DE10118189A1

DE10118189A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abfragen eines Schaltzustandes eines Schalters

Info

Publication number: DE10118189A1
Application number: DE10118189A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Foesrtl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-11-07

Abstract

Eine Vorrichtung weist eine Parallelschaltung (2) mit zumindest zwei parallel geschalteten Bauelementen (21, 22) auf. Das erste Bauelement (21) ist als ohmscher Widerstand ausgeführt. Das zweite Bauelement (22) ist als Kondensator ausgeführt. Wird eine Spannung an die Parallelschaltung (2) angelegt, so wird während eines Abfragezyklus zum Abfragen eines Schaltzustands eines Schalters am Ausgang A der Parallelschaltung ein Stromverlauf bei geschlossenem Schalter eingeprägt, der bei jedem Abfragezyklus von einem relativ hohen Wert zum Verhindern einer, einen zusätzlichen elektrischen Widerstand bildenden Schicht auf einem Schalterkontakt, auf einen relativ niedrigen Wert zum Abfragen des Schaltzustands gesenkt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abfragen eines Schaltzustands eines Schalters.

Um den Stromverbrauch bei batteriebetriebenen elektrischen Systemen zu reduzieren, werden im nahezu vollständig abge schalteten Zustand, der auch als "Stand-by"-Modus bezeichnet wird, nur diejenigen Schalter durch Beaufschlagen mit einem Abfragestrom abgefragt, die bei Betätigen zu einem Aktivieren des Systems führen. Um eine hinreichend genaue Abfrage der Schalter durchführen zu können, muss ein Schalterzustand des Schalters mit hohen elektrischen Abfrageströmen durchgeführt werden. Daraus resultieren relativ hohe Ruheströme im "Stand- by"-Modus batteriebetriebener Systeme und kann dazu führen, dass vorgegebene Ruhestrombedingungen überschritten werden.

Bei einer bekannten Vorrichtung (DE 43 37 273 C2) zum Redu zieren des Ruhestroms bei abgestellten Kraftfahrzeugen wird ein steuerbarer Schalter zum Trennen von Bordnetzverbrauchern von einer Kraftfahrzeugbatterie geöffnet, wenn ein Fehler in einem Bordnetzverbraucher erkannt wird, der bei geschlossenem steuerbaren Schalter zu einem Ruhestrom führen könnte, der größer als eine vorgegebene Ruhestromschwelle beziehungsweise dessen Wert größer als ein, einer vorgegebenen Ruhestrom schwelle entsprechender Schwellwert ist.

Bei der bekannten Vorrichtung bilden sich auf den Schalter kontakten eines längere Zeit geöffneten Schalters Schichten, beispielsweise eine Oxidschicht, die einen zusätzlichen elektrischen Widerstand bilden. Dadurch ist ein sicheres Schalten des Schalters nur noch bedingt möglich. Eine Schal terabfrage muss dabei mit einem relativ großen elektrischen Strom durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die ein sicheres Schalten eines Schalters ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren, das die Schritte nach Patentanspruch 1 aufweist und mit einer Vorrichtung, die die Merkmale nach Patentanspruch 6 aufweist, gelöst.

Eine Vorrichtung zum Abfragen eines Schaltzustands eines Schalters, weist eine Spannungsquelle auf, die mit einer Pa rallelschaltung und einer Steuereinheit elektrisch verbunden ist. Die Parallelschaltung ist des Weiteren mit einem Schal ter und der Steuereinheit elektrisch verbunden.

