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Dokumentenidentifikation DE102006030821A1 03.01.2008
Titel Schaltungsanordnung und Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers
Anmelder Braun GmbH, 61476 Kronberg, DE
Erfinder Klemm, Torsten, 65812 Bad Soden, DE;
Vetter, Ingo, 65520 Bad Camberg, DE
DE-Anmeldedatum 30.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006030821
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse H02M 1/08(2006.01)A, F, I, 20060630, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02M 3/158(2006.01)A, L, I, 20060630, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers (M) mit einer Brückenschaltung, die vier elektronische Schalter (V1, V2, V3, V4) aufweist und in deren Querzweig der Verbraucher (M) angeordnet ist, und mit einer Steuerschaltung (uC), die Steueranschlüsse für die vier elektronischen Schalter aufweist. Der Steueranschluß für den ersten elektronischen Schalter (V1) ist über eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem ersten Widerstand (R1) mit dem Steueranschluß für den vierten elektronischen Schalter (V4) verbunden, und der Steueranschluß für den dritten elektronischen Schalter (V3) ist über eine Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator (C2) und einem zweiten Widerstand (R2) mit dem Steueranschluß für den zweiten elektronischen Schalter (V2) verbunden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Schalten eines elektronischen Schalters mittels einer Steuerschaltung (uC), die einen Steueranschluß zum Steuern des elektronischen Schalters aufweist, der entweder als Eingang ("high impedance") oder als Ausgang ("Low" oder "High") geschaltet sein kann ("tristate"). Das Umschalten des elektronischen Schalters vom leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand und/oder umgekehrt erfolgt in zwei Schritten, nämlich indem der Steueranschluß von "Low" über "high impedance" auf "High" bzw. von "High" über "high impedance" auf "Low" umgeschaltet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise von einer Steuerschaltung gesteuerte elektronische Schalter in Brückenschaltung, mit der ein Elektromotor eines batteriebetriebenen Elektrokleingeräts betrieben wird.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der DE 10 2005 059 571 beschrieben. Aus der DE 102 46 520 A1 ist ferner eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors eines batteriebetriebenen Elektrokleingeräts mittels einer Brückenschaltung bekannt. Wird das Elektrokleingerät beispielsweise mit einem Li-Ionen-Akkumulator betrieben, und werden die elektronischen Schalter der Brückenschaltung durch eine Steuerschaltung entweder mit einem "Low"-Pegel oder einem "High"-Pegel angesteuert, kann beim Umschalten der elektronischen Schalter die Versorgungsspannung stark einbrechen oder sich sogar mehr als verdoppeln, da ein Li-Ionen-Akkumulator eine im Vergleich zu anderen Akkumulatoren große parasitäre Induktivität besitzt, die bei Stromänderungen eine entsprechend große Gegenspannung induziert.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers anzugeben, die/das speziell für den Betrieb an einer Spannungsquelle mit großer parasitärer Induktivität ausgelegt ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die mindestens einen elektronischen Schalter und eine Steuerschaltung aufweist, die den elektronischen Schalters so vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand umschaltet und/oder umgekehrt, daß die zeitlichen Änderungen des fließenden Stroms relativ klein sind. Auf diese Weise kann die relativ große parasitäre Induktivität eines zur Stromversorgung verwendeten Li-Ionen-Akkumulators keine allzugroßen Gegenspannungen erzeugen, sodaß beispielsweise ein als Steuerschaltung verwendeter Mikrokontroller unmittelbar vom Akkumulator mit Strom versorgt werden kann, d.h. beispielsweise auf Kondensatoren zur Glättung der Spannung des Akkumulators verzichtet werden kann. Die Schaltungsanordnung ist vorzugsweise für elektrische Zahnbürsten oder elektrische Rasierapparate gedacht, die als Antrieb einen oszillierenden Elektromotor oder Linearmotor aufweisen und mit einem Li-Ionen-Akkumulator betrieben werden, und zeichnet sich durch geringen schaltungstechnischen Aufwand aus.

