DE10151418A1

DE10151418A1 - Verfahren zur Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit einer Verpolschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE10151418A1
Application number: DE2001151418
Authority: DE
Inventors: Martin Meschik
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsversorgung wenigstens eines Verbrauchers (16) mit einer aktiven Verpolschutzeinrichtung (18), bei dem in einem ersten Betriebsmodus, in dem eine Gleichspannung (U¶b1¶) anliegt, die Verpolschutzeinrichtung aktiv ist, wobei in einem zweiten Betriebsmodus, in welchem am Eingang (18a) der Verpolschutzeinrichtung (18) ein Wechselspannungsanteil (U¶b2¶) detektiert wird, die Verpolschutzeinrichtung (18) mittels einer Auswerte- und Steuereinrichtung (20) inaktiv geschalten wird, sowie eine Schaltung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit einer aktiven Verpolschutzeinrichtung sowie eine Schaltung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Derartige Verfahren und Schaltungen finden beispielsweise in der Fahrzeugtechnik Verwendung um elektronische Steuergeräte wie z. B. Radio, Steuergerät für Zentralverriegelung und Fernbedienung, usw. mit der entsprechend benötigten Spannung bzw. dem Strom zu versorgen.
Ein generelles Problem in der Kraftfahrzeugelektronik ist die Möglichkeit der Verpolung der Spannungsquelle, nämlich der Autobatterie bzw. des Akkumulators. Demzufolge besteht in der Fahrzeugtechnik die Forderung, dass die gesamte Elektronik in einem Fahrzeug gegen eine versehentliche Verpolung, beispielsweise bei einem Wiederanschluss oder Neuanschluss einer Autobatterie, bei einer Starthilfe oder ähnlichem, durch entsprechende Maßnahmen geschützt ist, um den kompletten Ausfall oder gar Zerstörung der Elektronik zu vermeiden.

Entsprechend weisen in einem Fahrzeug verwendete elektronische Steuergeräte eine Verpolschutzeinrichtung, beispielsweise in Form einer einfachen Verpolschutzdiode oder in Form eines aus der EP 0 436 778 A2 bekannten, im Falle einer Verpolung der Spannungsquelle nicht leitend werdenden elektronischen Schalters, im jeweiligen Verbraucherstromkreis auf.

Allgemein sind weiterhin Verpolschutzeinrichtungen in Form eines aktiven Elements (beispielsweise MOS-Transistor), Relais oder eines anderen Schaltelements bekannt.

Insbesondere bei einer höheren Stromaufnahme eines Verbrauchers, beispielsweise von mehr als zwei Ampere, werden Relais oder Halbleiter als Verpolschutz eingesetzt, da bei der Verwendung einer Verpolschutzdiode bei höheren Strömen die Verlustleistung und der auftretende Spannungsabfall zu groß wären und eine Verpolschutzdiode demzufolge nur für geringere Ströme geeignet ist.

Ein bisher nicht beachtetes Problem entsteht, wenn die Batterie durch einen Fehler, beispielsweise einen Kabelbruch, oder absichtlich abgetrennt wird. Hierbei entsteht bei der üblichen Energieversorgung in der Fahrzeugtechnik, nämlich Kombination aus Lichtmaschine und Batterie, eine Wechselspannung oder eine von großer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung (z. B. 6 Volt + |12,6 Volt.sin e^(2.pi.f.t)|). Bei dem Wechselspannungsanteil (der sog. Ripple-Voltage) handelt es sich aufgrund der Konstruktion der Lichtmaschine bzw. des Generators (Drehstrom) im Fahrzeug um eine Sinusspannung mit Frequenzen zwischen ca. 150 Hz und 1500 Hz. Dieser Wechselspannungsanteil kann einen aktiven Verpolschutz überwinden und gelangt so ungehindert auf eine Kapazität bzw. einen Kondensator, welcher üblicherweise in jedem elektronischen Steuergerät, beispielsweise Radio usw., vorhanden ist.

