HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung der Art,
wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannt ist. Eine
solche Schaltung wird z. B. verwendet zum Steuern der in
einer induktiven Last gespeicherten Energie, wobei es
wichtig ist, ein Diagnosesignal zur Verfügung zu stellen,
wenn der Strom in der Induktivität einen vorgegebenen
Pegel erreicht.
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In Fig. 1 ist ein Ansteuerungssystem für eine
Induktivität gezeigt. Die Induktivität L ist zwischen einem
Versorgungsknoten Vs und einem Transistor T&sub1; angeschlossen,
der als Schalter dient und von einer
Ansteuerungsschaltung (ANSTEUERUNG) angesteuert wird, an deren Eingang ein
Signal VIN angelegt wird.
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Wenn wie in Fig. 2 gezeigt VIN auf Hochpegel wechselt,
wird T&sub1; eingeschaltet und es beginnt ein Strom IC durch
die Induktivität zu fließen, der mit einer linearen
Funktion der Zeit ansteigt. Für einen beliebigen Wert 1,
der vom Strom erreicht wird, ist die zugehörige in der
Induktivität gespeicherte Energie gegeben durch:
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E = 1/2 LI²
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Die Leistungsstufe umfaßt normalerweise eine Schaltung
zum Begrenzen des maximalen Stroms, um eine Zerstörung
des Transistors zu vermeiden, weshalb im Schaubild der
Fig. 2 der Strom auf einen Maximalwert Imax begrenzt ist.
Wenn der Transistor T&sub1; immer bei derselben in der
Induktivität
gespeicherten Energiemenge abgeschaltet werden
muß, ist es außerdem erforderlich, dann ein Signal zu
erzeugen, wenn der Strom I einen vorgegebenen Pegel ID
erreicht, um die in der Induktivität gespeicherte Energie
am Ende jeder Aufladephase, d. h. wenn T&sub1; abschaltet, zu
maximieren. Dies ist z. B. häufig bei einer
elektronischen Zündkerzenansteuerung erforderlich, bei der es
ferner erforderlich ist, daß der Pegel ID, bei dem das
Abschalten auftritt, sehr nahe an der maximalen
Stromgrenze Imax liegt.
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Bei herkömmlichen Systemen wird dies auf die in Fig. 3
gezeigte Weise erreicht. Eine
Maximalstrombegrenzungsschaltung A1 (BEGRENZER) greift in die
Ansteuerungsschaltung (ANSTEUERUNG) ein, wenn der durch IC entstehende
Spannungsabfall am Sensorwiderstand RS gleich der
Referenzspannung E&sub1; ist, d. h. wenn Rs Imax = E&sub1;.
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In ähnlicher Weise wird ein Diagnosesignal VD der Fig. 2
erzeugt, wenn Rs ID = E&sub2;, wenn berücksichtigt wird, daß
aus den obengenannten Gründen ID einen Wert sehr nahe bei
Imax aufweisen kann. Zu diesem Zweck wird ein zweiter
Diagnosekomparator (DIAGNOSE) A2 verwendet.
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Unter der Vorgabe, daß ID kleiner sein muß als Imax, wenn
auch sehr dicht darunter, muß auch E&sub1; größer sein als E&sub2;,
muß jedoch einen Wert aufweisen, der sehr dicht daneben
liegt. Die Absolutwerte von E&sub1; sowie E&sub2; sollten
andererseits so klein wie möglich sein, da diesen ein
Spannungsabfall an Rs entspricht, der durch den Strom IC entsteht.
Ein solcher Spannungsabfall liegt in Serie mit der
Sättigungsspannung des Transistors und bewirkt eine
Verlustleistung, weshalb die Spannung an Rs und somit auch E&sub1;
und E&sub2; nicht größer als einige 10 mV sein sollten. Dies
bedeutet, daß dann, wenn ein Diagnosesignal z. B. für
einen Wert größer als 90 % des Grenzstroms Imax benötigt
wird, E&sub2; > 0,9 E&sub1; erfüllt sein muß.