Erfindungsgemäß ist die Parallelschaltung derart ausgeführt, dass sie zumindest zwei Bauelemente aufweist und die Bauele mente einen Gesamtwiderstand der Parallelschaltung bilden, der sich zumindest zeitweise während einer gesamten Zeitdauer eines Abfragezyklus zum Abfragen eines Schaltzustands eines Schalters verändert. Durch den zeitlichen Verlauf des Gesamt widerstands der Parallelschaltung wird ein Stromverlauf bei geschlossenem Schalter eingeprägt, der zumindest einmal wäh rend der gesamten Zeitdauer des Abfragezyklus einen ersten Schwellwert erreicht oder überschreitet und zumindest einmal während der gesamten Zeitdauer des Abfragezyklus einen zwei ten Schwellwert erreicht oder unterschreitet. Durch Auswerten des Abfragestroms wird die Schalterstellung des Schalters er kannt.

Dadurch kann erreicht werden, dass das Abfragen des Schalters und das Reinigen des Schalterkontaktes in einem Abfragezyklus durchgeführt werden können und ein sicheres Schalten des Schalters gewährleistet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen an gegeben.

Es kann dabei vorgesehen sein, dass das erste Bauelement der Parallelschaltung als Widerstand mit konstantem Widerstands wert ausgeführt ist und das zweite Bauelement der Parallel schaltung als Kondensator ausgeführt ist.

Dadurch kann ein sehr einfacher und schneller Schaltungsauf bau erreicht werden.

Eine Ausführung der Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrich tung,

Fig. 2 eine Darstellung des Stromverlaufs während eines Ab fragezyklus, und

Fig. 3 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Stroms durch das zweite Bauelement.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung (Fig. 1) zum Abfragen ei nes Schaltzustands eines Schalters, weist eine Spannungsquel le 1 auf, die elektrisch mit einer Parallelschaltung 2 ver bunden ist. Die Widerstandsschaltung 2 ist mit einer Steuer einheit 3 über einen Vorwiderstand 31 und mit einem Schalter 4 verbunden und weist zwei parallel geschaltete Bauelemente 21, 22 auf. Das erste Bauelement 21 ist als ohmscher Wider stand ausgeführt und weist einen Widerstandswert auf, der zeitlich konstant ist. Das zweite Bauelement 22 hingegen ist als Kondensator ausgeführt. Das Bauelement 22 kann aber auch als Transistor ausgeführt sein.

Ist ein elektrisches Gerät, beispielsweise ein batteriebe triebenes System, im "Stand-by"-Modus, werden nur noch Schal ter abgefragt, die bei Betätigen das elektrische Gerät wieder vollständig anschalten. In einem derartigen "Stand-by"-Modus wird ein Abfragezyklus zum Abfragen eines Schaltzustands ei nes Schalters durchgeführt. Dabei wird über die Spannungs quelle 1 eine Spannung an die Parallelschaltung 2 angelegt. Am Ausgang A (Fig. 1) der Parallelschaltung 2 wird dabei während eines gesamten Abfragezyklus ein Stromfluss bei ge schlossenem Schalter 4 eingeprägt, wie er in Fig. 2 darge stellt ist.

Ist der Schalter 4 geschlossen und wird der Schalter 4 wäh rend eines Abfragezyklus abgefragt, reicht die gesamte Zeit dauer eines Abfragezyklus von einem Zeitpunkt t₀ bis zu einem Zeitpunkt t₂ (Fig. 2). Zum Zeitpunkt t₀, also zu Beginn des Abfragezyklus, wird der Gesamtstrom I_G (Fig. 1) durch die Parallelschaltung 2 im wesentlichen durch die niederohmige Impedanz des Kondensators bestimmt. Durch den Kondensator fließt ein Strom I_C. Solange sich der Kondensator auflädt ist die Impedanz des Kondensators kleiner als der konstante Wi derstandswert des Widerstands 21, durch den der Strom I_R fließt. Der Strom I_R durch den Widerstand 21 ist daher zu vernachlässigen und der Gesamtstrom I_G wird durch Strom I_C durch den Kondensator bestimmt. Zum Zeitpunkt t₀ weist der Gesamtstrom I_G einen maximalen Wert auf, der als erster Schwellwert I₁ (Fig. 2) bezeichnet wird und der im Ausfüh rungsbeispiel etwa 20 mA beträgt.