Nachteiligerweise erwärmt sich dieser Kondensator (z. B. Elektrolyt-Kondensator) dadurch stark, so dass er funktionsunfähig wird oder gar explodiert. Für die Fahrzeuginsassen und den Besitzer entsteht hierdurch nicht nur eine Verschlechterung der Funktionseigenschaft, beispielsweise Verschlechterung der Störausstrahlung, wie Zündfunke ist plötzlich im Radio hörbar, sondern gar eine mögliche Gefährdung der in einem Fahrzeug befindlichen Personen.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Spannungsversorgung eines Verbrauchers mit einer aktiven Verpolschutzeinrichtung sowie eine Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, welche die nachteiligen Auswirkungen einer, beispielsweise aufgrund eines beabsichtigten oder unbeabsichtigten Abtrennens einer Batterie bzw. eines Akkumulators, auftretenden Wechselspannung verhindert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie eine Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Anspruch 5 gelöst.

Erfindungsgemäß geht eine Verpolschutzeinrichtung von ihrem bekannten ersten Betriebsmodus, in welchem eine Gleichspannung anliegt, in einen zweiten Betriebsmodus über, sobald am Eingang der Verpolschutzeinrichtung ein Wechselspannungsanteil detektiert wird. In diesem zweiten Betriebsmodus wird die Verpolschutzeinrichtung im Unterschied zum ersten Betriebsmodus inaktiv geschalten, so dass der Wechselspannungsanteil den Verpolschutz nicht überwinden kann und demzufolge nicht ungehindert auf die Kapazität eines Steuergerätes gelangt.

Das Inaktivschalten der Verpolschutzeinrichtung kann hierbei ein einfaches Abschalten bedeuten, so dass die Verbraucher bzw. elektronische Steuergeräte in einem Fahrzeug während des Auftretens einer Unterbrechung der Batterieversorgung zwar nicht versorgt werden, aber vorteilhafterweise auch nicht zerstört werden können.

Vorteilhafterweise erfolgt in dem zweiten Betriebsmodus der Inaktivierung der Verpolschutzeinrichtung stattdessen eine Gleichrichtung zwischen Ein- und Ausgang der Verpolschutzeinrichtung und in Zusammenwirkung mit der nachfolgenden Kapazität demzufolge eine Spitzenwertgleichrichtung, so dass durch diese überbrückende Spitzenwertgleichrichtung auch während einer Unterbrechung der Batteriespannungsversorgung ein Steuergerät mit einem spitzenwertgleichgerichteten Strom bzw. einer Spannung versorgt wird, ohne dass die Kapazität Schaden erleiden kann. In diesem Modus arbeitet die Verpolschutzeinrichtung als Gleichrichter, insbesondere als hochohmiger Gleichrichter, wie es beispielsweise bei der parasitären Diode eines MOSFET-Transistors der Fall ist.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können in dem zweiten Betriebsmodus vorzugsweise mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung bzw. durch ein entsprechendes Steuersignal der Auswerte- und Steuereinrichtung unnötige Verbraucher abgeschaltet werden. Vorteilhafterweise wird hierdurch die Gesamtstromaufnahme in dem zweiten Betriebsmodus verringert, so dass der Gleichrichter, also beispielsweise der parasitäre Diodenübergang eines MOSFET-Transistors nicht überlastet wird.

Die Verpolschutzeinrichtung ist schaltungstechnisch wie herkömmliche Verpolschutzeinrichtungen, insbesondere aktive Verpolschutzeinrichtungen, ausgebildet, also üblicherweise mit Bauelementen, Transistor, Widerstand und Zenerdiode realisiert. Die erfindungsgemäß Auswerte- und Steuereinrichtung steuert den Transistor, beispielsweise einen bipolarer oder MOSFET-Transistor, der Verpolschutzeinrichtung über dessen Steuereingang inaktiv, sobald am Eingang der Verpolschutzeinrichtung von der Auswerte- und Steuereinrichtung ein entsprechender Wechselspannungsanteil (Ripple) detektiert wird.

Die Auswertung eines solchen Ripples kann schaltungstechnisch analog, beispielsweise mittels eines Spitzenwertgleichrichters, eines nachfolgenden Komparators mit vorgegebenem Schwellwert und eines Transistors oder eines anderen Schaltelements, welches je nach Unterschreiten oder Überschreiten des Schwellwertes durchgeschalten bzw. gesperrt wird, oder digital mittels eines Mikroprozessors realisiert werden.

