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Dokumentenidentifikation DE10259732A1 01.07.2004
Titel Scheibenwischersteuerung
Anmelder Delphi Technologies, Inc., Troy, Mich., US
Erfinder Giesen, Marko, 51588 Nümbrecht, DE;
Trommer, Frank O., 51588 Nümbrecht, DE;
Lehmann, Klaus, 53797 Lohmar, DE;
Stadler, Peter, 57482 Wenden, DE;
Schulte, Thomas, 58540 Meinerzhagen, DE
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 19.12.2002
DE-Aktenzeichen 10259732
Offenlegungstag 01.07.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.07.2004
IPC-Hauptklasse B60S 1/08
IPC-Nebenklasse H02P 3/12   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung eines Gleichstromelektromotors eines Scheibenwischers. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Gleichstrommotors eines Scheibenwischers, wobei ein elektrisches Schaltelement vorgesehen ist, das von einer Steuereinheit gepulst angesteuert wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Steuerung eines Gleichstromelektromotors eines Scheibenwischers.

Grundsätzlich sind derartige Schaltungen bekannt. Sie umfassen üblicherweise wenigstens zwei Relais, um je nach Ansteuerung der Relais wahlweise entweder eine erste Wicklung oder eine zweite Wicklung des Elektromotors mit einer Gleichstromquelle in Stromverbindung zu bringen. Typischerweise weisen die erste Wicklung und die zweite Wicklung jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Windungen auf. Je nachdem, ob ein Strom durch die erste Wicklung oder durch die zweite Wicklung fließt, erreicht der Elektromotor unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten. Es ist somit möglich, den Scheibenwischer zweistufig, das heißt mit zwei fest vorgegebenen Frequenzen, zu betreiben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte und kostengünstige Schaltung zur Steuerung eines Gleichstromelektromotors eines Scheibenwischers zu schaffen, die insbesondere eine stufenlose Einstellung der Scheibenwischergeschwindigkeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass die Schaltung ein elektronisches Schaltelement aufweist, das zwischen einem Pol einer Gleichstromquelle und einer Wicklung des Elektromotors angeordnet ist, wobei das elektronische Schaltelement durch eine Steuereinheit und mit modulierter Pulsbreite gepulst in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar ist, um den Elektromotor zur Erreichung einer gewünschten Drehgeschwindigkeit mit der Gleichstromquelle in Stromverbindung zu bringen.

Erfindungsgemäß ist anstelle von einem oder mehreren Relais ein elektronisches Schaltelement zur Steuerung des Elektromotors vorgesehen. Dieses elektronische Schaltelement erfüllt zwei Funktionen: zum einen wirkt es als Unterbrecherkontakt, um den Elektromotor mit der Stromquelle zu verbinden oder ihn von der Stromquelle zu trennen. Zum anderen wird das Schaltelement gepulst betrieben, wobei durch die Modulation der Pulsbreite, das heißt durch eine Veränderung der Pulsbreite, die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors und somit die Frequenz des Scheibenwischers eingestellt werden kann.

Die Pulsbreite ist eine kontinuierlich variierbare Einstellgröße, so dass ein Bediener durch eine entsprechende Eingabe an die Steuereinheit eine beliebige Drehgeschwindigkeit des Elektromotors auswählen und die Wischfrequenz des Scheibenwischers somit frei vorgeben kann. Auch kann eine durch Sensoren gesteuerte Ansteuerung der Geschwindigkeit des Scheibenwischers erfolgen. Die Scheibenwischertätigkeit lässt sich auf diese Weise gezielt an eine Verschmutzung oder Belegung der zugehörigen Scheibe mit Regen, Schnee etc. anpassen. Dadurch ist einerseits der Bedienungskomfort und andererseits die Sicherheit des Fahrzeugs erhöht.

Da es sich bei dem Schaltelement um ein elektronisches Schaltelement handelt, tritt bei diesem – anders als bei einem Relais – kein mechanischer Verschleiß auf. Das Schaltelement ist somit im Wesentlichen wartungsfrei.

Darüber hinaus geht der Schaltvorgang bei einem elektronischen Schaltelement – im Gegensatz zu einem mechanisch schaltenden Bauteil, wie einem Relais – geräuschlos vor sich.

