DE102006008839A1 - Elektronische Einrichtung zur Regelung der Spannung über einer sich in High-Side befindlichen Last - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Regeleinrichtung zur Regelung der Spannung über einer sich in High-Side befindlichen Last, insbesondere zur Regelung eines Gebläses in einem Kraftfahrzeug. Eine auf Systemmasse bezogene Spannung V1 wird auf die positive High-Side-Versorgungsspannung gespiegelt und dient dort als Führungsgröße für die Regelung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektronische Einrichtung zur Regelung der Spannung über einer sich in High-Side befindlichen Last, insbesondere zur Regelung eines Gebläses in einem Kraftfahrzeug.
• Derartige Regeleinrichtungen sind durch ihre Verwendung in Kraftfahrzeugen allgemein bekannt.
• Eine wichtige Grundfunktion der Regeleinrichtung stellt die Regelung der Motorspannung in Abhängigkeit von einem Steuersignal dar. Dieses Steuersignal kann eine analoge Steuerspannung, ein analoger Steuerstrom oder ein digitales Signal sein. Regeleinrichtungen für Gebläse nach der Lehre des Stands der Technik setzen intern Steuerströme und digitale Steuersignale in eine Steuerspannung um, sodass im Prinzip immer ein Regelkreis vorliegt, der die Motorspannung in Abhängigkeit von einer Steuerspannung regelt.
• Bekannte lineare Regeleinrichtungen für Gebläse verwenden im Allgemeinen die in 2 dargestellte Schaltungstopologie. Eine Fahrzeugbatterie V2 liefert die Stromversorgung für die gesamte Anordnung. V1 liefert die Steuerspannung. U_mot ist die Motorspannung. Ein Operationsverstärker U1A stellt seine Ausgangsspannung und damit die Gate-Source-Spannung des Mostransistors M1 so ein, dass U+ näherungsweise gleich U– wird. Die Anordnung kann durch entsprechende Gleichungen beschrieben werden. Wählt man R1/R2 = R3/R4, so ergibt sich für Steuerspannung V1 und Motorspannung U_mot folgender Zusammenhang:

  
• Eine wesentliche Forderung an eine Regeleinrichtung für ein Gebläse ist die Ausregelung von Bordspannungsschwankungen. U_mot sollte unabhängig von V2 sein. Dies gilt nur dann, wenn R1/R2 = R3/R4 ist. Das Verhalten der Regeleinrichtung gemäß 2 ist daher bei Bordspannungsschwankungen dV2 von der Paarungstoleranz der Spannungsteiler R1/R2 und R3/R4 abhängig.
• Der Zusammenhang U_mot = f(V1) wird, ideale Bauteile und ideale Paarungstoleranz R1/R2 = R3/R4 vorausgesetzt, nur durch das Widerstandsverhältnis R1/R2 bestimmt. U_mot ist weitgehend unabhängig von V2. Der Operationsverstärker regelt Bordspannungsschwankungen aus.
• Im Standby-Betrieb ist V1 = 0. Die Stromaufnahme Ib der Anordnung wird in diesem Fall als Ruhestrom bezeichnet und sollte so gering wie möglich sein, um die Batterie V2 nicht zu entladen.
• Im Fall V1 = 0 ist U_mot = 0 und somit auch Id = 0 (moderne Mosfets weisen sehr kleine Sperrströme auf). Demnach ist Ib = I1 + I2 + I3. I3 kann durch die Verwendung eines Ultra-Low-Power-Opamps auf sehr niedrigem Niveau gehalten werden.
• Möchte man aus Kostengründen auf einen Verguss der Reglerelektronik verzichten, so ist ein Einsatz hochohmiger Widerstände problematisch. Betauung und die damit verbundenen Verunreinigungen auf der Platinenoberfläche, die im Fahrzeug auftreten, führen zu Kriechströmen, welche die Funktion hochohmig dimensionierter Schaltkreise beeinflussen. R1 bis R4 können daher nicht beliebig hochohmig gemacht werden. Somit belasten I1 und I2 die Batterie im Standby- Betrieb.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Regeleinrichtung zu entwickeln, die es erlaubt, auch bei geringer Ruhestromaufnahme vergleichsweise niederohmige Widerstände zu verwenden.
• Die Aufgabe wird durch eine Regeleinrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 enthalten.
• Die Erfindung ermöglicht den Aufbau einer Regeleinrichtung insbesondere für ein Gebläse mit vergleichsweise wenigen diskreten Bauteilen. Die Regeleinrichtung zeichnet sich durch gutes Regelverhalten und eine extrem kleine Ruhestromaufnahme aus.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird anhand der Figur der Zeichnung nachfolgend erläutert. Es zeigt:
• 1 einen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Regeleinrichtung;
• 2 einen Stromlaufplan einer bekannten Regeleinrichtung.
• Gemäß 1 wird die Steuerspannung V1, welche auf Masse bezogen ist, in dieser Anordnung nicht, wie bei dem Stromlaufplan der bekannten Regeleinrichtung (siehe 2), massebezogen an den Regelverstärker gelegt, sondern zur positiven Versorgungsspannung gespiegelt. Die Eingangsspannungen U+ und U– des Regeloperationsverstärkers sind nicht, wie in 2, auf Masse, sondern auf das positive Potential der Versorgungsspannung V2 bezogen.
• Die Steuerspannung V1 wird der Basis eines in Emitterschaltung betrieben Transistors Q1 zugeführt. In dessen Emitterkreis wird ein Widerstand R1 und in dessen Kollektorkreis ein Widerstand R2 und in Reihe zu diesem die Basis-Emitterdiode eines weiteren Transistors Q2 geschaltet. Die Spannung U–, die über R2 und Q2 abfällt, ist nun gegeben durch U– = Ube(Q2) + R2/R1·(V1 – Ube(Q1)). Die Spannung U– entspricht nun genähert der um R2/R1 verstärkten Eingangsspannung V1.
• Wählt man R1 = R2 und Q1/Q2 mit gepaarten Eigenschaften, so ist U– ein exaktes Abbild von V1. Besonders vorteilhaft ist es, die beiden Transistoren Q1 und Q2 thermisch zu koppeln, dann ist die Bedingung Ube(Q1) = Ube(Q2) auch bei Temperaturschwankungen in guter Näherung erfüllt. V1 ist auf Masse, U– auf das positive Potential von V2 bezogen. Durch die Anordnung wird V1 daher vom Massebezugspotential auf das positive Versorgungspotential gespiegelt.
• Die beiden Eingangspannungen des Reglers U1A können auf die positive Versorgungsspannung U2 bezogen sein. Damit ist U_mot gemäß dem Stromlaufplan nach 1:

