ist. Es ist auch möglich, anstatt des Feld¬ effekttransistors einen bipolaren Transistor zu verwenden. Vom Verbindungspunkt des elektromagnetischen Verbrauchers

10 und des Feldeffekttransistors 11 führt die Serien¬ schaltung einer Diode 12 und einer gegensinnig geschalteten Zenerdiode 13 zum Steueranschluß des Feldeffekttransistors 11. Ein Widerstand . k ist zum einen mit der Batteriespannung

U_Bat,t, verbunden,' sowie zum anderen über einen weiteren

Widerstand 15 mit dem genannten Steueranschluß des Feld¬ effekttransistors 11 und direkt mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 16. Vom Verbindungspunkt des elek¬ romagnetischen Verbrauchers 10 und des Feldeffekttransistors

11 führt des weiteren eine Leitung über einen Rückführ-

_. k -

widerstand 17 zum invertierenden Eingang des Operations¬ verstärkers . 6 . Die Serienschaltung zweier Spannungsteiler¬ widerstände 18 und 19 liegt zwischen einer stabilisiert.en Spannung U und Masse. Der Verbindungspunkt der beiden Spannungsteilerwiderstände 18 und 19 ist mit dem nicht- invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 ver¬ bunden. Der an den invertierenden Eingang des Operations¬ verstärkers 16 angeschlossene Widerstand ^{1 ~} ist des weiteren über eine Diode 20 ebenfalls mit der stabilisierten bpan- nung ^ö Ust. a,b verbunden. Zuletzt führt, die Parallelschaltung eines Widerstandes 21 und einer Kapazität 22 vom inver¬ tierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 zu einem Anschlußpunkt, der mit der veränderlichen Spannung U . beaufschlagt ist. Die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers iβ ist mit U„_,_ bezeichnet, während die Spannung vom Verbindungspunkt des elektro¬ magnetischen Verbrauchers 10 und des Feldeff kttran¬ sistors 11 nach Masse, also die Spannung am Feldeffekt¬ transistor 11 selbst durch die Abkürzung U_ gekenn¬ zeichnet ist.

Mit Hilfe der beiden Spannungsteilerwiderstände 18 und 19 und der stabilisierten Spannung U S ^* C.3.,D liegt am nichtin- vertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 ein festes Potential an, das die Schaltschwelle für das Umschalten des Operationsverstärkers 16 bildet. Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 steht die Snannung U. _τ -„ , die über den Widerstand 17 ab- hängig ist von der Spannung U _n< , , sowie über die Parallel¬ schaltung von Widerstand 21 und Kapazität 22 von der Span¬ nung ^θ Upul.s . Weis-t die Sp *annung ^a Upul,s ein hohes Potential auf, so hat dies zur Folge, daß die Spannung U _Λ I _T .._,_(_j eben- falls hoch ist, und dadurch der Operationsverstärker iβ den Feldeffekttransistor 11 abschaltet.

Über den elektromagnetischen Verbraucher 10 fließt also kein Strom, die Spannung U nimmt einen hohen Wert ein, was über den Rückführwiderstand 17 den abgeschalteten Betriebszustand des Operationsverstärkers _ι 1 β und des Feldeffekttransistors 11 stabilisiert, nimmt die Span¬ nung* Upul,s hing ^a eg*en einen niederen Wert ein,' d.h. Upul.s springt z.B. von U , , auf Masse, so hat dies zur Folge, daß die Spannung U_,_ _G augenblicklich .klein wi-rd, und dadurch der Operationsverstärker _ 6 den Feldeffekttransistor 11 einschaltet. Jetzt fließt ein Strom über den elektro¬ magnetischen Verbraucher 10, die Spannung U_ wird klein, so daß wiederum über den Rückführwiderstand 17 der einge¬ schaltete Betriebszustand des Operationsverstärkers 16 und des Feldeffekttransistors 11 aufrechterhalten wird.