Gemäß einer Ausführungsform der Schaltung ist ein zweites elektronisches Schaltelement zwischen einer Wicklung des Elektromotors und einem anderen Pol der Stromquelle angeordnet und durch die Steuereinheit in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar, um ein Abbremsen des Elektromotors zu beschleunigen.

Wird die Stromverbindung zwischen Elektromotor und Stromquelle zum Abschalten des Scheibenwischers durch das erste Schaltelement unterbrochen, so würde der Rotor des Elektromotors aufgrund seiner Trägheit zunächst weiter rotieren. Durch dieses Nachlaufen des Rotors würde in der Wicklung des Elektromotors eine Ladungsverschiebung in abwechselnd entgegengesetzte Richtungen bewirkt, die dazu führen würde, dass sich die Rotation des Rotors über einen längeren Zeitraum hinweg fortsetzen würde.

Durch das zweite Schaltelement lässt sich die Wicklung des Elektromotors kurzschließen und mit einem, beispielsweise auf Masse liegenden, Pol der Stromquelle verbinden, so dass der durch den nachlaufenden Rotor in der Wicklung induzierte Strom abfließen kann. Ähnlich wie bei einer Wirbelstrombremse wirkt dieser durch die Wicklung fließende bzw. aus der Wicklung abfließende Strom der Drehung des Rotors entgegen. Der Scheibenwischer wird auf diese Weise nicht nur unkontrolliert durch den Reibungswiderstand auf der Scheibe, sondern zusätzlich gezielt durch das Schalten des zweiten Schaltelements in den stromdurchlässigen Zustand abgebremst. Befindet sich das zweite Schaltelement auch dann im stromdurchlässigen Zustand, wenn der Scheibenwischer nicht in Betrieb ist, so wird der Stillstand des Scheibenwischers zusätzlich sichergestellt.

Gemäß einer ersten Variante der Schaltung weist der Elektromotor zwei Wicklungen auf und das erste Schaltelement ist mit der einen Wicklung das zweite Schaltelement mit der anderen Wicklung des Elektromotors verbunden. Diese Variante der Schaltung ermöglicht die Verwendung von Elektromotoren, wie sie bereits in herkömmlichen, bspw. relaisgesteuerten Schaltungen für einen zweistufigen Betrieb von Scheibenwischern eingesetzt wurden.

Zur Steuerung des Elektromotors mit zwei Wicklungen sind im Prinzip nicht mehr als zwei elektronische Bauelemente erforderlich, nämlich das erste Schaltelement, um die eine Wicklung des Elektromotors mit der Stromquelle in Stromverbindung zu bringen und die Drehgeschwindigkeit des Motors zu steuern, und das zweite Schaltelement, um die andere Wicklung zum schnellen Abbremsen des Motors kurzzuschließen.

Darüber hinaus ist die erste Schaltungsvariante unempfindlich gegenüber einer Verpolung der Stromquelle. Durch die Anordnung der Schaltelemente zwischen unterschiedlichen Wicklungen und unterschiedlichen Polen der Stromquelle kann nämlich selbst bei einer Falschpolung der Stromquelle kein Kurzschlussstrom von einem Pol der Stromquelle durch beide Schaltelemente hindurch zum anderen Pol der Stromquelle fließen. Eine Beschädigung der elektronischen Schaltelemente aufgrund einer versehentlichen Verpolung ist somit ausgeschlossen.

Gemäß einer zweiten Schaltungsvariante weist der Elektromotor nur eine Wicklung auf, und das zweite Schaltelement ist parallel zu der Wicklung zwischen das erste Schaltelement und den anderen Pol der Stromquelle geschaltet. Bei dieser Schaltungsvariante erfolgt der Antrieb und das Abbremsen des Elektromotors über ein und dieselbe Wicklung. Für diese Schaltungsvariante können daher Elektromotoren mit nur einer Wicklung verwendet werden. Derartige Elektromotoren weisen im Vergleich zu Elektromotoren mit zwei Wicklungen in der Regel einen einfachereren Aufbau auf und sind deshalb kostengünstiger.

