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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Motorspannung
eines Motors, insbesondere eines Gebläsemotors, durch Serienschaltung
der Schaltungsanordnung mit dem Motor.
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Die
aus der
DE 4217037
C1 bekannte erste Ansteuerschaltung weist mehrere in Serie
geschaltete Widerstände
auf, die in Serie mit dem anzusteuernden Motor geschaltet sind.
Diese Widerstände können mit
einem mechanischen Schalter in mehreren Stufen überbrückt werden und ermöglichen
so eine Steuerung der über
dem Motor abfallenden Spannung.
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Die
aus der
DE 3429427
C2 bekannte zweite Ansteuerschaltung besteht aus mehreren
Widerständen,
die an einem Pol verbunden sind. Der andere Pol der Widerstände ist
mit jeweils einem mechanischen Schalter verbunden. Die zweiten Pole
der Schalter sind wiederum verbunden. Der Motor ist in Serie zu
dieser Widerstands-/Schalteranordnung eingebaut. Durch diese Anordnung
lässt sich
bei gleicher Schalteranzahl wie in der ersten Ausführung die Motorspannung
in kleineren Schritten abstimmen als dies mit jener möglich ist.
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Vorteil
dieser beiden Schaltungsanordnungen sind die sehr niedrigen Kosten.
Nachteilig ist, dass der Motor nur über einen mechanischen Schalter
oder Relais gesteuert werden kann und damit die elektronische Ansteuerung nicht
automatisiert, z.B. über
ein Klimasteuergerät,
erfolgen kann bzw. die Kosten durch die Relais stark steigen würden.
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Eine
weitere bekannte Ansteuerschaltung gemäß der Lehre der
DE 3429427 C2 weist einen Transistor
auf, der in Serie zum Motor geschaltet ist. Der Transistor wird
durch eine geeignete Vorschaltelektronik so geregelt, dass am Motor
die gewünschte Spannung
abfällt.
Nachteilig an dieser Ausführung ist,
dass im Transistor eine hohe Verlustleistung auftreten kann, die
aufwändig über einen
teuren Kühlkörper abgeführt werden
muss und einen leistungsfähigen
und damit teuren Transistor erfordert. Eine Alternative ist die
Parallelschaltung zweier oder mehrer Transistoren. Jedoch werden
dadurch auch die Kosten für
Transistor und Vorschaltelektronik erhöht.
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Eine
weitere bekannte Ansteuerschaltung verwendet die so genannte Pulsweitenmodulation. Dabei
wird der Motor über
einen Transistor mit der Versorgungsspannung verbunden. Der Transistor wird
für eine
bestimmte Zeit Tein voll eingeschaltet und
anschließend
für eine
bestimmte Zeit Taus abgeschaltet. Dieser
Vorgang wird mit hoher Frequenz von meist ca. 20 kHz periodisch
wiederholt. Das Tastverhältnis
aus Tein und Taus bestimmt
den mittleren Motorstrom. Vorteil dieser Schaltung sind ihr hoher Wirkungsgrad
und, damit verbunden, der geringe Kühlaufwand. Nachteilig ist,
dass die Schaltvorgänge starke
elektromagnetische Störungen
verursachen. Diese müssen
mit aufwändigen
und teuren Drossel- und Kondensatorschaltungen gedämpft werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Ansteuerschaltung
für einen Motor
zu schaffen, bei der die gewünschte
Motorspannung elektronisch, insbesondere durch ein Klimasteuergerät, eingestellt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung des Anspruchs 1 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche stellen
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dar.
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Die
Schaltungsanordnung zur Steuerung der Motorspannung UMot eines
Motors, insbesondere eines Gebläsemotors,
durch Serieschaltung der Schaltungsanordnung zum Motor umfasst eine
Mehrzahl von Schaltern und eine Mehrzahl von Leistungswiderständen, denen
jeweils ein Schalter zur Schaltung der Leistungswiderstände in Serie
zum Motor zugeordnet ist. Erfindungsgemäß sind die Schalter als Transistoren
ausgelegt und die Schaltungsanordnung umfasst eine Ansteuerelektronik
zur Anpassung der zwischen einem Spannungsausgang und einem Motorausgang
der Schaltungsanordnung anliegenden Motorspannung UMot an
eine Soll-Motorspannung,
die eine Funktion eines Sollwertsignals SSoll ist.