Große zeitliche Änderungen des fließenden Stroms können jedoch nicht nur wegen der relativ großen parasitären Induktivität eines zur Stromversorgung verwendeten Li-Ionen-Akkumulators unerwünscht große Gegenspannungen erzeugen sondern natürlich auch wegen der Induktivität des durch die Schaltungsanordnung gesteuerten elektrischen Verbrauchers. Stellt der Verbraucher eine induktive Last dar, wird das erfindungsgemäße Verfahren zumindest beim Ausschalten des durch den Verbraucher fließenden Stroms angewendet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers schaltet die Steuerschaltung den/die elektronischen Schalter in mindestens zwei Schritten vom leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand und/oder umgekehrt, beispielsweise wird der Pegel am Steueranschluß der Steuerschaltung bzw. am Steueranschluß des elektronischen Schalters von "Low" über "Offen" auf "High" bzw. von "High" über "Offen" auf "Low" geschaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei einer Steuerschaltung in CMOS-Technik vorzugsweise dadurch realisieren, daß der Steueranschluß der Steuerschaltung entweder als Eingang ("high impedance") oder als Ausgang ("Low" oder "High") geschaltet werden kann ("tristate"), und zum Umschalten des elektronischen Schalters vom leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand und/oder umgekehrt der Steueranschluß des elektronischen Schalters von "Low" über "high impedance" auf "High" bzw. von "High" über "high impedance" auf "Low" umgeschaltet wird. Vorzugsweise führt die Steuerschaltung den zweiten Schritt, d.h. das Umschalten von "high impedance" auf "High" oder "Low", erst dann durch, nachdem der elektronische Schalter seinen Zustand ("leitend" bzw. "nicht leitend") geändert hat.

Bei einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei der die Steuerschaltung den elektrischen Verbraucher durch vier elektronische Schalter in Brückenschaltung ansteuert, und der Verbraucher im Querzweig der Brückenschaltung angeordnet ist, weist die Steuerschaltung Steueranschlüsse für die vier elektronischen Schalter auf. Erfindungsgemäß ist der Steueranschluß für den ersten elektronischen Schalter über eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator und einem ersten Widerstand mit dem Steueranschluß für den vierten elektronischen Schalter verbunden, und der Steueranschluß für den dritten elektronischen Schalter ist über eine Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Widerstand mit dem Steueranschluß für den zweiten elektronischen Schalter verbunden. Der erste und vierte elektronische Schalter sind mit dem einen Ende des elektrischen Verbrauchers verbunden, und der zweite und dritte elektronische Schalter sind mit dem anderen Ende des elektrischen Verbrauchers verbunden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers erläutert, die in der einzigen Zeichnung dargestellt ist. Weitere Ausgestaltungen sind in der Beschreibung beschrieben.

Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält einen Akkumulator A, der eine parasitäre Induktivität L aufweist. Ferner ist eine Brückenschaltung vorhanden, die vier Transistoren V1, V2, V3, V4 aufweist, und in deren Querzweig ein Elektromotor M oder ein anderer elektrischer Verbraucher angeordnet ist. Die vier Transistoren V1, V2, V3, V4 sind MOS-FETs, die in an sich bekannter Weise je eine Schutzdiode aufweisen. Sie können von einer Steuerschaltung uC gesteuert werden, die zu diesem Zweck vier Steueranschlüsse aufweist, von denen jeder die Zustände "high impedance" (Eingang) oder "Low" oder "High" (Ausgang) annehmen kann ("tristate"). Die Steuerschaltung uC wird direkt vom Akkumulator A mit Strom versorgt. Der erste V1 und dritte Transistor V3 sind n-Kanal-MOS-FETs, deren Source-Anschlüsse mit dem Minuspol des Akkumulators A verbunden sind; der zweite V2 und vierte Transistor V4 sind p-Kanal-MOS-FETs, deren Source-Anschlüsse mit dem Pluspol des Akkumulators A verbunden sind. Die Drain-Anschlüsse des ersten V1 und vierten MOS-FETs V4 sind mit dem einen Ende des Motors M verbunden, und die Drain-Anschlüsse des zweiten V2 und dritten MOS-FETs V3 sind mit dem anderen Ende des Motors M verbunden. Die Gate-Anschlüsse der vier Transistoren V1, V2, V3, V4 sind über je einen Gate-Widerstand Rg mit je einem der vier Steueranschlüsse der Steuerschaltung uC verbunden. Die Gate-Widerstände Rg dienen zum Begrenzen des Gesamtstroms, der beim Ansteuern der Transistoren in die Steuereinrichtung fließt. Sie können auch weggelassen sein, wenn die Steuerschaltung für entsprechend höhere Ströme ausgelegt ist. Die Source-Anschlüsse eines jeden Transistors sind über je einen Pull-up/Pull-down-Widerstand Rp und den zugehörigen Gate-Widerstand Rg mit dem Gate-Anschluß des jeweiligen Transistors verbunden. Der Steueranschluß für den ersten Transistor V1 ist über eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand R1 und einem ersten Kondensator C1 mit dem Steueranschluß für den vierten Transistor V4 verbunden. Der Steueranschluß für den dritten Transistor V3 ist über eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand R2 und einem zweiten Kondensator C2 mit dem Steueranschluß für den zweiten Transistor V2 verbunden.