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Als Zahlenbeispiel ergibt sich unter der Annahme von
Imax = 5A und Rs = 10 mΩ ein Wert E&sub1; = 50 mV und somit
E&sub2; > 0,9 50 mV = 45 mV. Dies bedeutet, daß
E&sub1; - E&sub2; < 5 mV gilt. Gelegentlich kann E&sub2; > 0,95 E&sub1;
erforderlich sein, wobei die Differenz zwischen E&sub1; und E&sub2;
sogar kleiner als einige wenige mV sein muß.
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Die bekannte Anordnung der Fig. 3 ist kritisch, da die
Spannungsdifferenz an Rs, bei der die
Operationsverstärker A&sub1; und A&sub2; reagieren müssen, sehr klein ist (in der
Größenordnung von Millivolt) und hinsichtlich der
Größenordnung mit dem Spannungs-Offset der verwendeten
Komparatoren vergleichbar ist. Dies kann zu einer nicht
vernachlässigbaren Ungenauigkeit bei der Signalisierung des
Erreichens des Diagnosepegels ID durch den Strom IC
führen. Wenn der Offset des Differenzverstärkers A&sub2;
absolut größer als die Spannungsdifferenz E&sub1; - E&sub2; wird,
erzeugt das System schließlich nicht das benötigte
Diagnosesignal, was ernsthafte Konsequenzen für das
Funktionieren des Systems nach sich zieht.
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Mit anderen Worten, in allen Anwendungen, in denen aus
offensichtlichen Gründen der Optimierung der Strompegel
ED sehr dicht am Grenzpegel Imax fixiert sein muß, können
die bekannten Schaltungen unter sehr kritischen
Bedingungen arbeiten, wodurch die Zuverlässigkeit und die
Genauigkeit bei der Sicherstellung eines korrekten
Verhältnisses zwischen ID und Imax verlorengeht.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
System zum Erzeugen eines Diagnosesignals zu schaffen,
das anzeigt, wenn der durch einen Leistungstransistor
fließende Strom einen vorgegebenen Pegel erreicht, dessen
Genauigkeit im wesentlichen unempfindlich ist gegenüber
dem Eingangs-Offset der entsprechenden
Detektorschaltungen.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, die bekannte
Schaltung zu vereinfachen, indem ein einzelner
Überwachungskomparator verwendet wird, um die Ungenauigkeit zu
beseitigen, die sich aus unterschiedlichen Eigenschaften
des äquivalenten Eingang-Offsets der unterschiedlichen
Überwachungskomparatoren ergibt. Diese Aufgaben werden
gelöst durch eine Schaltung, wie sie in Anspruch 1
beschrieben ist.
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Die Schaltung verwendet einen einzelnen
Detektor-Differenzverstärker, der ein Signal erzeugen kann, dessen
Pegel eine Funktion der Differenz zwischen einer
Referenzspannung und einer Spannung ist, die aufgrund des
durch den Leistungstransistor fließenden Stroms an einem
Sensorwiderstand anliegt. Das vom Differenzverstärker
(KOMPARATOR) erzeugte Signal wird herkömmlicherweise zum
Ansteuern eines Transistors verwendet, der funktional so
angeschlossen ist, daß er einen Teil des
Ansteuerungsstroms abzieht, der von einer herkömmlichen
Ansteuerungsschaltung einem Leistungstransistor zugeführt wird.
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Auf diese Weise wird eine negative Reaktion verwirklicht,
die eine maximale Grenze des Stroms durch den
Leistungstransistor bestimmt, wobei gemäß der Erfindung
dasselbe Signal, das vom Komparator erzeugt wird, zum
Ansteuern eines zweiten Transistors verwendet wird, durch
den ein Strom geschickt wird, der kleiner ist als der vom
ersten Transistor abgezogene Strom.
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Das am zweiten Transistor anliegende Signal wird
verwendet, um das gewünschte Diagnosesignal zu erzeugen, indem
eine Schwellenschaltung verwendet wird.
