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Dokumentenidentifikation DE3417194C2 26.05.1988
Titel Schaltungsanordnung zur Steuerung eines gleichstromgespeisten Verbrauchers, insbesondere für die Instrumentenbeleuchtung
Anmelder TRW Messmer GmbH & Co KG, 7760 Radolfzell, DE
Erfinder Schülzke, Peter, Dipl.-Ing., 7997 Immenstaad, DE
Vertreter Eder, E., Dipl.-Ing.; Schieschke, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 09.05.1984
DE-Aktenzeichen 3417194
Offenlegungstag 14.11.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.05.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.05.1988
IPC-Hauptklasse H02M 3/10
IPC-Nebenklasse B60Q 3/04   H05B 41/392   
Zusammenfassung Die Schaltungsanordnung zur Steuerung der Leistung eines gleichstromgespeisten Verbrauchers, insbesondere für die Instrumentenbeleuchtung eines Kraftfahrzeuges, sieht vor, daß mit der Last (L) in Reihe ein mit einstellbarem Tastverhältnis arbeitender elektronischer Schalter (B1, B2) geschaltet ist. Der elektronische Schalter ist dabei als astabiler Multivibrator aufgebaut. Dieser besteht aus einem Komparator (B1) und einem Leistungsverstärker (B2).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines gleichstromgespeisten Verbrauchers eines Kraftfahrzeuges, insbesondere für die Instrumentenbeleuchtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Die Instrumentenbeleuchtung in Kraftfahrzeugen ist in ihrer Helligkeit verstellbar. Es ist bekannt, hierfür einen veränderlichen Vorwiderstand (Rheostat) zu verwenden. Nachteilig ist hierbei, daß der veränderliche Vorwiderstand eine beträchtliche Verlustleistung erzeugt, was zu Temperaturproblemen führt. Andererseits nimmt die Wattzahl der zu dimmenden Instrumentenbeleuchtung immer mehr zu, wodurch die Leistungs-Temperatur-Probleme verschärft werden.

Die DE-OS 27 28 796 beschreibt bereits eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Gleichstromes, insbesondere für die Instrumentenbeleuchtung eines Kraftfahrzeug-Armaturenbrettes. Diese Schaltungsanordnung weist einen elektronischen Schalter auf, der mit der Last (Instrumentenbeleuchtung) in Reihe geschaltet ist und mit einstellbarem Tastverhältnis arbeitet. Der elektronische Schalter ist als astabiler Multivibrator aufgebaut. Nachteilig ist, daß vor allem die Durchsteuerbarkeit bei konstanter Frequenz nicht gegeben ist. Außerdem bedingt diese Schaltungsanordnung einen unnötig großen Aufwand und es sind keine Mittel zur Abflachung der Schaltflanken vorhanden.

Die DE-OS 21 00 929, die den am nächsten kommenden Stand der Technik beschreibt, bezieht sich auf eine Steuerschaltung zur Versorgung eines induktiven Verbrauchers mit impulsförmigem Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle. Der vorhandene elektronische Schalter weist einen als astabilen Multivibrator ausgebildeten Operationsverstärker mit einem Mitkopplungszweig und einem Gegenkopplungszweig auf. Das Tastverhältnis ist veränderbar. Der Operationsverstärker bildet einen Komparator. Der eine Eingang des Komparators ist an einen Abgriff eines Spannungsteilers angeschlossen, mit dem auch das Mitkopplungsnetz verbunden ist. Die Last und der Spannungsteiler sind an den einen Pol der Fahrzeugbatterie anschließbar. Der andere Eingang des Komparators ist über einen Kondensator an den anderen Pol der Fahrzeugbatterie und an das Gegenkopplungsnetzwerk angeschlossen, mit dem auch die Last verbunden ist. Hierbei ist die den Gleichstrom schaltende Leistungsstufe von zwei Transistoren in Darlington-Schaltung gebildet. Diese bekannte Schaltungsanordnung dient zur Steuerung des impulsförmigen Gleichstromes für einen induktiven Verbraucher. Sie soll die Forderung nach steilflankigen Steuerimpulsen sowie nach einem weiten Variationsbereich des Tastverhältnisses der Steuerimpulse mit möglichst einfachen Mitteln erfüllen. Nachteilig ist, daß ein nachgeschalteter Treiber notwendig ist. Auch ist die Durchsteuerbarkeit bei festbleibender Frequenz nicht gegeben. Es sind keine Mittel zur Abflachung der Schaltflanken vorgesehen, so daß die Anforderungen an die Entstörung für Rundfunkempfang bei Kraftfahrzeugen nicht erfüllt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die aus der zuletzt beschriebenen Druckschrift bekannte Schaltungsanordnung so zu verbessern, daß die eingestellte Schaltfrequenz des elektronischen Schalters möglichst konstant gehalten und eine gute Durchsteuerbarkeit erreicht wird. Zudem sollen die Schaltflanken abgeflacht werden um Rundfunkstörungen im Kraftfahrzeug der Nahentstörungsnorm entsprechend zu vermindern. Dabei soll die Schaltungsanordnung besonders einfach, klein und konstengünstig aufgebaut sein.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Erfindung bietet den Vorteil mit einer verhältnismäßig einfachen Schaltungsanordnung, die sehr scharfen Nahentstörungsanforderungen zu erfüllen und dabei zudem auch nur einen geringen Platzbedarf zu beanspruchen. Zudem wird eine konstante Schaltfrequenz und gute Durchsteuerbarkeit gewährleistet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Prinzipschaltung eines Dimmers für eine Instrumentenbeleuchtung in einem Kraftfahrzeug;