Die Funktionsweise der in der Figur dargestellten Schaltungsanordnung wird nachstehend beschrieben. In der zunächst betrachteten Ausgangssituation befindet sich die Schaltungsanordnung in einem Zustand, in dem an den Steueranschlüssen für den vierten V4 und den ersten Transistor V1 ein "Low"-Potential herrscht, und an den Steueranschlüssen für den zweiten V2 und den dritten Transistor V3 ein "High"-Potential herrscht. Somit ist der vierte V4 und der dritte Transistor V3 durchgeschaltet, wogegen der erste V1 und der zweite Transistor V2 sperren, sodaß aus dem Akkumulator A über den vierten V4 und den dritten Transistor V3 ein Strom durch den Motor M fließt. Die Schaltungsanordnung soll nun in den Zustand umgeschaltet werden, in dem der Strom durch den Motor M in der umgekehrten Richtung, d.h. aus dem Akkumulator A über den zweiten V2 und den ersten Transistor V1 fließt. Dieses Umschalten, d.h. Abschalten des gerade fließenden Stroms und anschließendes Einschalten eines Stroms in umgekehrter Richtung, wird nachfolgend erläutert.

In der oben angegebenen Ausgangssituation herrscht an den Steueranschlüssen für den vierten V4 und den ersten Transistor V1 ein "Low"-Potential, sodaß der erste Kondensator C1 entladen ist. Das Abschalten des gerade fließenden Stroms beginnt nun damit, daß die Steuerschaltung uC zu einem Zeitpunkt T1 den Steueranschluß für den vierten Transistor V4 von "Low" auf "high impedance" umschaltet, wodurch die Spannung am Gate des vierten Transistors V4 auf einen durch das Verhältnis Rp/R1 bestimmten Wert springt. Dadurch liegt jetzt eine Spannung am Kondensator C1 an, durch die dieser aufgeladen wird. Gleichzeitig wird die Miller-Kapazität (parasitäre Gate-Drain-Kapazität) des vierten Transistors V4 entladen. Das Aufladen des Kondensators C1 bewirkt ein weiteres Ansteigen der Spannung am Gate des vierten Transistors V4, und somit ein weiters Entladen der Miller-Kapazität des vierten Transistors V4. Wenn die Gate-Source-Spannung zu einem Zeitpunkt T2 > T1 ungefähr denselben Wert erreicht hat wie die Drain-Source-Spannung geht der vierte Transistor V4 in seinen ausgeschalteten Zustand über, und die Miller-Kapazität fällt auf einen vergleichsweise kleinen Wert ab. Die Spannung am Gate des vierten Transistors V4 steigt daraufhin noch weiter an, wobei die Zeitkonstante dieser Spannungsänderung jetzt allerdings kaum noch von der Miller-Kapazität des vierten Transistors V4 sondern hauptsächlich von der Kapazität des ersten Kondensators C1 und der Summe Rp + R1 bestimmt ist. Zu einem Zeitpunkt T3 > T2 schaltet die Steuerschaltung uC den Steueranschluß für den vierten Transistor V4 von "high impedance" auf "High" um, wodurch das Abschalten des vierten Transistors V4 beendet wird. Bei geeigneter Dimensionierung des ersten Kondensators C1 und der Widerstände Rp und Rg und geeigneter Wahl des Schaltzeitpunkts T3 in Bezug auf T1 bzw. T2 ergibt sich ein weiches Ausschalten des vierten Transistors V4, sodaß die zeitliche Änderung des fließenden Stroms so klein ist, daß die Akkuspannung davon kaum beeinflußt wird.