Vorteilhafterweise ist bei der zweiten Schaltungsvariante in einem Leitungszweig der Schaltung, in dem das erste und das zweite Schaltelement angeordnet sind, zusätzlich ein Gleichrichterelement vorgesehen. Da die Schaltung gemäß der zweiten Variante einen Leitungszweig aufweist, in dem die Schaltungselemente in Reihe zwischen den Polen der Stromquelle angeordnet sind, besteht hier die Gefahr, dass die Schaltelemente bei einer Falschpolung der Stromquelle durch einen über die Schaltelemente fließenden Kurzschlussstrom beschädigt werden. Durch die Anordnung des Gleichrichterelements, beispielsweise einer Diode oder eines Transistors, in diesem Leitungszweig, wird eine Beschädigung der Schaltelemente durch Kurzschluss bei einer Verpolung der Stromquelle ausgeschlossen.

Die elektronischen Schaltelemente können Transistoren und insbesondere Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) sein. MOSFETs sind leicht erhältliche und kostengünstige elektronische Bauelemente, die sich für einen Einsatz in einer erfindungsgemäßen Schaltung besonders gut eignen. Darüber hinaus arbeiten MOSFETs nahezu verlustfrei, so dass die Schaltung energiesparend betrieben werden kann.

Das erste Schaltelement kann außerdem ein intelligenter MOSFET (Smart MOSFET) sein, und der durch das erste Schaltelement fließende Motorstrom kann, insbesondere durch die Steuerungseinheit, erfassbar sein. Durch die Erfassung des durch das erste Schaltelement fließenden Stroms kann zum einen die Funktion des Elektromotors und somit des Scheibenwischers überwacht werden. Zum anderen ist ein Eingreifen der Steuereinheit möglich, beispielsweise zum Unterbrechen des Stromkreises, sobald eine Fehlfunktion der Schaltung, zum Beispiel in Form eines Kurzschlusses, am ersten Schaltelement detektiert wird. Die Erfassung des durch das erste Stromelement fließenden Stroms übernimmt folglich die Funktion einer Sicherung und macht eine zusätzliche Sicherung somit überflüssig.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Steuern eines Gleichstromelektromotors eines Scheibenwischers, bei dem ein elektronisches Schaltelement, das zwischen einem Pol einer Gleichstromquelle und einer Wicklung des Elektromotors angeordnet ist, mit modulierter Pulsbreite gepulst in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet wird, um den Elektromotor zur Erreichung einer gewünschten Drehgeschwindigkeit mit der Gleichstromquelle in Stromverbindung zu bringen. Durch die gepulste Schaltung des Schaltelements mit modulierter Pulsbreite ist – anders als bei herkömmlichen Schaltungen zum zweistufigen Betreiben eines Scheibenwischers – eine kontinuierliche Einstellung der Scheibenwischergeschwindigkeit möglich. Dies erlaubt eine optimale Anpassung der Scheibenwischerleistung an die Umgebung und erhöht dadurch sowohl den Bedienungskomfort als auch die Sicherheit, letztere insbesondere dann, wenn es sich um einen Scheibenwischer für eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs handelt.

Ein zweites elektronisches Schaltelement, das zwischen einer Wicklung des Elektromotors und einem anderen Pol der Stromquelle angeordnet ist, kann in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet werden, um ein Abbremsen des Elektromotors zu beschleunigen. Auf diese Weise wird ein unerwünschtes Nachlaufen des Elektromotors nach einem Ausschalten des Scheibenwischers weitgehend ausgeschlossen. Der Scheibenwischer kommt somit nahezu unmittelbar nach seinem Ausschalten zum Stillstand, oder, sofern dies steuerungstechnisch vorgesehen ist, unmittelbar nachdem er seine Ruhelage erreicht hat. Befindet sich das zweite Schaltelement auch dann im stromdurchlässigen Zustand, wenn der Scheibenwischer nicht in Betrieb ist, so wird der Scheibenwischer hierdurch zusätzlich blockiert.

Der durch das erste Schaltelement fließende Motorstrom kann, insbesondere durch eine Steuerungseinheit, erfassbar sein. Die Erfassung des Motorstroms dient zum einen der Überwachung der Scheibenwischerfunktion und erfüllt zum anderen die Aufgabe einer Sicherung, indem beispielsweise bei einer Detektion eines über das Schaltelement fließenden Kurzschlussstroms eine Unterbrechung des Stromkreises ausgelöst werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einer ersten Variante; und

2 eine erfindungsgemäße Schaltung gemäß einer zweiten Variante.