Wechselt die Sp ^r annung ^ö Upul,s von einem hohen Wert auf einen niederen Wert, so soll dies zur Folge haben, daß der Feld¬ effekttransistor 11 eingeschaltet, und damit der elek¬ tromagnetische Verbraucher 10 von Strom durchflössen wird. Es sei nun angenommen, daß die Kapazität 22 nicht vorhanden, also ein Leerlauf wäre. Unter dieser Voraussetzung hätte der Wechsel der Spannung ^ö Upul_s von einem hohen zu einem niederen Wert die Folge, daß die Spannung U. _τ __ wohl von einem hohen auf einem mittleren Wert absinken würde, je¬ doch die durch die Spannungsteilerwiderstände 18 und 19 definierte Schaltschwelle des Operationsverstärkers iβ nicht unterschreiten würde. Ohne die Kapazität 22 würde also ein Wechseln der Spannung U . den Operations¬ verstärker 1 β nicht umschalten, dadurch den Feldeffekt¬ transistor 11 nicht einschalten, und dadurch keinen Stromfluß durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 erzeugen. Befindet sich jedoch die Kapazität 22 wie in der Figur dargestellt in der Schaltungsanordnung, so hat dies zur Folge, daß bei einem Wechsel der Spannung

Upu.s von einem hohen auf einen niederen Wert dieser niedere Wert kurzzeitig über die Kapazität 22 an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16

- β -

weitergegeben wird. Die Spannung U^ nimmt also kurzzeitig den niederen Wert der Spannung U _ _^ an. Damit wird es mög¬ lich, daß der Operationsverstärker 16 umschaltet, der Feld¬ effekttransistor 11 eingeschaltet wird, und dadurch ein Strom durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 fließt. Wie schon ausgeführt wurde, nimmt bei einem Stromfluß durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 die Spannung U-,-, einen kleinen Wert an, der über den Rückführwiderstand 17 den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers iβ beein¬ flußt, also den Wert der Spannung U-,._, _G auf einen kleinen Wert hält. Die Kapazität 22 ist also für das Einschalten des Feldeffekttransistors 11 zwingend notwendig, und muß derart dimensioniert werden, daß der Feldeffekttransistor 11 unter normalen Betriebsbedingungen sicher eingeschaltet wird.

Der Wechsel der Snannung ^ö Upul,s von einem niederen Wert auf einen hohen Wert hat zur Folge , daß die Spannung .-,- ebenfalls einen hohen Wert einnimmt , und dadurch der Operationsverstärker 16 den Feldeffekttransistor 11 ab¬ schaltet. Wie ebenfalls schon ausgeführt wurde, bewirkt der jetzt nicht mehr fließende Strom durch den elektro¬ magnetischen Verbraucher 10 einen hohen Wert der Spannu'ng U_ , was über den Rückführwiderstand 17 den abgeschalteten Betriebszustand des Operationsverstärkers iβ und des Feldeffekttransistors 11 stabilisiert.

Die Diode 12, sowie die Zenerdiode 13 haben die Aufgabe, den Feldeffekttransistor 11 beim Abschalten des Stromes durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 vor den dabei auftretenden hohen Spannungsspitzen zu schützen. Die Diode 20 dient der Signalbegrenzung. Zuletzt haben die Widerstände

. k und 15 die Aufgabe, zusammen mit dem Operationsver¬ stärker 16 den Feldeffekttransistor 11 anzusteuern.