Das Ausschalten des dritten Transistors V3 kann zeitlich parallel zum Ausschalten des vierten Transistors V4 erfogen. Vorzugsweise wird jedoch der dritte Transistor V3 erst dann ausgeschaltet, wenn nur noch ein geringer oder gar kein Strom mehr fließt, d.h. zeitversetzt zum Ausschalten des vierten Transistors V4. Das Ausschalten des dritten Transistors V3 kann nach demselben Verfahren erfolgen, wie es oben anhand des vierten Transistors V4 beschrieben wurde. Wenn allerdings nur noch ein geringer oder gar kein Strom mehr durch den dritten Transistor V3 fließt, kann dieser auch "hart" ausgeschaltet werden, indem die Steuerschaltung uC den zugehörigen Steueranschluß direkt von "High" auf "Low" umschaltet, ohne dadurch nennenswerte Störspannungen hervorzurufen. Durch das Ausschalten des dritten Transistors V3 wird der zweite Kondensator C2 aufgeladen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn nach dem Ausschalten des vierten Transistors V4 der erste Transistor V1 eingeschaltet wird, und der dritte Transistor V3 zunächst noch eingeschaltet bleibt, d.h. der Motor M über den ersten V1 und dritten Transistor V3 kurzgeschlossen wird, wie in der DE 102 46 520 A1 beschrieben ist. Der dann wegen der Induktivität des Motors M auch nach dem Abschalten des vierten Transistors V4 immer noch durch den Motor M fließende Kurzschlußstrom wird verbraucht, und kann nicht über die Schutzdioden des ersten V1 und zweiten Transistors V2 in den Akku fließen. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung verbessert und verhindert, daß die parasitäre Induktivität des Akkumulators Störspannungen induziert. Erst wenn praktisch kein Strom mehr durch den Motor M fließt, wird der dritte Transistor V3 ausgeschaltet. Danach kann der zweite Transistor V2 eingeschaltet werden, indem die Steuerschaltung uC den zugehörigen Steueranschluß direkt von "High" auf "Low" umschaltet, sodaß jetzt über den ersten V1 und zweiten Transistor V2 ein Strom in umgekehrter Richtung durch den Motor M fließen kann, wobei wegen der Induktivität des Motors die zeitliche Änderung des Stroms beim Einschalten des zweiten Transistors V2 hinreichend klein ist.

In dem Fall, in dem das Einschalten des ersten V1 und zweiten Transistors V2 erst nach dem Ausschalten des dritten V3 und vierten Transistors V4 erfolgt, um einen Strom in umgekehrter Richtung durch den Motor M fließen zu lassen, wird vorzugsweise zuerst der erste Transistor V1 und danach der zweite Transistor V2 eingeschaltet, wobei der erste Transistor V1 auch "hart" eingeschaltet werden kann, indem die Steuerschaltung uC den zugehörigen Steueranschluß direkt von "Low" auf "High" umschaltet, ohne dadurch nennenswerte Störspannungen hervorzurufen. Durch das Einschalten des ersten Transistors V1 wird der erste Kondensator C1 entladen. Danach wird der zweite Transistor V2 eingeschaltet, was ebenfalls "hart" erfolgen kann, wenn der elektrische Verbraucher eine induktive Last darstellt.

Das Abschalten des durch den Motor M und den zweiten V2 und ersten Transistor V1 fließenden Stroms erfolgt so, wie schon oben anhand des Abschaltens des durch den vierten V4 und dritten Transistors V3 fließenden Stroms beschrieben wurde.

