DE4407051C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem KraftfahrzeugInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem
Kraftfahrzeug.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer elek
tronischen Endstufe ist beispielsweise aus der DE 37 43 453 A1
bekannt. Dort wird die in der elektronischen Endstufe umge
setzte Leistung durch Takten der elektronischen Endstufe mit
vorgebbaren Einschalt- und Ausschaltzeiten gesteuert. Bei
dem dort beschriebenen Verfahren verhindert eine sofort
wirksam werdende Strombegrenzung die Zerstörung des Verstär
kungselements bei Kurzschluß. Bei länger dauernder Über
lastung wird das Halbleiterverstärkerelement nach einer Ver
zögerungszeit abgeschaltet. Nach einer weiteren Verzöge
rungszeit der Abschaltzeit wird das Halbleiterelement erneut
eingeschaltet. Dauert die Überlast an, so erfolgt eine er
neute Ab- und Einschaltung, die sich periodisch wiederholt.
Die Schaltung ist so aufgebaut, daß die Einschaltzeit der
Stärke des Kurzschlußstromes umgekehrt proportional ist.
Bei der Ansteuerung eines elektrischen Verbrauchers über eine elek
tronische Endstufe kann der Fall auftreten, daß der Verbraucher beim
Einschalten einen sehr viel kleineren elektrischen Widerstand be
sitzt als im Dauerbetrieb. Dies hat zur Folge, daß unmittelbar nach
dem Einschalten des Verbrauchers ein sehr hoher Strom fließt und
somit sowohl im Verbraucher als auch in der Endstufe eine sehr hohe
Leistung umgesetzt wird, das heißt die Endstufe wird sehr stark be
lastet (siehe Fig. 4). Um die Endstufe vor Zerstörung zu schützen,
werden die Komponenten der Endstufe in der Regel im Hinblick auf
diese hohe Anfangslast ausgelegt. Das hat zur Folge, daß die Endstu
fe im Dauerbetrieb überdimensioniert ist.
Der Anstieg des Widerstands des Verbrauchers nach dem Einschalten
wird in der Regel durch die Temperaturabhängigkeit des Widerstands
hervorgerufen, genauer gesagt dadurch, daß der Widerstand einen po
sitiven Temperaturkoeffizienten (positive temperature coefficient =
PTC) besitzt. Beim Einschalten ist die Temperatur des Verbrauchers
niedrig und folglich besitzt er einen niedrigen Widerstand. Durch
den Stromfluß erwärmt sich der Verbraucher, der Widerstand nimmt zu
und der Stromfluß nimmt ab.
Aus der US 4,611,562 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Schutz eines Verbrauchers mit PTC-Verhalten bekannt. Bei dem Ver
braucher handelt es sich um eine elektrische Heizung eines Sauer
stoffsensors im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Beim bekannten
Verfahren wird die der Heizung zugeführte Leistung auf einen vorge
gebenen Wert begrenzt. Die Begrenzung wird entweder durch Steuerung
eines kontinuierlichen Stroms durch die Heizung oder durch Takten
der Versorgungsspannung der Heizung und Steuern des Taktverhältnis
ses realisiert. Auf einen Schutz der Endstufe stellt diese Schrift
nicht ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Endstu
fe in einem Kraftfahrzeug vor Überlastung zu schützen.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie einen optimalen Schutz einer
elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug vor Überlastung bie
tet. Die Erfindung begrenzt die Leistung der Endstufe durch Takten,
wobei die Einschalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abgestimmt
sind, daß die maximal zulässige Impulsverlustleistung und die maxi
mal zulässige mittlere Dauerverlustleistung wenigstens einer Kompo
nente der Endstufe nicht überschritten werden. Dadurch wird es er
möglicht, daß - verglichen mit herkömmlichen Endstufen - Komponenten
mit kleineren Bauformen eingesetzt werden können. Dies führt zu ei
ner Reduzierung der Kosten für die Komponenten der Endstufe. Eine
zusätzliche Kostenreduzierung ergibt sich dadurch, daß die kleineren
Bauformen maschinell bestückt werden können, daß Platz auf der Lei
terplatte eingespart wird und daß dünnere Leiterbahnen verwendet
werden können. Ein weiterer Vorteil kann darin bestehen, daß ggf.
ein Shunt-Widerstand mit einem höheren Widerstandswert eingesetzt
werden kann, was zu einer höheren Stromerfassungsgenauigkeit führt.