  

  und somit unabhängig von V2.
• Widerstandspaarungstoleranzen gehen bei der Beziehung dU_mot = f(dV2) im Gegensatz zum Stromlaufplan gemäß 2 nicht ein.
• Nach der Lehre der Erfindung werden daher Bordspannungsschwankungen besser aus geregelt.
• Der Ruhestrom der Schaltung kann nur durch den Ruhestrom des Reglers U1A gegeben sein. Im Fall V1 = 0 sperrt Q1. Daraus folgt I1 = 0, U– = U+ = 0, Id = 0, I2 = 0 und Ib = I3.
• Selbst bei niederohmiger Dimensionierung betasten I1 und I2 die Batterie V2 im Ruhebetrieb nicht.

Claims (6)

1. Elektronische Regeleinrichtung zur Regelung der Spannung über einer sich in High-Side befindlichen Last, insbesondere zur Regelung eines Gebläses in einem Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf Systemmasse bezogene Steuerspannung V1 auf die positive High-Side-Versorgungsspannung gespiegelt wird und dort als Führungsgröße für die Regelung dient.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannung V1 der Basis eines in Emitterschaltung betriebenen Transistors Q1 zugeführt wird, der im Emitterkreis einen Widerstand R1 und im Kollektorkreis einen Widerstand R2, sowie in Reihe zu diesem die Basis-Emitterdiode eines weiteren Transistors Q2 aufweist.
3. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren Q1 und Q2 parametergepaarte, thermisch gekoppelte Transistoren sind und die Basis-Emitterdiode von Q2 Einflüsse der Basis-Emitter-Diode von Q1 kompensiert, wodurch der Spannungsabfall über der Serienschaltung aus Basis-Emitterstrecke von Q2 und R2 ein definiertes Abbild des Spannungsabfalls über der Serienschaltung aus Basis-Emitterstrecke von Q1 und R1 ist.
4. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Regler U1A zugeführten Eingangsspannungen auf das positive Versorgungspotential bezogen sind, von dem die Last gespeist wird.
5. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Lastspannung bei Versorgungsspannungsschwankungen unabhängig von einer Widerstandspaarung ist.
6. Regeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine von der Dimensionierung der Widerstände R1 bis R4 unabhängige Ruhestromaufnahme aufweist.