Fig. 2 Impulsdiagramme zur Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine ausgeführte Schaltung eines Dimmers nach Fig. 1;

Fig. 4 eine zu Fig. 3 komplementäre Schaltung, bei der die Last L einseitig fest an Fahrzeugmasse liegt und auch + zu schalten ist, und

Fig. 5 eine besonders vorteilhafte Schaltung eines Dimmers mit konstanter Schaltfrequenz.

Bei der Prinzipschaltung nach Fig. 1 für einen Dimmer für die Instrumentenbeleuchtung eines Kraftfahrzeuges kann die Last L, z. B. die Instrumentenbeleuchtungslampen eines Kraftfahrzeuges, über den Lichtschalter S an den Pluspol der Fahrzeugbatterie angeschaltet werden. Der Ausgang der Last L ist über die Leistungsstufe B&sub2; an Fahrzeugmasse und damit an den Minuspol der Fahrzeugbatterie schaltbar.

Die Leistungsstufe B&sub2; ist über einen Komparator B&sub1; steuerbar. Komparator B&sub1; und Leistungsstufe B&sub2; bilden zusammen mit dem Netzwerk einen astabilen Multivibrator.

Wird an die Schaltung die Batteriespannung UBatt durch Schließen des Schalters S angelegt und ist der Kondensator C&sub1;, der an den Minuseingang des Komparators B&sub1; angeschlossen und mit Fahrzeugmasse verbunden ist, entladen, so geht der Ausgang des Komparators B&sub1; auf "High".

Der Pluseingang des Komparators B&sub1; ist über einen Widerstand R&sub2; an Fahrzeugmasse gelegt und zugleich über den Widerstand R&sub1; an die +Batteriespannung angeschaltet. R&sub1; und R&sub2; bilden dabei einen Spannungsteiler. Zugleich ist der Pluseingang des Komparators B&sub1; über den Widerstand R&sub3; mit dem Ausgang der Last L verbunden.

Der Minuseingang des Komparators B&sub1; ist über ein Netzwerk mit dem Ausgang der Last L und auch dem Ausgang der Leistungsstufe B&sub2; verbunden.

Der eine Zweig des Netzwerkes besteht aus der Reihenschaltung eines veränderbaren Widerstandes R&sub4;, eines Festwiderstandes R&sub5; und einer Diode D&sub1;.

Parallel zu diesem Netzwerkzweig liegt ein Kondensator C&sub2; sowie eine Reihenschaltung eines Festwiderstandes R&sub6; und einer Diode D&sub2;.

Bei Anlegen der Batteriespannung UBatt und bei auf "High" befindlichem Komparatorausgang wird über den Widerstand R&sub3; die obere Schwellspannung



an den nicht invertierenden Eingang E+ des Komparators B&sub1; angelegt.