Besonders vorteilhaft ist es, daß die Ausschalt- und/oder Einschalt
zeiten der Endstufe abhängig vom aktuellen Strom durch die Endstufe
ermittelt werden. Dadurch kann die Endstufe bis an die Belastungs
grenze betrieben werden, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung be
steht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine elektronische Endstufe in
einem Kraftfahrzeug gemäß den Betriebsbedingungen beim Dauerbetrieb
dimenisoniert und es wird Vorsorge getroffen, daß die Leistung beim
Einschalten die zulässigen Werte nicht überschreitet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge
stellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des technischen Um
felds der Erfindung,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die interne Beschaltung der End
stufe,
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die interne Beschaltung
der Endstufe,
Fig. 4 den typischen Stromverlauf durch einen elektrischen Verbrau
cher mit PTC-Verhalten aufgetragen über die Zeit,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des bei der Erfindung eingesetzten
getakteten Signals bei einem ersten Ausführungsbeispiel und
Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des bei der Erfindung eingesetzten
getakteten Signals bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 gibt ein Steuergerät 100 über eine Verbindungsleitung
Steuersignale an einen Eingang A einer Endstufe 102 ab. An einem
Ausgang B gibt die Endstufe 102 ein Signal für den aktuellen Strom
fluß durch die Endstufe 102 aus. Der Ausgang B ist mit einem Eingang
des Steuergeräts 100 verbunden. Die Endstufe 102 ist Bestandteil
eines geschlossenen Stromkreises, der von einer Spannungsquelle 104
gespeist wird und der weiterhin einen elektrischen Verbraucher 106
enthält. Im einzelnen ist der Stromkreis folgendermaßen beschaltet:
Ein erster Pol der Spannungsquelle 104 ist mit einem ersten Anschluß
des Verbrauchers 106 verbunden. Der zweite Anschluß des Verbrauchers
106 ist mit einem Kontakt C der Endstufe 102 verbunden. Über eine
Verbindungsleitung zwischen einem Kontakt D der Endstufe 102 und
einem zweiten Pol der Spannungsquelle 104 wird der Stromkreis ge
schlossen. Die Endstufe 102 regelt oder steuert den Strom, der durch
den Verbraucher 106 fließt. Dabei wird die Endstufe ihrerseits vom
Steuergerät 100 angesteuert. In einem einfachen Ausführungsbeispiel
dient die Endstufe 102 als Schalter, das heißt mit der Endstufe 102
wird der Verbraucher 106 eingeschaltet bzw. ausgeschaltet. Beispiele
für die innere Beschaltung der Endstufe 102 sind in Fig. 2 und 3
dargestellt.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel für die interne Be
schaltung der Endstufe 102 besteht aus einem Transistor 200 und ei
nem Widerstand 202. Der Kollektor des Transistors 200 ist mit dem
Kontakt C der Endstufe 102 verbunden. Die Basis des Transistors 200
steht in Verbindung zum Eingang A der Endstufe 102. Der Emitter des
Transistors 200 ist sowohl mit dem Ausgang B der Endstufe 102 als
auch mit einem ersten Anschluß des Widerstands 202 verbunden, wobei
der zweite Anschluß des Widerstands 202 in Verbindung mit dem Kon
takt D der Endstufe 102 steht. Je nach Signal am Eingang A der End
stufe 102 geht der Transistor 200 in den leitenden oder nicht lei
tenden Zustand über, so daß der Verbraucher 106 aus Fig. 1 einge
schaltet bzw. ausgeschaltet wird. Gegebenenfalls können auch Zwi