Die in 1 gezeigte erste Schaltungsvariante weist einen Gleichstromelektromotor 10 zum Antreiben eines nicht dargestellten Scheibenwischers, beispielsweise für eine Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs auf. Der Elektromotor 10 ist mit zwei Wicklungen 12, 14 versehen. Es kann sich beispielsweise um einen Elektromotor 10 handeln, wie er auch in früheren, zweistufigen Scheibenwischerantriebssystemen eingesetzt wurde, das heißt die Wicklungen 12, 14 können unterschiedliche Anzahlen von Windungen aufweisen. Das Verhältnis der Anzahl von Windungen der Wicklungen 12, 14 zueinander ist bei der hier dargestellten Schaltung jedoch nicht relevant.

Die eine Wicklung 12, im folgenden auch Antriebswicklung genannt, dient der Umsetzung elektrischer Energie in eine Drehbewegung eines Rotors (nicht gezeigt) des Elektromotors 10, die wiederum durch ein entsprechendes Getriebe (nicht gezeigt) in eine Wischbewegung des Scheibenwischers umgesetzt wird. Zur Versorgung des Elektromotors 10 mit elektrischer Energie ist ein erstes Ende 16 der Antriebswicklung 12 mit einem Pluspol 18 einer Gleichstromquelle und ein zweites Ende 20 der Antriebswicklung 12 mit einem Minuspol 22 der Gleichstromquelle verbunden. Bei der Gleichstromquelle kann es sich beispielsweise um eine Autobatterie oder eine Brennstoffzelle handeln. Sofern die Gleichstromquelle in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, handelt es sich bei dem Minuspol 22 typischerweise um einen Massepol, das heißt der Minuspol 22 der Gleichstromquelle ist mit der Fahrzeugkarosserie verbunden.

Um die Stromzufuhr von der Stromquelle zu dem Elektromotor 10 zu unterbrechen, ist zwischen dem Pluspol 18 der Gleichstromquelle und dem ersten Ende 16 der Antriebswicklung 12 ein erstes elektronisches Schaltelement 24 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schaltelement 24 ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). Es ist jedoch auch möglich, eine andere Art von Transistor oder einen Thyristor als Schaltelement 24 zu verwenden.

Durch eine nicht dargestellte Steuereinheit ist der MOSFET 24 gepulst in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar. Zu diesem Zweck wird die Gateelektrode des MOSFETs 24 mit einem von der Steuereinheit ausgesandten Rechteckspannungssignal 26 beaufschlagt. Sobald das Schaltelement 24 in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet wird, beginnt sich der Rotor des Elektromotors 10 zu drehen. Aufgrund des pulsförmigen, an der Gateelektrode des MOSFETs 24 anliegenden Spannungssignals 26 ist der stromdurchlässige Zustand des Schaltelements 24 kein kontinuierlicher Zustand, sondern er setzt sich aus einer Reihe von Zustandsabschnitten zusammen, die abwechselnd stromdurchlässig und stromsperrend sind.

Die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10 hängt vom Verhältnis der Länge des stromdurchlässigen Zustandsabschnitts zur Länge des stromsperrenden Zustandsabschnitts ab. Dabei gilt, dass sich der Rotor des Elektromotors 10 um so schneller dreht, je länger der stromdurchlässige Zustandsabschnitt im Vergleich zum stromsperrenden Zustandsabschnitt ist. Dieses Verhältnis der Längen der stromdurchlässigen und stromsperrenden Zustände des MOSFETs 24 zueinander wird durch die Pulsbreite W des an der Gateelektrode des MOSFETs 24 anliegenden Spannungssignals 26 vorgegeben.

Durch eine Veränderung bzw. Modulation der Pulsbreite W des Spannungssignals 26 lässt sich folglich die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10 steuern. In Reaktion auf eine entsprechende Eingabe eines Bedieners gibt die Steuereinheit ein Rechteckspannungssignal 26 mit einer der Eingabe entsprechenden Pulsbreite W an das Schaltelement 24 aus. Dadurch wird der Elektromotor 10 derart gepulst mit Strom versorgt, dass sich eine gewünschte Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10 und somit die von dem Bediener gewünschte Wischfrequenz des Scheibenwischers einstellt.