Gleichzeitig beginnt sich C&sub1; über D&sub1;, R&sub5;, R&sub4; aufzuladen. Erreicht UC&sub1;=UE die obere Schwelle UE+o, schaltet der Ausgang des Komparators B&sub1; auf "Low". Ebenso geht der Ausgang der Leistungsstufe B&sub2; auf "Low". Über R&sub3; wird UE+ auf die untere Schwellspannung



umgeschaltet, wobei dieser Zustand zunächst erhalten bleibt.

Der Pfad D&sub1;, R&sub5;, R&sub4; wird gesperrt, jedoch über D&sub2;, R&sub6; entlädt sich der Kondensator C&sub1; zur Fahrzeugmasse und damit gegen Minus der Fahrzeugbatterie.

Sobald UC 1=UE- die untere Schwelle UE+U erreicht, kippt die Schaltung wieder in den schon beschriebenen Zustand zurück, d. h. der Ausgang des Komparators B&sub1; geht auf "High" und der Kondensator C&sub1; beginnt sich aufzuladen.

Mit dem Komparator B&sub1; kann durch Mitkopplung vom Ausgang der Leistungsstufe B&sub2; auf den Spannungsteiler R&sub1;, R&sub2; an E+ und gleichzeitiger Gegenkopplung über D&sub1;, R&sub4;, R&sub5; und D&sub2;, R&sub6; auf den Kondensator C&sub1; an E- mit sehr wenigen Bauelementen eine astabile Schaltung realisiert werden.

Dabei erlaubt die Gestaltung der Gegenkopplung durch D&sub1;, R&sub4;, R&sub5;, D&sub2;, R&sub6; die Realisierung von Tastverhältnissen von nahe Null bis nahe 1. Durch Ausbildung von R&sub4; als Potentiometer ist dieses Tastverhältnis auch kontinuierlich durchsteuerbar. Es ist

Tein(UA ~ 0) = K · C&sub1; · R&sub6;

Taus(UA ~ UBatt) = K · C&sub1; · (R&sub4;eff + R&sub5;)



mit R&sub4;«R&sub6; und R&sub5;«R&sub6; erhält man:

TV max. ~1

mit R&sub4;«R&sub6; erhält man:

TV min. ~0

Der Kondensator C&sub2; liegt im Gegenkopplungszweig der Schaltung und stellt eine lediglich dynamisch wirkende Gegenkopplung dar. Die Schaltung ohne C&sub2; würde steile Ein/Aus-Flanken entsprechend den Schaltzeiten des Komparators D&sub1; erzeugen. Bei der endlichen Impedanz des Kraftfahrzeug-Bordnetzes würde das zu nicht akzeptablen Nahstörungen führen.

Je größer nun C&sub2; gewählt wird, desto flacher sind die Ein/Aus-Flanken am Lastausgang. Verlangsamt man z. B. die Ein/Aus-Schaltzeiten auf ca. 30 µs, erreicht man nach DIN/VDO 0879, Teil 3, bereits relativ gute Entstörgrade für LW/MW und die beste Entstör-Klasse für KW/UKW. Andererseits ist die dadurch bewirkte Verlustleistungserhöhung noch relativ gering gegen die statisch anfallende Verlustleistung bei einer ökonomischen Darlington-Schaltung. Bei einer Schaltfrequenz von z. B. 50 Hz ( ≙T=20 ms) treten die zusätzlichen Schaltverluste dann nur mit einem Tastverhältnis von 2×30 µs/20 ms~3% in Erscheinung. Die gestellten Forderungen nach Ausgangslast, Dimmgrad, Schaltfrequenz, niederen Kosten und geringem Platzbedarf und Nahentstörung sind mit dem aufgezeigten Schaltprinzip zu erfüllen.

Der Verlauf der Spannungen UBatt, UE-, UE+ und UA über die Zeit ergibt sich aus den in Fig. 2 untereinander gezeichneten Diagrammen.

Bei der in Fig. 3 gezeigten, ausgeführten Schaltung ist der Komparator B&sub1; durch einen Differenzverstärker mit den Transistoren T&sub1; und T&sub2; sowie die Leistungsstufe durch einen Leistungs-Darlington-Transistor T&sub3; realisiert. Die über den Vorwiderstand R&sub7; zugeführte +Batteriespannung wird über einen weiteren Vorwiderstand R&sub8; dem jeweiligen Emitter der Transistoren T&sub1; bzw. T&sub2; zugeleitet. Zudem ist an den Darlington-Transistor T&sub3; eine Diode 3 und einer Zehnerdiode D&sub4; angeschaltet.