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Die
Ansteuerelektronik wertet das an einem Sollwert-Anschluss anliegende
Signal SSoll das insbesondere eine Spannung
proportional zur Soll-Motorspannung
oder ein pulsweitenmoduliertes Signal mit einem zur Soll-Motorspannung proportionalen
Tastverhältnis
ist oder das Signal eines Busses, insbesondere Kline, LIN oder CAN-Bus
ist, über
den der Sollwert der Motorspannung vorgeben wird, aus und steuert
die Transistoren so an, dass die Spannung am Motorausgang UMot möglichst
gut dem Sollwert entspricht.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hat den Vorteil, dass der wesentliche Teil der Verlustwärme in den
Leistungswiderständen
auftritt und von dort leicht abgeführt werden kann. Die Transistoren
werden im Schaltbetrieb betrieben, deshalb ist ihre Verlustleistung
gering und kann ohne großen Aufwand
abgeführt
werden. Weiter vorteilhaft ist, dass die Schaltung im Falle eines
Motorkurzschlusses durch die Leistungswiderstände vor Zerstörung geschützt ist.
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In
einer Ausführungsform
sind die Leistungswiderstände
parallel geschaltet. Jeweils ein Transistor ist in Serie mit einem
jeweiligen Leistungswiderstand geschaltet, um diesen dem Stromkreis
zuzuschalten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
sind die Leistungswiderstände
mit dem Motorausgang und jeweils einem ersten Leistungseingang der
zugeordneten Transistoren verbunden, wobei ein zweiter Leistungseingang
der zugeordneten Transistoren mit dem Masseeingang verbunden sind.
Als erster Leistungseingang bietet sich insbesondere der Drain eines
MOSFETs oder der Kollektor eines Bipolartransistors an. Der andere
Leistungseingang der jeweiligen Transistoren, insbesondere die Source
eines MOSFETs oder der Emitter eines Bipolartransistors, sind verbunden
und liegen auf gleichem Potential, insbesondere auf Massepotential.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Leistungswiderstände
in Serie geschaltet. Jeweils ein Transistor ist parallel zu einem
jeweiligen Leistungswiderstand geschaltet, um diesen kurzzuschließen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Leistungswiderstände
ein Widerstandsverhältnis
von 1:2:4: ... auf. Hierdurch lässt
sich die Motorspannung mit der Ansteuerelektronik besonders einfach
ansteuern.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind elektrische Verbindungen zwischen den Leistungswiderständen, den
Transistoren, den Eingängen
und/oder den Ausgängen
als Stanzgitter ausgeführt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Stanzgitter, welches die Transistoren mit den Leistungswiderständen verbindet,
eine hohe thermische Leitfähigkeit
auf. Zusätzlich
kann das Stanzgitter vom umgebenden Luftstrom gekühlt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind Kontakte zwischen dem Stanzgitter und den Leistungswiderständen und/oder
den Transistoren durch Schweißen
oder Löten
hergestellt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Ansteuerelektronik als Mikrocontroller ausgebildet. Dieser
wertet das am Sollwerteingang anliegende Signal aus und schaltet
die Transistoren nach einer vorgegebenen Kennlinie geeignet ein
bzw. aus.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Ansteuerelektronik eine Mehrzahl von Komparatoren und
einen Multiplexer. Im Falle einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung
wird zusätzlich
ein Widerstand und ein Kondensator zur Integration des Eingangssignals
benötigt.
Die Komparatoren vergleichen das anliegende Sollwertsignal und steuern über den
Multiplexer die Transistoren nach einer vorgegebenen Kennlinie geeignet
an.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
weist die Kennlinie der Ansteuerelektronik eine Hysterese auf. Damit
die Motorspannung von der Stufe N auf die Stufe N + 1 hochgeschaltet
wird, muss am Eingang ein um einen bestimmten Hysteresebetrag x
höheres
Signal anliegen, als wenn von der Stufe N + 1 auf die Stufe N zurückgeschaltet
wird. Dies erweist sich als günstig,
wenn der Signalpegel in der Nähe
einer Umschaltpunkts zwischen der Stufe N und der Stufe N + 1 liegt.
Durch äußere Einflüsse, z.B.
durch thermisches Rauschen, kann der Signalpegel in seinem zeitlichen
Verlauf um diesen Umschaltpunkt herum schwanken. Durch die Hysterese wird
in diesem Fall verhindert, dass die Ansteuerelektronik ständig zwischen
den zwei Stufen hin- und herschaltet.
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
sind in den schematischen Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Schaltbild einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
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2 eine
Ausführungsform
eines Stanzgitters zur Verbindung von Schaltelementen der Schaltungsanordnung
nach 1;
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3 eine
Ausführungsform
einer Ansteuerelektronik der Schaltungsanordnung als Mikrocontroller;
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4 eine
Ausführungsform
einer Ansteuerelektronik der Schaltungsanordnung als Multiplexer mit
einer Mehrzahl von Komparatoren.
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In 1 ist
eine Schaltungsanordnung 1 zur Steuerung der Motorspannung
eines Motors M gezeigt, der im vorliegenden Fall ein Gebläsemotor
eines Kraftfahrzeug-Gebläses
ist. Die Schaltungsanordnung weist einen Ausgangsstecker 2 und
einen Eingangsstecker 5 auf.