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Der zweite Transistor, der in einer Stromspiegelbeziehung
mit dem ersten Strombegrenzungstransistor angesteuert
wird, erreicht einen Sättigungszustand vor dem ersten
Transistor und bestimmt somit das Auslösen einer
Schwellenschaltung, die das Diagnosesignal erzeugt, aufgrund
des Erreichens eines Strompegels ID, der um einen
vorgegebenen Wert definitiv kleiner ist als der Grenzstromwert
Imax.
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Der durch den zweiten Transistor gezwungene Strom ist ein
Spiegelstrom, der in einem gegebenen Verhältnis zu einem
Ansteuerungsstrom stehen kann, der an den
Leistungstransistor geliefert wird.
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Das Verhältnis zwischen ID und Imax hängt nicht mehr vom
Eingang-Äquivalenz-Offset des Komparators ab, wie bei den
Schaltungen des Standes der Technik, da die
entsprechenden Schaltungen festlegen: einerseits den Grenzwert des
Stroms durch den Ausgangsleistungstransistor, und
andererseits die Erzeugung eines Diagnosesignals bei
Erreichen eines bestimmten Pegels ID durch den Strom, was
beides durch dasselbe vom Komparator erzeugte Signal
gesteuert wird. Die Schaltung erlaubt somit das Fixieren
des Verhältnisses sehr nahe bei 1, wodurch eine korrekte
Operation der Schaltung auch bei Vorhandensein von
Störungen sichergestellt wird. In der Praxis erlaubt die
Erfindung, die vom Leistungstransistor gehandhabte
Energie zu maximieren, während ein hoher Grad an Sicherheit
und Zuverlässigkeit erhalten bleibt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die unterschiedlichen Merkmale und Vorteile der Erfindung
werden deutlicher anhand der folgenden Beschreibung einer
wichtigen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen, in welchen:
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Fig. 1 ein Funktionsschaubild einer Ausgangsstufe zum
Ansteuern einer Last L ist;
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Fig. 2 eine Reihe von Operationsschaubildern einer
Leistungsstufe zeigt, gemäß einem bestimmten Rückstrombedarf
für diesen Typ von Schaltung, wie oben beschrieben ist;
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Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Steuersystems des
Standes der Technik für eine Leistungsstufe gemäß den in den
Schaubildern der Fig. 2 dargestellten Anforderungen ist,
wie oben beschrieben ist;
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Fig. 4 ein funktionales Blockschaltbild einer
Steuerschaltung für eine Leistungsstufe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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Fig. 5 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Schaltung
der Erfindung ist.
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Funktionsblockschaltbilder der Fig. 3 und 4 stellen
den Unterschied zwischen dem bekannten Verfahren zur
Erzeugung eines Diagnosesignals VD, das in Fig. 3
dargestellt ist, und dem in Fig. 4 dargestellten Verfahren der
Erfindung dar.
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Wie gezeigt, verwendet die Erfindung einen einzelnen
Komparator, der von einem Differenzverstärker A
(KOMPARATOR) gebildet werden kann, der ein Signal als
Funktion der Differenz zwischen einer Referenzspannung E&sub1;
und der über dem Sensorwiderstand Rs anliegenden
Spannung, durch den der im Leistungstransistor T&sub1; (und in der
Last L) fließende Strom IC fließt, erzeugen kann.
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Das vom Komparator A erzeugte Signal steuert zwei
Schaltungen an. Die erste Schaltung (BEGRENZER) erzeugt ein
Begrenzungssignal für den maximalen Strom, der durch den
Leistungstransistor T&sub1; fließen darf, welches auf die
Ansteuerungsschaltung (ANSTEUERUNG) wirkt, die einen
Ansteuerungsstrom an den Leistungstransistor T&sub1; liefert.