Durch eine kontinuierlich veränderbare Pulsbreite W sind im Prinzip beliebige Drehgeschwindigkeiten es Elektromotors 10 einstellbar. Eine minimale Drehgeschwindigkeit ergibt sich jedoch aus einer minimalen Pulsbreite W, die mindestens erforderlich ist, damit eine Verdrehung des Rotors des Elektromotors 10 überhaupt erst in Gang gesetzt wird. Eine obere Grenze für die Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10 ergibt sich aus der Tatsache, dass mit immer weiter wachsender Pulsbreite W ab einem bestimmten Punkt kein gepulstes Signal 26 mehr vorliegt, sondern ein quasi kontinuierliches Signal. Die maximal erreichbare Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10 ist deshalb diejenige, die bei einer konstanten Stromzufuhr erreicht würde. Maßgeblich für die maximal erreichbare Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 10 ist daher die bauliche Ausführung des Elektromotors 10 und insbesondere die Anzahl der Windungen der Antriebswicklung 12.

Zum Ausschalten des Scheibenwischers wird das Schaltelement 24 durch die Steuereinheit in einen stromsperrenden Zustand geschaltet und die Stromzufuhr vom Pluspol 18 der Gleichstromquelle zum Elektromotor 10 unterbrochen. Aufgrund seiner Trägheit dreht sich der Rotor des Elektromotors 10 trotz der Trennung des Elektromotors 10 von der Stromquelle zunächst weiter. Durch diesen Nachlauf des Rotors wird sowohl in der ersten Wicklung 12 als auch in der zweiten Wicklung 14 ein Strom induziert, dessen Richtungsänderungsgeschwindigkeit sich in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rotors ständig ändert. Es handelt sich folglich genauer gesagt um eine alternierende Ladungsverschiebung in den Wicklungen 12, 14.

Ein in den Wicklungen 12, 14 induzierter Strom würde dazu führen, dass dem Rotor immer wieder Energie zugeführt würde, so dass der Nachlauf des Rotors durch den in den Wicklungen 12, 14 induzierten Strom verlängert würde. Dies bedeutet, dass sich der Scheibenwischer noch für einige Zeit nach seinem Ausschalten weiter bewegten würde.

Um zu erreichen, dass die Scheibenwischerbewegung bei einem entsprechenden Ausschaltbefehl des Bedieners unmittelbar stoppt, ist die zweite Wicklung 14, im Folgenden auch Bremswicklung genannt, über ein zweites Schaltelement 28 kurzgeschlossen, indem ein Anschluss des Schaltelements 28 mit dem einen Ende 30 der Bremswicklung 14 und ein anderer Anschluss des Schaltelements 28 mit ihrem anderen Ende 32 verbunden ist.

Bei dem Schaltelement 28 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls um einen MOSFET, wobei, wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Schaltelement 24 erwähnt, auch andere Arten von Transistoren oder Thyristoren in Frage kommen können. Der MOSFET 28 ist durch die Steuereinheit aus einem stromsperrenden Zustand in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar.

Während der Scheibenwischer aktiviert ist, das heißt solange der Elektromotor 10 mit Strom versorgt wird, befindet sich das zweite Schaltelement 28 in einem stromsperrenden Zustand. Sobald der Scheibenwischer aber ausgeschaltet wird – mit anderen Worten – kurz nachdem durch das erste Schaltelement 24 die Stromzufuhr zum Elektromotor 10 unterbrochen wurde, wird das zweite Schaltelement 28 durch die Steuereinheit in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet.

Dies bewirkt einen Kurzschluss der zweiten Wicklung 14, und der durch den Nachlauf des Rotors in der zweiten Wicklung 14 induzierte Strom kann ungehindert durch die Wicklung 14 und durch den MOSFET 28 hindurch fließen und insbesondere über den Minuspol 22 der Gleichstromquelle – der bei einer Kraftfahrzeugbatterie einem Massepol entspricht – abfließen.