Indem sich der Kondensator in der Zeitdauer zwischen t₀ und t₁ auflädt, nimmt die Impedanz des Kondensators bis zum Zeit punkt t₁ zu und der Strom I_C, der über den Kondensator fließt, nimmt ab (Fig. 3). Dadurch steigt die Impedanz des Kondensa tors bis der Kondensator zum Zeitpunkt t₁ seinen größten "Wi derstand" erreicht hat und kein Strom mehr über den elektri schen Zweig in dem der Kondensator angeordnet ist, fließt. In einer Darstellung eines Ersatzschaltbildes kann der Kondensa tor auch als zeitlich veränderbarer Widerstand betrachtet werden, dessen Widerstandswert zum Zeitpunkt t₀ gleich 0 ist und bis zum Zeitpunkt t₁ auf den theoretischen Widerstands wert ∞ ansteigt.

Vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂ (Fig. 2) wird der Ge samtstrom I_G während des Abfragezyklus dann ausschließlich durch den Widerstand 21 bestimmt und der Strom I_C durch den Kondensator kann vernachlässigt werden. Der Strom weist zum Zeitpunkt t₁ einen Wert auf, der gleich einem zweiten Schwellwert I₂ ist. Der Schwellwert I₂ wird im Ausführungs beispiel so gewählt, dass er etwa 1 mA beträgt. Im Ausfüh rungsbeispiel ist der Strom in der Zeitdauer von t₁ bis t₂ etwa konstant. Wird der Strom kleiner als der Schwellwert I₂ eingestellt, so ist er zumindest so groß einzuprägen, dass ein hinreichend genaues Erkennen des Schaltzustands durch Auswerten des Spannungs- und/oder des Stromsignals möglich ist.

Der Stromschwellwert I₂ in der Zeitdauer von t₁ bis t₂ kann auch einen Wert betragen, der größer oder kleiner ist als 1 mA, ist aber so einzustellen, dass ein hinreichend sicheres Erkennen des Schaltzustands möglich ist.

Der maximale Strom von etwa 20 mA (Fig. 2) wird als Frei brennstrom bezeichnet und fließt eine Zeitdauer δ ab dem Zeitpunkt t₀. Die Zeitdauer δ ist minimal aber zur Illustra tion in der Fig. 2 im Verhältnis zu den anderen Zeitdauern gedehnt dargestellt.

Bei geöffnetem Schalter 4 kann sich eine Schicht, beispiels weise eine Oxidschicht, auf einem Schalterkontakt des Schal ters 4 bilden, die einen zusätzlichen Widerstand bildet. Da durch wird ein sicheres Schalten des Schalters 4 vermindert. Mittels des Freibrennstroms wird diese Schicht auf dem Schal terkontakt bei geschlossenem Schalter 4 zumindest teilweise vermindert. Durch thermische Effekte die durch das Fließen des Abfragestroms über den Schalter auftreten, wird die Kris tallstruktur der Oxidschichten auf den Schalterkontakten auf gebrochen und die Oxidschichten zumindest teilweise vermin dert. Der Freibrennstrom muss daher so groß gewählt werden, dass ein Auftreten der thermischen Effekte und somit ein Ver mindern der unerwünschten Schichten bedingt wird.

In der Zeitdauer von t₀ + δ bis t₁ des Abfragezyklus wird der Strom von einem Wert, der gleich dem ersten Schwellwert I₁ ist auf einen Wert, der gleich dem zweiten Schwellwert I₂ ist abgesenkt. Das Absenken kann dabei sowohl linear als auch nicht-linear erfolgen.