schenstufen vorgesehen sein, das heißt der Transistor 200 kann auch
teilweise leitend sein. Der Widerstand 202 dient der Strommessung
(Shunt-Widerstand). Dabei erfolgt die Ermittlung des Stroms aus dem
Spannungsabfall am Widerstand 202, der am Ausgang B der Endstufe 102
relativ zum Bezugspotential am Kontakt D abgegriffen werden kann,
und dem bekannten Wert des Widerstands 202. Die Strommessung wird
beispielsweise für Diagnosezwecke benötigt (zu hoher Strom = Kurz
schluß, zu niedriger Strom = Unterbrechung usw.) oder ggf. auch als
Istwert, wenn der Strom geregelt werden soll. Der Widerstand 202
kann entweder als diskretes Bauelement ausgeführt sein oder zusammen
mit dem Transistor 200 als integrierter Schaltkreis verwirklicht
sein.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die interne Be
schaltung der Endstufe 102. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die
Endstufe 102 durch einen Feldeffekttransistor 300 realisiert. Die
Anschlüsse Gate, Drain und Source des Feldeffekttransistors 300 sind
folgendermaßen mit den Kontakten C und D, dem Eingang A und dem Aus
gang B der Endstufe 102 verschaltet: Drain ist mit dem Kontakt C und
dem Ausgang B verbunden, Gate mit dem Eingang A und Source mit dem
Kontakt D. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann ein separater Wider
stand zur Stromerfassung entfallen und statt dessen der
Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors 300 verwendet werden.
In Fig. 4 ist der typische zeitliche Verlauf des Stroms I durch
einen elektrischen Verbraucher 106 mit PTC-Verhalten und somit auch
durch die zum Verbraucher 106 in Serie geschaltete Endstufe 102 dar
gestellt. Zur Zeit t = 0 wird die Endstufe 102 vom nichtleitenden in
den leitenden Zustand umgeschaltet. Wegen des PTC-Verhaltens des
Verbrauchers 106 fließt ab sofort ein hoher Strom I der mit der Zeit
t infolge der Aufheizung des Verbrauchers 106 und des dadurch stei
genden Widerstandes abnimmt und schließlich annähernd konstant wird.
Aus Fig. 4 wird deutlich, daß in der Anfangszeit ein wesentlich
höherer Strom fließt als für den Dauerbetrieb des Verbrauchers 106
benötigt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Komponenten
der Endstufe 102 für den im Dauerbetrieb fließenden Strom ausgelegt.
Um eine Zerstörung der Endstufe 102 durch den hohen Anfangsstrom zu
verhindern, ist bei der Erfindung die Möglichkeit vorgesehen, den
Strom I beim Einschalten zu takten.
In Fig. 5 ist der zeitliche Verlauf (Zeit = t) des bei der Erfin
dung eingesetzten getakteten Stroms I für die Anfangsphase nach dem
Einschalten des Verbrauchers 106 dargestellt. Während der Zeit tEin
wird die Endstufe 102 so angesteuert, daß sie elektrisch leitend ist
und somit ein Stromfluß zustande kommt. Während der Zeit tAus sperrt
die Endstufe 102 und es kommt kein Stromfluß zustande.
In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zeit
tEin fest vorgebbar. Bei der Vorgabe der Zeit tEin werden ein maxi
maler Vorgabewert für den Strom und die maximal zulässige Impulsver
lustleistung der Komponente der Endstufe 102 berücksichtigt, die
durch das erfindungsgemäße Verfahren geschützt werden soll. Nach
Ablauf der Zeit tEin wird die Endstufe 102 in den nicht leitenden
Zustand gesteuert, so daß kein Strom mehr fließt. Der nichtleitende
Zustand wird solange beibehalten, bis die Zeit tAus verstrichen ist.