Dieser Stromfluss in der zweiten Wicklung 14 führt, ähnlich wie bei einer Wirbelstrombremse, zu einem annähernd sofortigen Stopp der Drehbewegung des Rotors und somit zu einem unmittelbaren Anhalten des Scheibenwischers. Um den Rotor bis zu einem völligen Stillstand abzubremsen, ist es ausreichend, das zweite Schaltelement 28 für eine Zeitdauer von einigen Millisekunden bis einigen zehn Millisekunden in den stromdurchlässigen Zustand zu schalten. Die aus dem Kurzschließen der zweiten Wicklung 14 resultierende Bremswirkung ist dabei so stark, dass sie die weiter antreibende Wirkung des in der ersten Wicklung 12 induzierten Stroms bei weitem übertrifft.

Das zweite Schaltelement 28 kann durch die Steuereinheit in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet sein, wenn der Scheibenwischer ausgeschaltet ist. Auf diese Weise ist der Scheibenwischer nicht nur durch die Unterbrechung der Stromzufuhr zum Elektromotor 10 sondern zusätzlich auch durch das Kurzschließen der Wicklung 14 blockiert. Eine unbeabsichtigte Wischbewegung des Scheibenwischers ist somit zweifach ausgeschlossen.

Die in 1 dargestellte erste Schaltungsvariante erfordert keine zusätzlichen Gleichrichterelemente zum Schutz der Schaltelemente 24, 28 vor einer Beschädigung bei Verpolung. Das heißt, selbst wenn das erste Schaltelement 24 versehentlich mit einem Minuspol bzw. Massepol und die zweiten Enden 20, 32 der Wicklungen 12, 14 sowie das zweite Schaltelement 28 mit dem Pluspol einer Gleichstromquelle verbunden würden, so würde über das zweite Schaltelement 28 kein Strom fließen, da dieses lediglich mit einem Pol der Stromquelle verbunden ist, und über das erste Schaltelement 24 würde aufgrund der in MOSFETs typischerweise vorhandenen parasitären Diode 34 ein Strom fließen. Gleichzeitig würde der Elektromotor 10 in umgekehrter Richtung angetrieben, so dass der über das erste Schaltelement 24 fließende Strom keinesfalls höher als ein bei korrekter Polung der Gleichstromquelle durch das Schaltelement 24 fließender Laststrom wäre. Eine Beschädigung der MOSFETs 24, 28 durch eine Falschpolung der Stromquelle ist bei dieser Schaltung folglich von vorn herein ausgeschlossen.

Bei dem in 1 gezeigten ersten Schaltelement 24 handelt es sich um einen so genannten Smart MOSFET, das heißt um einen MOSFET, bei dem ein zwischen Source und Drain oder umgekehrt fließender Strom überwachbar ist. Die Überwachung dieses durch das Schaltelement 24 fließenden Stroms erfolgt durch eine Strommesseinrichtung 35, die vorteilhafterweise in die Steuereinheit eingebunden, zumindest aber mit dieser verbunden ist. Durch die Erfassung des durch das erste Schaltelement 24 fließenden Stroms ist die Funktion des Elektromotors 10 überwachbar. Darüber hinaus sind auch für das Schaltelement 24 schädliche Stromspitzen oder Kurzschlussströme detektierbar und durch die Steuereinheit gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen einleitbar, wie beispielsweise die Trennung der Schaltung von der Stromquelle.

In 2 ist eine zweite Schaltungsvariante zur pulsbreitenmodulierten Steuerung eines Elektromotors 37 für einen Scheibenwischer dargestellt. Die Regelung der Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 37 erfolgt wie bei der voranstehend beschriebenen ersten Schaltungsvariante durch ein erstes Schaltelement 24, das durch eine (nicht gezeigte) Steuereinheit gepulst und mit modulierter Pulsbreite in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet wird.

Im Unterschied zur ersten Schaltungsvariante weist der Elektromotor 37 der in 2 gezeigten Schaltung jedoch nur eine einzige Wicklung 36 auf, die sowohl zum Antreiben als auch zum Abbremsen des Rotors des Elektromotors dient. Ein erstes Ende 38 der Wicklung 36 ist über das erste Schaltelement 24 mit dem Pluspol 18 einer Gleichstromquelle verbunden. Das zweite Ende 40 der Wicklung 36 ist entsprechend mit dem Minuspol 22 bzw. dem Massepol der Gleichstromquelle verbunden.