Die zweite Schaltung (DIAGNOSE) ist eine Schaltung, die
ein Diagnosesignal VD erzeugen kann, wenn ein Teil des
Stroms IC einen Wert ID erreicht, der um einen
vorgegebenen Wert kleiner ist als der Grenzwert Imax des Stroms
IC, der von der BEGRENZER-Schaltung vorgegeben wird.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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In Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform der
Schaltung der Erfindung gezeigt. Die Schaltung operiert auf
folgende Weise. Wenn VIN auf Hochpegel gesteuert wird,
schließt die Steuerschaltung (ANSTEUERUNG) den Schalter
N, wobei in T&sub2; ein Strom ID fließt. Ferner werden T&sub4; und
T&sub5;, die beide in einer Stromspiegelkonfiguration mit dem
Transistor T&sub2; verbunden sind, eingeschaltet und erzeugen
Ströme, deren Wert vom jeweiligen Verhältnis der
Emitterfläche zu T&sub2; abhängt.
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T&sub5; erzeugt einen Ansteuerungsstrom I&sub5; = IF für die Basis
von T&sub9;, der den Leistungstransistor T&sub1; mit einem
Basisstrom I&sub9; = IB aktiviert. Selbstverständlich gilt die
Gleichung: I&sub9; = IB = IF hFE(Tg), wobei der Strom IC über
den Transistor T&sub1; in der Induktivität L zu fließen
beginnt.
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Wenn IC den Wert Imax = E&sub1; / Rs erreicht, wird der
Differenzverstärker A aktiviert, wobei dessen Ausgang beginnt,
einen Strom an die Basen der Transistoren T&sub6; und T&sub7; zu
liefern.
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T&sub7; beginnt, einen Strom I&sub7; zu absorbieren, indem er
diesen vom Ansteuerungsstrom I&sub5; abzieht, so daß dann,
wenn IF = I&sub5; - I&sub7; gilt und I&sub5; konstant ist, aufgrund
einer Erhöhung von I&sub7; der Strom IF abnimmt und somit
I&sub9; = IB abnimmt. Wenn schließlich IB auf den durch
IB = IC / hFE(T&sub1;) gegebenen Wert abgesunken ist,
stabilisiert sich der Strom durch die Last auf einem maximalen
Pegel Imax, der hinsichtlich der Tatsache, daß die
Rückkopplungsschleife des Verstärkers A dazu neigt, die
Bedingung E&sub1; = Imax Rs aufrechtzuerhalten, nicht
übermäßig groß sein kann.
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Um gemäß der Erfindung ein Diagnosesignal VD zu erhalten,
wird ein Transistor T&sub6; verwendet, der funktional in einer
Stromspiegelkonfiguration mit dem Transistor T&sub7; verbunden
ist. Somit erreichen die beiden Transistoren T&sub6; und T&sub7;
gleichzeitig einen leitenden Zustand mit einem
Stromverhältnis, das direkt vom Verhältnis zwischen ihren
Emitterflächen abhängt. Beispielsweise kann angenommen
werden, daß I&sub6; = I&sub7; gilt.
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Von der Schwellenschaltung, die aus der Stufe besteht,
die T&sub3; und R&sub1; enthält, wird ein Diagnosesignal
VD = R&sub1; I&sub3; erzeugt. Das Signal VD wird beim Einschalten
von T&sub3; erzeugt, was durch das Signal bestimmt wird, das
im wesentlichen am Transistor T&sub6; anliegt. Das Einschalten
von T&sub3; findet nur dann statt, wenn I&sub6; > I&sub4;, wobei jedoch
I&sub6; = I&sub7; = I&sub5; - IF und IF = Imax / [hFE(T&sub1;) hFE(T&sub9;)]
gelten.
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Durch Vorgabe der Bedingung E&sub4; < I&sub5; - IF geht der
Transistor T&sub6; dann, wenn er den gesamten Strom 14 absorbiert
hat, in die Sättigung und aktiviert T&sub3;, wodurch die
Erzeugung des Diagnosesignals VD bestimmt wird.