Im Normalbetrieb der beschriebenen Schaltungsanordnung wird nun der Stromfluß durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 mit Hilfe des Feldeffekttransistors 11 in Abhängigkeit von der Spannung U . über die Zwangseinschaltung der Kana7-ität 22 eingeschaltet und wieder ausgeschal et. Steigt im Normalbetrieb der Strom durch den elektromagnetischen Verbraucher auf immer größere Werte, so hat dies zur Folge, daß die Spannung U_ am Feldeffekttransistor 11 ebenfalls größer wird. Über den Rückführwiderstand 17 bewirkt dies ebenfalls ein Anwachsen der Spannung U-_„_ am invertieren¬ den Eingang des Operationsverstärkers iβ. Überschreitet die Spannung U _w i_-_U_ die durch die beiden Spannungsteiler- widerstände 18 und 19 definierte Schaltschwelle des Ope¬ rationsverstärkers 16, was einem Überschreiten des Stromes durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 über einen bestimmten, durch die Widerstände 18 und 19 vorgebbaren Wert entspricht, so schaltet der Operationsverstärker iβ den Feldeffekttransistor 11 , und damit den Stromfluß durch den elektromagnetischen Verbraucher 10 ab. Mit Hilfe der Dimensionierung der beiden Spannungsteilerwiderstände 18 und 19 ist es also möglich, den Stromfluß durch den elek¬ tromagnetischen Verbraucher 10 auf bestimmte, maximale Werte zu begrenzen.

Tritt nun im Normalbetrieb der beschriebenen Schaltungs¬ anordnung bei eingeschaltetem Feldeff kttransistor 11 plötzlich ein Kurzschluß des Feldeffekttransistors 11 gegen die Batteriespannung U _Ώ auf, wird also die

Spannung Ui. _c o gleich der Spannung U _Ό __at, t, , so hat dies zur

Folge, daß über den Rückführwiderstand 17 die Spannung U_ _τ J_i_G_ am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 16 ebenfalls sehr schnell einen hohen Wert einnimmt, und

damit der Operationsverstärker 16 den Feldeffekttransistor 11 schnell ausschaltet. Aufgrund der weiterhin hohen Span¬ nung U_. _c wird, wie schon mehrfach beschrieben,. über den Rückführwiderstand 17 der ausgeschaltete Betriebszustand des Operationsverstärkers 16 und des Feldeffekttransistors 11 weiter aufrechterhalten. Mit Hilfe der beschriebenen Schaltungsanordnung ist es also möglich, einen- Kurzschluß, des Feldeffekttransistors 11 gegen die BatteriesOannug

U_Bat.t. schnell und sicher zu erkennen und den Feldeffekt- transistor 11 abzuschalten. Die Zeitdauer vom Eintreten des Kurzschlusses bis zum Abschalten des Feldeffekttran¬ sistors 11 wird dabei, wie schon beim zwangsweisen Ein¬ schalten, unter anderem durch die Kapazität 22 bestimmt. Aufgrund der im Zusammenhang mit dem zwangsweisen Ein¬ schalten schon beschriebenen Dimensi.onierungsvorschrift für die Kapazität 22 ist jedoch die Verzögerungszeit vom Eintreten des Kurzschlusses bis zum Abschalten des Feld¬ effekttransistors 11 derart kl ^' ein, daß eine Gefährdung des Feldeffekttransistors 11 dadurch ausgeschlossen ist.

Insgesamt, und ganz ^' allgemein betrachtet, handelt es sich also bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung um eine Einrichtung, die zwei Betriebszust nde aufweist, nämlich "Stromfluß" oder "kein Stromfluß". Der Betriebszustand "kein Stromfluß" ist dabei ein stabiler Betriebszustand, der nur zwangsweise mit Hilfe der Zwangseinschaltung über die Kapazität 22 verlassen werden kann. Der Betriebszu¬ stand "Stromfluß" ist hingegen ein labiler Betriebszustand, der nur unter bestimmten Voraussetzung °en,' Upul,s ist nieder,' und innerhalb bestimmter Grenzen, U-.- und damit Stromfluß ist nicht zu groß, aufrechterhalten bleibt. Die erfin¬ dungsgemäße Schaltungsanordnung befindet sich daher immer auf der sogenannten sicheren Seite, da bei jeglichen Störungen die Schaltungsanordnung schnell und sicher aus dem labilen in den stabilen Betriebszustand übergeht.