Anders als bei der ersten Schaltung von 1 ist das zweite Schaltungselement 28 bei der zweiten Schaltungsvariante mit den Enden 38, 40 der gleichen Wicklung 36 verbunden, die auch zum Antreiben des Rotors des Elektromotors 37 dient. Auch hier ist das zweite Schaltelement 28 durch die Steuereinheit in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar. Im stromdurchlässigen Zustand schließt das zweite Schaltelement 28 die Wicklung 36 kurz, und die Bewegung des Rotors wird, wie im Zusammenhang mit 1 bereits beschrieben wurde, gebremst.

Bei der in 2 gezeigten Schaltungsvariante ist darauf zu achten, dass sich jeweils nur eines der Schaltungselemente 24, 28 im stromdurchlässigen Zustand befindet. Wären beide Schaltungselemente 24, 28 gleichzeitig im stromdurchlässigen Zustand, so würde der von der Stromquelle erzeugte Strom vom Pluspol 18 durch das erste Schaltungselement 24 nicht durch die Wicklung 36 des Elektromotors 37 hindurch, sondern aufgrund eines geringeren Widerstands an der Wicklung 36 vorbei durch das zweite Schaltungselement 28 zum Minuspol 22 der Stromquelle fließen. Dadurch würde der Rotor des Elektromotors 37 weder aktiv angetrieben noch abgebremst.

Solange der Scheibenwischer aktiv angetrieben werden soll, muss sich das zweite Schaltelement 28 folglich in einem stromsperrenden Zustand befinden. Soll die Bewegung des Scheibenwischers gestoppt werden, so wird zunächst das erste Schaltelement 24 in einen stromsperrenden Zustand geschaltet und unmittelbar danach das zweite Schaltelement 28 zum Kurzschließen der Wicklung 36 in einen stromdurchlässigen Zustand gebracht. Wie bereits im Zusammenhang mit der ersten Schaltungsvariante bemerkt wurde, ist es zum Kurzschließen der Wicklung 36 und somit zum Abbremsen des Rotors ausreichend, das zweite Schaltelement 28 für eine Zeitdauer von wenigen Millisekunden bis wenigen zehn Millisekunden in den stromdurchlässigen Zustand zu bringen.

Bei der in 2 gezeigten Anordnung der beiden Schaltelemente 24, 28 und des Elektromotors 37 könnte bei einem Anschluss der Gleichstromquelle mit verkehrter Polung ein Kurzschlussstrom durch die Schaltelemente 24, 28 hindurch von einem Pol der Stromquelle zum anderen fließen. Ermöglicht würde ein solcher Stromfluss durch die in MOSFETs vorhandenen parasitären Dioden 34. Der Kurzschlussstrom würde die MOSFETs 24, 28 beschädigen oder bei ausreichender Stärke sogar zerstören.

Um einen solchen Kurzschluss der Schaltung bei einer Verpolung auszuschließen, umfasst die in 2 gezeigte Schaltungsvariante deshalb ein Gleichrichterelement 42, das in dem Leitungszweig der Schaltung vorgesehen ist, der von dem einen Pol 18 zum anderen Pol 22 der Stromquelle führt und in dem die beiden Schaltelemente 24, 28 in Reihe angeordnet sind.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gleichrichterelement 42 ein weiterer MOSFET, der zwischen dem ersten Schaltelement 24 und dem zweiten Schaltelement 28 angeordnet ist. Es ist aber ebenso möglich, das Gleichrichterelement 42 zwischen dem ersten Schaltungselement 24 und der Stromquelle oder zwischen dem zweiten Schaltungselement 28 und der Stromquelle anzuordnen.

Das Gleichrichterelement 42 könnte auch eine Diode sein. Da über einen MOSFET in der Regel aber eine geringere Verlustleistung abfällt als über eine Diode, ist als Gleichrichterelement 42 ein MOSFET vorzuziehen. Der als Gleichrichterelement 42 dienende MOSFET ist dabei so in die Schaltung eingebaut, dass seine parasitäre Diode 44 in zu den parasitären Dioden 34 der Schaltelemente 24, 28 umgekehrter Richtung orientiert ist. Im Normalbetrieb des Scheibenwischers ist der MOSFET 42 durch die Steuereinheit in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet.