Somit erfolgt das Aus- und ggfs. Einschalten der elektronischen Schalter nach folgendem Verfahren: Die Steuerschaltung schaltet ihren Steueranschluß, der zum Steuern des elektronischen Schalters entweder als Eingang ("high impedance") oder als Ausgang ("Low" oder "High") geschaltet sein kann ("tristate"), in einem ersten Schritt von "Low" auf "high impedance" und erst in einem zweiten Schritt auf "High" bzw. in einem ersten Schritt von "High" auf "high impedance" und erst in einem zweiten Schritt auf "Low" um. Der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt ist durch geeignete Dimensionierung einer mindestens einen Widerstand und einen Kondensator enthaltenden Beschaltung des elektronischen Schalters auf die Miller-Kapazität des elektronischen Schalters abgestimmt und vorzugsweise fest eingestellt, wobei die Beschaltung im Falle der oben beschriebenen Brückenschaltung aus den Widerständen Rp, Rg, R1, R2 und dem ersten C1 und zweiten Kondensator C2 gebildet ist.


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers (M) mit einer Brückenschaltung, die vier elektronische Schalter (V1, V2, V3, V4) aufweist und in deren Querzweig der Verbraucher (M) angeordnet ist, und mit einer Steuerschaltung (uC), die Steueranschlüsse für die vier elektronischen Schalter aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß für den ersten elektronischen Schalter (V1) über eine Reihenschaltung aus einem ersten Kondensator (C1) und einem ersten Widerstand (R1) mit dem Steueranschluß für den vierten elektronischen Schalter (V4) verbunden ist, und der Steueranschluß für den dritten elektronischen Schalter (V3) über eine Reihenschaltung aus einem zweiten Kondensator (C2) und einem zweiten Widerstand (R2) mit dem Steueranschluß für den zweiten elektronischen Schalter (V2) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (V1, V2, V3, V4) aus Transistoren, vorzugsweise aus MOS-Leistungstransistoren bestehen. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (uC) aus einem Mikrokontroller, vorzugsweise einem Mikrokontroller in CMOS-Technik, besteht. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranschlüsse der Steuerschaltung (uC) als Eingang ("high impedance") oder als Ausgang ("Low" oder "High") geschaltet werden können ("tristate"). Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steueranschluß der Steuerschaltung (uC) mit dem Steueranschluß des zugehörigen elektronischen Schalters über einen Gate-Widerstand (Rg) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steueranschluß der Steuerschaltung (uC) mit dem Source-Anschluß des zugehörigen elektronischen Schalters über einen Pull-up- bzw. Pull-down-Widerstand (Rp) verbunden ist. Elektrokleingerät mit einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Verfahren zum Schalten eines elektronischen Schalters mittels einer Steuerschaltung, die einen Steueranschluß zum Steuern des elektronischen Schalters aufweist, der entweder als Eingang ("high impedance") oder als Ausgang ("Low" oder "High") geschaltet sein kann ("tristate"), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zum Umschalten des elektronischen Schalters (V1, V2, V3, V4) vom leitenden Zustand in den nicht leitenden Zustand und/oder umgekehrt nacheinander zwei Schritte durchführt, nämlich den zugehörigen Steueranschluß der Steuerschaltung (uC) zunächst von "Low" auf "high impedance" und dann auf "High" bzw. zunächst von "High" auf "high impedance" und dann auf "Low" umschaltet. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung den zweiten Schritt, d.h. das Umschalten von "high impedance" auf "High" oder "Low", erst durchführt, nachdem der elektronische Schalter (V1, V2, V3, V4) seinen Zustand ("leitend" bzw. "nicht leitend") geändert hat. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt durch geeignete Dimensionierung einer mindestens einen Widerstand (R1; R2; Rp) und einen Kondensator (C1; C2) enthaltenden Beschaltung des elektronischen Schalters (V1, V2, V3, V4) auf die Miller-Kapazität des elektronischen Schalters (V1, V2, V3, V4) abgestimmt ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektronische Schalter (V1, V2, V3, V4) geschaltet werden, die eine Brückenschaltung bilden. Elektrokleingerät mit mindestens einem elektronischen Schalter (V1, V2, V3, V4), der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 geschaltet wird.






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