Die Fig. 4 zeigt eine zu Fig. 3 komplementär ausgeführte Schaltung.

Die Fig. 5 zeigt eine Schaltung für eine konstante Schaltfrequenz.

Im Unterschied zu Fig. 3 ist das Potentiometer R&sub4; mit Ra in den Zweig D&sub1;, R&sub5; und mit Rb in den Zweig D&sub2;, R&sub6; (Ra+Rb=R&sub4;) gelegt.

Es ist somit:

Tein = K · C&sub1; · (Rb + R&sub3;)

Taus = K · C&sub1; · (Ra + R&sub2;)

T = Tein + Taus = K · C&sub1; · (Ra + Rb + R&sub2; + R&sub3;)

= K · C&sub1; · (R&sub4; + R&sub5; + R&sub6;) = const.

d. h. die Schaltfrequenz ist konstant, da sich bei Verstellung des Potentiometers R&sub4;=Ra+Rb, Tein und entsprechend gegensinnig auch Taus ändert.

Das ist besonders vorteilhaft, um die Schaltfrequenz auf den niederstmöglichen Wert für flackerfrei gedimmtes Licht von 50 Hz zu legen. Damit erhält man das niederstmögliche (und konstante) Tastverhältnis für die vorstehend erwähnten Schaltverluste wegen der Flankenverlangsamung.

Selbstverständlich können die beschriebenen Schaltungen anstatt für Instrumentenbeleuchtungslampen von Kraftfahrzeugen auch für andere gleichstromgespeiste Lasten eingesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zur Steuerung eines gleichstromgespeisten Verbrauchers eines Kraftfahrzeuges, insbesondere für die Instrumentenbeleuchtung, mit einem mit der Last (L) in Reihe geschalteten und mit einstellbarem Tastverhältnis als Multivibrator arbeitenden, elektronischen Schalter, der einen Komparator (B&sub1;), eine Leistungsstufe (B&sub2;) sowie Mitkopplungs- und Gegenkopplungsnetzwerke aufweist, wobei der eine Eingang (+) des Komparators an einen Abgriff eines Spannungsteilers (R&sub1;, R&sub2;) und an das Mitkopplungsnetzwerk angeschlossen ist, die Last und der Spannungsteiler an den einen Pol (+) der Fahrzeugbatterie anschließbar sind, während der andere Eingang (-) des Komparators über einen Kondensator (C&sub1;) an den anderen Pol (-) der Fahrzeugbatterie und an das Gegenkopplungsnetzwerk angeschlossen ist, mit dem auch die Last verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit- und Gegenkopplungsnetzwerke mit dem Ausgang der Last (2) und der Leistungsstufe (B&sub2;) verbunden sind und daß das Gegenkopplungsnetzwerk aus einem Zweig einer Reihenschaltung eines veränderlichen Widerstandes (R&sub4;, eines Festwiderstandes (R&sub5;) und einer Diode (D&sub1;), aus einem weiteren, dazu parallelen Zweig mit der Reihenschaltung eines Festwiderstandes (R&sub6;) und einer gegenüber der Diode (D&sub1;) entgegengerichteten Diode (D&sub2;) und zur Abflachung der Schaltflanken aus einem dazu parallelen Zweig mit einem Kondensator (C&sub2;) besteht.
  2. 2. Schaltunganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (B&sub1;) von zwei als Differenzverstärker geschalteten Transistoren (T&sub1;, T&sub2;) und der Leistungsverstärker von einem Leistungs-Darlington-Transistor (T&sub3;) gebildet ist.
  3. 3. Schaltunganordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderbare Widerstand (R&sub4;) an beide Zweige mit den Dioden (D&sub1;, D&sub2;) angeschlossen und der Schleifer dieses veränderbaren Widerstandes mit dem einen Anschluß des Kondensators (C&sub2;) im anderen Zweig des Gegenkopplungsnetzwerkes verbunden ist.






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