Die voranstehend beschriebenen Schaltungen gemäß der ersten und zweiten Variante können zur Steuerung eines Scheibenwischers einer Windschutzscheibe oder einer Heckscheibe eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Entsprechend können auch Scheibenwischer an Bord eines Schiffes oder eines Flugzeuges gesteuert werden. Des Weiteren eignen sich die offenbarten Schaltungen zur Steuerung von Scheibenwischern für Scheinwerfer, bspw. in Kraftfahrzeugen.

10 Elektromotor 12 erste Wicklung 14 zweite Wicklung 16 erstes Ende 18 Pluspol 20 zweites Ende 22 Minuspol 24 Schaltelement 26 Rechteckspannungssignal 28 zweites Schaltelement 30 erstes Ende 32 zweites Ende 34 parasitäre Diode 35 Strommesseinrichtung 36 Wicklung 37 Elektromotor 38 erstes Ende 40 zweites Ende 42 Gleichrichterelement 44 parasitäre Diode W Pulsbreite

Anspruch[de]
  1. Schaltung zur Steuerung eines Gleichstromelektromotors (10; 37) eines Scheibenwischers mit einem elektronischen Schaltelement (24), das zwischen einem Pol (18) einer Gleichstromquelle und einer Wicklung (12; 36) des Elektromotors (10; 37) angeordnet ist, wobei das elektronische Schaltelement (24) durch eine Steuereinheit und mit modulierter Pulsbreite gepulst in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar ist, um den Elektromotor (10; 37) zur Erreichung einer gewünschten Drehgeschwindigkeit mit der Gleichstromquelle in Stromverbindung zu bringen.
  2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites elektronisches Schaltelement (28), das zwischen einer Wicklung (14; 36) des Elektromotors (10; 37) und einem anderen Pol (22) der Stromquelle angeordnet ist und das durch die Steuereinheit in einen stromdurchlässigen Zustand schaltbar ist, um ein Abbremsen des Elektromotors (10; 37) zu beschleunigen.
  3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) zwei Wicklungen (12, 14) aufweist und das erste Schaltelement (24) mit der einen Wicklung (12) und das zweite Schaltelement (28) mit der anderen Wicklung (14) des Elektromotors (10) verbunden ist.
  4. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (37) nur eine Wicklung (36) aufweist und das zweite Schaltelement (28) parallel zu der Wicklung (36) zwischen das erste Schaltelement (24) und den anderen Pol (22) der Stromquelle geschaltet ist.
  5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leitungszweig der Schaltung, in dem das erste und das zweite Schaltelement (24, 28) angeordnet sind, zusätzlich ein Gleichrichterelement (42) vorgesehen ist.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement (42) eine Diode ist.
  7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleichrichterelement (42) ein Transistor und insbesondere ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist.
  8. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltelemente (24, 28) Transistoren und insbesondere Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETS) sind.
  9. Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltelement (24) ein intelligenter MOSFET (smart MOSTET) ist und der durch das erste Schaltelement (24) fließende Motorstrom, insbesondere durch die Steuerungseinheit, erfassbar ist.
  10. Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Pol (22) der Gleichstromquelle ein Massepol ist.
  11. Verfahren zum Steuern eines Gleichstromelektromotors (10; 37) eines Scheibenwischers, bei dem ein elektronisches Schaltelement (24), das zwischen einem Pol (18) einer Gleichstromquelle und einer Wicklung (12; 36) des Elektromotors (10; 37) angeordnet ist, mit modulierter Pulsbreite gepulst in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet wird, um den Elektromotor (10; 37) zur Erreichung einer gewünschten Drehgeschwindigkeit mit der Gleichstromquelle in Stromverbindung zu bringen.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites elektronisches Schaltelement (28), das zwischen einer Wicklung (14; 36) des Elektromotors (10; 37) und einem anderen Pol (22) der Stromquelle angeordnet ist, in einen stromdurchlässigen Zustand geschaltet wird, um ein Abbremsen des Elektromotors (10; 37) zu beschleunigen.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das erste Schaltelement (24) fließende Motorstrom, insbesondere durch eine Steuerungseinheit, erfasst wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erfasste Motorstrom, insbesondere als Ersatz für eine Sicherung, zur Absicherung der elektronischen Elemente (24, 28, 42) gegen einen Kurzschluss überwacht wird.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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