Der Strom, der in der Zeitdauer von t₁ bis t₂ fließt, wird als Abfragestrom bezeichnet. Um eine relativ sichere Aussage treffen zu können, ob ein abgefragter Schalter 4 offen oder geschlossen ist, muss ein Abfragezyklus eine Mindestzeitdauer betragen. Diese Mindestzeitdauer ist im Ausführungsbeispiel von t₀ bis t₂ und beträgt etwa 80 µs. Ein Abfragen des Schal ters 4 mittels des relativ hohen Freibrennstroms über die ge samte Zeitdauer des Abfragezyklus würde vorgegebenen Ruhe stromanforderungen in batteriebetriebenen Systemen nicht ge nügen oder eine relativ kurze Lebensdauer einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Schalters 4 aufgrund hoher thermischer Belastung bedingen. Eine Abfrage mittels des wesentlich nied rigeren Abfragestroms ist daher hinreichend für eine relativ sichere Aussage über die Schalterstellung des Schalters 4.

Der Abfragestrom und der Freibrennstrom fließen nur dann, wenn der Schalter 4 geschlossen ist. Mittels der Steuerein heit 3 wird die Vorrichtung gesteuert und ausgewertet, ob ein Schalter geschlossen oder offen ist. Beispielsweise misst die Steuereinheit 3 die Spannung oder den Strom am Ausgang A der Parallelschaltung 2 und wertet das entsprechende Spannungs- und/oder Stromsignal hinsichtlich des Schaltzustands des Schalters 4 aus. Bei offenem Schalter liegt am Schalter eine Spannung an und der Stromfluss ist gleich null. Wird der Schalter geschlossen, fließt ein Strom, der von einem Wert I₁ auf einen Wert I₂ gesenkt wird.

Es können auch zwei oder mehrere Schalter hinsichtlich ihrer jeweiligen Schalterstellung abgefragt werden.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung kann somit ein siche res Abfragen von einem oder mehreren Schaltern durchgeführt werden. Bei jedem einzelnen Abfragezyklus wird ein Abfragen des Schaltzustands und bei einem geschlossenen Schalter auch ein Reinigen der Schalterkontakte durch den über den Schal terkontakt fließenden Strom durchgeführt.

Claims

1. Verfahren zum Abfragen eines Schaltzustands eines Schal ters (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein Gesamtstrom I_G, der bei geschlossenem Schalter während einer gesamten Zeit dauer eines Abfragezyklus fließt, so eingeprägt wird, dass er zumindest einmal während der gesamten Zeitdauer des Abfrage zyklus einen ersten Schwellwert und zumindest einmal während der gesamten Zeitdauer des Abfragezyklus einen zweiten Schwellwert erreicht oder unterschreitet und die Schalter stellung durch Messen des Abfragestroms ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwellwert so festgelegt wird, dass eine, einen zusätzlichen elektrischen Widerstand bildende Schicht auf ei nem Schalterkontakt des Schalters bei geschlossenem Schalter zumindest teilweise vermindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schwellwert niedriger als der erste Schwellwert festgelegt wird und mit dem eingeprägten Abfragestrom nur ei ne Abfrage über eine Schalterstellung des Schalters durchge führt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absenken des Abfragestroms vom ersten Schwellwert auf den zweiten Schwellwert linear durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absenken des Abfragestroms vom ersten Schwellwert auf den zweiten Schwellwert nicht-linear durchgeführt wird.

6. Vorrichtung zum Abfragen eines Schaltzustands eines Schal ters (3) mit einer elektrischen Spannungsversorgung, die mit einer Parallelschaltung (2) und mit einer Steuereinheit (4) elektrisch verbunden ist und die Parallelschaltung (2) des Weiteren mit der Steuereinheit (4) und einem Schalter (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallel schaltung (2) zumindest zwei Bauelemente aufweist und die Bauelemente einen Gesamtwiderstand der Parallelschaltung bil den der sich zeitlich ändert und sich somit ein Abfragestrom, der bei geschlossenem Schalter fließt, während eines Abfrage zyklus von einem Wert gleich oder über einem ersten Schwell wert auf einen Wert gleich oder über einem zweiten Schwell wert senkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement als ohmscher Widerstand und das zweite Bauelement als Kondensator ausgeführt ist.