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Am
Ausgangsstecker 2 fällt
zwischen einem Spannungsausgang 3, der mit einer konstanten,
internen Versorgungsspannung UVer der Schaltungsanordnung 1 in
Verbindung steht, und einem zweiten, als Motorausgang 4 bezeichneten
Ausgang eine Betriebsspannung für
den Motor M ab, der außerhalb der
Schaltungsanordnung 1 liegt. Diese Spannung wird als Motorspannung
UMot bezeichnet. Die Spannung am Motorausgang 4 bezüglich des
Masseeingangs 8 ist somit gegeben durch die Differenz UVer–UMot zwischen interner Versorgungsspannung UVer und Motorspannung UMot.
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Der
Eingangsstecker 5 der Schaltungsanordnung 1 weist
drei Anschlüsse
auf. Über
einen Spannungseingang 6 wird der Schaltungsanordnung 1 eine
externe Versorgungsspannung UBat zur Verfügung gestellt,
welche mit der internen Versorgungsspannung UVer verbunden
ist. Am Sollwert-Anschluss 7 wird ein Sollwertsignal SSoll in die Schaltungsanordnung eingekoppelt.
Dieses Sollwertsignal kann insbesondere eine zur Soll-Motorspannung
proportionale Spannung oder ein pulsweiten moduliertes Signal mit
zur Soll-Motorspannung
proportionalem Tastverhältnis
sein oder, wie im vorliegenden Fall, das Signal eines Busses 21,
insbesondere Kline, LIN oder CAN-Bus, sein, über den die Soll-Motorspannung vorgegeben
wird. Ein weiterer Eingang dient als Masseeingang 8.
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Zweck
der Schaltungsanordnung 1 ist es, die Motorspannung UMot, d.h. das zwischen dem Spannungsausgang 3 und
dem Motorausgang 4 abfallende Potenzial, an die Soll-Motorspannung
anzugleichen. Die Soll-Motorspannung ist eine Funktion des am Sollwert-Anschluss 7 anliegenden
Sollwertsignals SSoll Durch eine Steuerung
der Motorspannung UMot wird die Betriebsspannung
und damit die Geschwindigkeit des Motors 1 gesteuert. Beim
Betrieb des Motors 1 in Verbindung mit einem Klimasteuergerät kann dieses
die Gebläsewirkung
des Motors M elektronisch ansteuern.
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Um
eine solche Angleichung zu ermöglichen,
wird das vom Eingang 7 kommende Sollwertsignal SSoll in eine Ansteuerelektronik 9 eingekoppelt.
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Diese
Ansteuerelektronik 9 steuert. eine Mehrzahl von Transistoren
an, von denen in 1 beispielhaft drei als n-Kanal
MOSFETs ausgebildete gezeigt sind, die mit T1,
T2, T3 bezeichnet
sind. Die Transistoren T1, T2,
T3 wirken als Schalter. Jeweils einer der
Transistoren T1, T2,
T3 ist in Reihe mit jeweils einem von drei
zugeordneten Leistungswiderständen R1, R2, R3 geschaltet.
Je nach Ansteuerung der Transistoren T1,
T2, T3 durch die
Ansteuerelektronik 9 in leitenden oder nicht leitenden
Zustand werden die Leistungswiderstände R1,
R2, R3 entweder
leitend zwischen Motorausgang 4 und Masseeingang 8 geschaltet
oder es fällt
an diesen keine Spannung ab.
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Die
Leistungswiderstände
R1, R2, R3 sind parallel geschaltet und mit jeweils
einem Pol mit dem Motorausgang 4 verbunden. Mit dem anderen
Pol stehen sie mit jeweils einem ersten Leistungseingang der Transistoren
T1, T2, T3, der Drain, in Verbindung. Der zweite Leistungseingang
der Transistoren T1, T2, T3, die Source, ist mit dem Masseeingang 8 verbunden.
Der jeweilige Steuereingang, das Gate, der Transistoren T1, T2, T3 ist
jeweils einzeln mit der Ansteuerelektronik 9 verbunden,
um den Stromfluss zwischen Drain und Source zu steuern. Wie bei MOSFETs üblich, ist
ein weiterer Eingang, die Basis, leitend mit der Source verbunden.
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Die
Leistungswiderstände
R1, R2, R3 der Schaltungsanordnung 1 weisen
ein Widerstandsverhältnis
R1 : R2 : R3 von 1 : 2 : 4 auf. Die Spannungsregelung
des Motors M mit der Schaltungsanordnung 1 verläuft nicht
kontinuierlich, sondern in Spannungsstufen, deren Abstand vom Widerstandsverhältnis abhängt. Die
Einteilung der Spannungsstufen ist besonders günstig, wenn das oben angegebene
Widerstandsverhältnis
verwendet wird.