Die Zeit tAus wird aus dem während der Zeit tEin fließenden Strom I
und der maximal zulässigen Dauerverlustleistung der zu schützenden
Komponente ermittelt. Die Ermittlung kann durch Berechnung oder
durch Auslesen aus einer Tabelle erfolgen. Nach Ablauf der Zeit tAus
wird die Endstufe wieder in den leitenden Zustand gesteuert und der
Strom 1 wird erneut gemessen. Ausgehend von dem neu ermittelten
Strom I wird die Zeit tAus erneut ermittelt usw. Da der Widerstand
des elektrischen Verbrauchers 106 nach dem Einschalten allmählich
zunimmt und somit der Strom I abnimmt, wird die Zeit tAus immer
kleiner bis schließlich ein Dauerstrom fließt.
In Fig. 6 ist das gleiche Signal wie in Fig. 5 für ein weiteres
Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem in Fig. 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel werden sowohl tEin als auch tAus fortlaufend
aktualisiert. Dazu wird die Endstufe 102 zunächst in den leitenden
Zustand versetzt und der Strom I gemessen. Aus dem Strom I und der
maximal zulässigen Impulsverlustleistung wird die Zeit tEin ermit
telt. Dies kann durch Berechnen oder durch Auslesen aus einer Tabel
le erfolgen. Nach Ablauf der Zeit tEin wird die Endstufe 102 in den
nichtleitenden Zustand gesteuert, so daß kein Strom mehr fließt. Es
wird die Zeit tAus aus dem zuvor ermittelten Strom 1 und der maximal
zulässigen Dauerverlustleistung ermittelt. Nach Ablauf der Zeit tAus
wird die Endstufe wieder in den leitenden Zustand gesteuert und der
Strom I wird erneut gemessen. Ausgehend von dem neu ermittelten
Strom I werden wiederum die Zeiten tEin und tAus ermittelt usw. Da
der Widerstand des elektrischen Verbrauchers 106 nach dem Einschal
ten allmählich zunimmt und somit der Strom I abnimmt, wird die Zeit
tEin immer größer und die Zeit tAus immer kleiner bis schließlich
ein Dauerstrom fließt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl zum Schutz des Transi
stors 200 als auch des Widerstands 202 eingesetzt werden. Weiterhin
kann damit auch der Feldeffekttransistor 300 geschützt werden. Auch
bei andersartig aufgebauten Endstufen als in den Fig. 2 und 3
dargestellt kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden.
Wichtig ist dabei, daß die für die Ermittlung der Zeiten tEin bzw.
tAus verwendeten Werte für die maximal zulässige Impulsverlustlei
stung bzw. die maximal zulässige Dauerverlustleistung abhängig von
der Komponente der Endstufe 102 ermittelt werden, die durch das er
findungsgemäße Verfahren geschützt werden soll.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird die gesamte Endstufe
102 geschützt, indem die Werte für die maximal zulässige Impulsver
lustleistung und die maximal zulässige Dauerverlustleistung der Kom
ponente der Endstufe 102 ausgewählt werden, deren Belastbarkeit als
erste überschritten würde.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das erfin
dungsgemäße Verfahren zum Schutz der Endstufe mit einem Diagnosever
fahren kombiniert, da beide Verfahren den durch die Endstufe flie
ßenden Strom als Eingangsgröße benötigen. Das Diagnoseverfahren ver
gleicht den Strom I mit vorgebbaren Schwellwerten und erkennt bei
spielsweise einen Kurzschluß bei Überschreiten eines ersten Schwell
werts und eine Unterbrechung bei Unterschreiten eines zweiten
Schwellwerts.