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Das Diagnosesignal VD wird immer definitiv vor dem
Erreichen des maximalen Grenzstroms erzeugt, da wie oben
erwähnt I&sub4; < I&sub5; - IF und I&sub6; = I&sub7; gilt, wobei die
Kollektorspannung des Transistors T&sub6; dazu neigt, definitiv vor
der Kollektorspannung von T&sub7; abzusinken. Durch geeignetes
Einstellen des Emitterflächenverhältnisses zwischen T&sub6;
und T&sub7; sowie zwischen T&sub4; und T&sub5; ist es möglich, ein
bestimmtes Verhältnis ID / Imax genau zu bestimmen, das
ferner sehr nahe bei 1 liegen kann.
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Der einzige Parameter der obenbeschriebenen Schaltung,
der immer noch eine Ungenauigkeit bei der Definition
eines Strompegels in der Induktivität, bei dem das
Diagnosesignal erzeugt wird, bewirken kann, kann aus dem
oben bereits erwähnten Ausdruck abgeleitet werden.
IF = Imax / [hFE(T&sub1;) hFE(T&sub9;)]. Tatsächlich hängt IF von
den Stromverstärkungsfaktoren von T&sub1; und T&sub9; ab, die sich
mit der Temperatur verändern können und/oder einer
"Prozeßstreuung" unterliegen können. Diese Ursache einer
möglichen Ungenauigkeit kann besser verstanden werden
durch Betrachten des Ausdrucks: I&sub7; = I&sub5; - IF, wobei
I&sub6; > I&sub4; und I&sub6; = I&sub7; gilt. Die erste Gleichung bezeichnet
eine strenge Abhängigkeit von der Temperatur aufgrund des
Ausdrucks IF, während die zweite Ungleichung
temperaturunabhängig ist. Als Folge hiervon kann die obige dritte
Gleichung inkohärent mit den ersten beiden Beziehungen
sein.
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Um die Auswirkungen dieses möglichen Problems zu
vermeiden, kann eine zusätzliche Schaltung eingeführt werden,
die aus den Transistoren T&sub8; und T&sub1;&sub0; besteht, wie in der
Ausführungsform der Fig. 5 gezeigt ist. Die Funktion der
zusätzlichen Schaltung ist folgende.
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T&sub8; und T&sub1;&sub0; sind in einer Stromspiegelkonfiguration mit T&sub9;
verbunden, wodurch die folgenden Bedingungen erfüllt
sind:
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IF = I&sub1;&sub0;; 19 = {A&sub9; / A&sub1;&sub0;] I&sub1;&sub0;; I&sub8; = {A&sub8; / A&sub1;&sub0;] I&sub1;&sub0;;
wobei A&sub8;, A&sub9; und A&sub1;&sub0; die jeweiligen Emitterflächen der
Transistoren sind.
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Außerdem kann mit dem Hinzufügen der Schaltung, die aus
T&sub8; und T&sub1;&sub0; besteht, gezeigt werden, daß die folgenden
Bedingungen erfüllt sein müssen, um ein Diagnosesignal VD
erzeugen.
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I&sub6; > I&sub4; - I&sub8;; während I&sub7; = I&sub5; = IF;
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jedoch IF = I&sub1;&sub0; und I&sub8; = {A&sub8; / A&sub1;&sub0;] I&sub1;&sub0;;
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wobei unter der Annahme von z. B. A&sub8; = A&sub1;&sub0; die folgenden
Beziehungen abgeleitet werden:
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I&sub6; > I&sub4; - I&sub8; (1)
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I&sub7; = I&sub5; - I&sub8; (2)
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wobei eingestellt ist: I&sub6; = I&sub7; (3)
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Nur der Strom 18 weist eine Abhängigkeit vom
Stromverstärkungsfaktor der Transistoren auf, der (aus Fig. 5)
gegeben ist durch:
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Der Ausdruck I&sub8; ist jedoch sowohl im Ausdruck (1) als
auch im Ausdruck (2) enthalten, was in Kombination mit
Gleichung (3) zeigt, daß die Bedingung der Erzeugung
eines der Diagnosesignais praktisch unabhängig ist vom
Stromverstärkungsfaktor des Leistungstransistors T&sub1;.