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2 zeigt
Teile eines Stanzgitters 15 zur Verbindung der Leistungswiderstände R1, R2, R3 und der
Transistoren T1, T2,
T3. Das Stanzgitter besteht aus einem ca.
1 mm dicken Metallblech mit hoher Wärmeleitfähigkeit, aus dem Teile ausgestanzt
sind, sodass das Stanzgitter 15 in eine Anzahl von Bereichen
eingeteilt wird, welche untereinander keine elektrische Verbindung
aufweisen. Das Stanzgitter 15 ist freitragend, kann aber
alternativ z.B. auch durch einen Kunststoff unterstützt sein.
Die Leistungswiderstände
R1, R2, R3 sind als spiralförmige Widerstandsdrähte ausgeführt.
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Ein
erster Bereich 10 des Stanzgitters 15 verbindet
jeweils einen Pol der Leistungswiderstände R1,
R2, R3 mit dem Motorausgang 4.
Der Kontakt zwischen dem jeweiligen Leistungswiderstand R1, R2, R3 und
dem ersten Bereich 10 wird über erste Lötstellen 13a, 13b, 13c hergestellt.
Ein zweiter Pol der Leistungswiderstände R1,
R2, R3 ist über einen
jeweils zugeordneten Teil 12a, 12b, 12c des
Stanzgitters 15 mit den Transistoren T1,
T2, T3 verbunden.
Der Kontakt zwischen den Leistungswiderständen R1,
R2, R3 und den Teilen
des Stanzgitters 12a, 12b, 12c ist über zweite
Lötstellen 14a, 14b, 14c hergestellt.
Die Transistoren T1, T2,
T3 sind mit der Drain an den Teilen des Stanzgitters 12a, 12b, 12c befestigt.
Die Source der Transistoren T1, T2, T3 steht mit einem
zweiten Bereich 11 des Stanzgitters 15 in leitender
Verbindung, welcher mit dem Masseeingang 8 der Schaltungsanordnung 1 verbunden
ist.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
der Ansteuerelektronik 9 als Mikrocontroller 16.
Die Ansteuerung der Transistoren T1, T2, T3 erfolgt über die
Regelung von deren Gatespannung. Für den Mikrocontroller 16 ist
nur ein Controller-Eingang 17 notwendig, über den
das Sollwertsignal SSoll eingekoppelt wird, und
zwar in Bezug zum Massepotential, welches vom Masseeingang 8 der
Schaltungsanordnung 1 geliefert wird (nicht bildlich dargestellt).
Die Spannungsregelung der Motorspannung UMot ist
nicht kontinuierlich, sondern lässt
sich in mehreren Stufen einstellen, deren Gesamtzahl von der Zahl
der Transistoren abhängt.
Um zu vermeiden, dass bei einem Sollwertsignal SSoll in
der Nähe
eines Umschaltpunktes zwischen zwei Stufen eine ständiges Hin-
und Herschalten des Mikrocontrollers 16 erfolgt, weist
dieser eine Kennlinie mit einer Hysterese auf.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Ansteuerelektronik 9 als Multiplexer 18 mit einer
Anzahl x von Multiplexer-Eingängen 19.
Die Anzahl x der Multiplexer-Eingänge 18 stimmt mit
einer Anzahl x von Komparatoren 20 überein, welche mit ihren jeweiligen
Ausgängen
mit den Multiplexer-Eingängen 19 des
Multiplexers 18 verbunden sind. Ein nicht invertierender
Eingang (+) der Komparatoren 20 ist jeweils mit dem Sollwert-Anschluss 7 der Schaltungsanordnung 1 verbunden.
Ein invertierender Eingang (–)
der Komparatoren 20 ist mit einer jeweiligen, geeigneten
Vergleichsspannung US1 bis USx verbunden.
Die Anordnung aus Komparatoren 20 und Multiplexer 18 wirkt
in gewohnter Weise als Analog/Digitalwandler und erlaubt einen diskreten
Aufbau der Ansteuerelektronik 9.
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Ausgangsstecker
- 3
- Spannungsausgang
- 4
- Motorausgang
- 5
- Eingangsstecker
- 6
- Spannungseingang
- 7
- Sollwert-Anschluss
- 8
- Masseeingang
- 9
- Ansteuerelektronik
- 10
- erster
Bereich des Stanzgitters
- 11
- zweiter
Bereich des Stanzgitters
- 12a,
b, c
- Teile
des Stanzgitters
- 13a,
b, c
- erste
Lötstellen
- 14a,
b, c
- zweite
Lötstellen
- 15
- Stanzgitter
- 16
- Mikrocontroller
- 17
- Controller-Eingang
- 18
- Multiplexer
- 19
- Multiplexer-Eingang
- 20
- Komparator
- 21
- Bus
- R1, R2, R3
- Leistungswiderstände
- T1, T2, T3
- Transistoren
- M
- Motor