Claims (8)
1. Verfahren zur Steuerung einer elektronischen Endstufe
(102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der
elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak
ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein
schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einschalt- und Ausschaltzeiten so
aufeinander abgestimmt sind, daß eine maximal zulässige
Impulsverlustleistung und eine maximal zulässige
Dauerverlustleistung wenigstens einer Komponente der
elektronischen Endstufe (102) nicht überschritten werden,
wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig von der maximal
zulässigen Impulsverlustleistung und einem maximalen
Vorgabewert für den Strom (I) vorgebbar ist und die
Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal zulässigen
Dauerverlustleistung und dem während der Einschaltzeit
(tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.
2. Verfahren zur Steuerung einer elektronischen Endstufe
(102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der
elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak
ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein
schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einschalt- und Ausschaltzeiten so
aufeinander abgestimmt sind, daß eine maximal zulässige
Impulsverlustleistung und eine maximal zulässige
Dauerverlustleistung wenigstens einer Komponente der
elektronischen Endstufe (102) nicht überschritten werden,
wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig von der maximal
zulässigen Impulsverlustleistung und einem während der
Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird
und die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal
zulässigen Dauerverlustleistung und dem während der
Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die maximal zulässige Impulsverlustleistung und die
maximal zulässige Dauerverlustleistung der Komponente der
Endstufe, nicht überschritten werden, deren Belastbarkeit
als erste überschritten würde.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zulässige
Impulsverlustleistung und die maximal zulässige
Dauerverlustleistung eines Endstufentransistors (200, 300)
nicht überschritten werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die maximal zulässige
Impulsverlustleistung und die maximal zulässige
Dauerverlustleistung eines Shunt-Widerstands (202) der
Endstufe nicht überschritten werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung der
elektronischen Endstufe (102) nach dem nach einiger Zeit
erreichten Dauerstrom erfolgt.
7. Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe
(102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der
elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak
ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein
schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Ein
schalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abstimmen, daß
eine maximal zulässige Impulsverlustleistung und eine
maximal zulässige Dauerverlustleistung wenigstens einer
Komponente der elektronischen Endstufe (102) nicht über
schritten werden, wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig
von der maximal zulässigen Impulsverlustleistung und einem
maximalen Vorgabewert für den Strom (I) vorgebbar ist und
die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der maximal zulässigen
Dauerverlustleistung und dem während der Einschaltzeit
(tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.
8. Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe
(102) in einem Kraftfahrzeug, wobei die in der
elektronischen Endstufe (102) umgesetzte Leistung durch Tak
ten der elektronischen Endstufe (102) mit vorgebbaren Ein
schalt- und Ausschaltzeiten steuerbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Ein
schalt- und Ausschaltzeiten so aufeinander abstimmen, daß
eine maximal zulässige Impulsverlustleistung und eine
maximal zulässige Dauerverlustleistung wenigstens einer
Komponente der elektronischen Endstufe (102) nicht über
schritten werden, wobei die Einschaltzeit (tEin) abhängig
von der maximal zulässigen Impulsverlustleistung und einem
während der Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I)
ermittelt wird und die Ausschaltzeit (tAus) abhängig von der
maximal zulässigen Dauerverlustleistung und dem während der
Einschaltzeit (tEin) freigegebenen Strom (I) ermittelt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944407051 DE4407051C2 (de) | 1994-03-03 | 1994-03-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944407051 DE4407051C2 (de) | 1994-03-03 | 1994-03-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4407051A1 DE4407051A1 (de) | 1995-09-21 |
DE4407051C2 true DE4407051C2 (de) | 1996-01-25 |
Family
ID=6511758
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944407051 Expired - Lifetime DE4407051C2 (de) | 1994-03-03 | 1994-03-03 | Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer elektronischen Endstufe in einem Kraftfahrzeug |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4407051C2 (de) |
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-
1994
- 1994-03-03 DE DE19944407051 patent/DE4407051C2/de not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE4407051A1 (de) | 1995-09-21 |
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