In der Ausgestaltung der Auswerte- und Steuereinrichtung mittels eines Mikroprozessors ist es zudem möglich, durch zwischenzeitliches Ein- und Ausschalten - sobald der absolute Wert des Wechselspannungsanteils unter einem bestimmten, vordefinierten Wert fällt - die sonst an der Diode bzw. am Diodenübergang anfallende Verlustleistung zu vermindern, bzw. zu verhindern.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen nach der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Ein schematisches Blockschaltbild der Spannungsversorgung eines Verbrauchers in einem Kraftfahrzeug mit Verpolschutzeinrichtung;
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild nach Fig. 1 mit erfindungsgemäßer zusätzlicher Auswerte- und Steuereinrichtung;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung nach Fig. 2;
Fig. 5 ein Diagramm mit dargestellter Eingangs- und Ausgangsspannung im Falle eines Ripples ohne zusätzliche Auswerte- und Steuereinrichtung und
Fig. 6 ein Diagramm einer Eingangs- und Ausgangsspannung im Falle eines auftretenden Ripples mit einer zusätzlichen Auswerte- und Steuereinrichtung nach der Erfindung.
Das in Fig. 1 dargestellt Blockschaltbild zeigt, wie in einem Fahrzeug ein Verbraucher 16, insbesondere ein elektronisches Steuergerät, wie Radio, Steuergerät für die Fernbedienung und Zentralverriegelung usw., mit einer herkömmlichen Verpolschutzeinrichtung 18 mit Spannung versorgt wird und gleichzeitig gegen eine Verpolung der Spannungsquelle geschützt ist. Die Spannungsversorgung erfolgt hierbei, wie auch in anderen autarken Gleichspannungsquellen, mittels eines Generators 10, nämlich der Lichtmaschine (meist ein Drehstromgenerator) und der Batterie 12 bzw. eines Akkumulators, wobei in dieser Parallelschaltung ein sogenannter, in der Zeichnung nicht dargestellter, Regler zwischen Generator 10 und Batterie 12 wirkt.
Hierbei liefert der Generator 10, üblicherweise ein Drehstromgenerator, eine bereits gleichgerichtete Wechselspannung, welche durch die hinzugeschaltete Batterie 12 (am Verbindungspunkt 14) geglättet ist, so dass für einen Verbraucher 16 im Normalfall eine Gleichspannung U_b1 anliegt.
Wird die Batterie jedoch, wie in Fig. 2 dargestellt, durch einen Fehler, beispielsweise einen Kabelbruch, oder beabsichtigt abgetrennt, so entfällt die Glättungswirkung der Batterie 12. In diesem Fall liegt am Eingang eines Verbrauchers 16 keine Gleichspannung mehr, sondern eine sogenannte Mischspannung, also eine von großer Wechselspannung überlagerte Gleichspannung (beispielsweise in der Form 6 Volt + |12,6 Volt .sin e^(2.pi.f.t)|), vor, wobei der Wechselspannungsanteil eine üblicherweise bekannte verwendete Verpolschutzeinrichtung 18 überwinden kann und eine nachfolgende Kapazität, meist in Form eines Elektrolytkondensators, wie er in allen elektronischen Steuergeräten 16 vorkommt, durch permanente hochfrequente, erzwungene Aufladung und Entladung thermisch bis zur Funktionsuntüchtigkeit oder gar Zerstörung (Explosion) belastet.
Erfindungsgemäß weist die Schaltung nach Fig. 2 zur Verhinderung eines solchen Nachteils zusätzlich eine Auswerte- und Steuereinrichtung 20 auf, welche die Verpolschutzeinrichtung 18 im Falle eines Auftretens einer Batterieunterbrechung durch Detektieren des resultierenden Wechselspannungsanteils inaktiv steuert, so dass der Wechselspannungsanteil an der Kapazität C (U_A2) nicht auftreten kann.
Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 20 ebenso wie die Verpolschutzeinrichtung 18 im positiven Zweig Versorgungsspannung +U liegen, wobei die Auswerte- und Steuereinrichtung 20 über Anschlüsse 20b und 20d mit Spannung versorgt wird. Der Anschluss 20b greift hierbei die Versorgungsspannung nach der Verpolschutzeinrichtung 18 am Ausgang 18b ab, so dass die Auswerte- und Steuereinrichtung 20 vorteilhafterweise ebenfalls gegen Verpolung geschützt ist.
Sobald am Eingang 18a der Verpolschutzeinrichtung 18 in der Versorgungsspannung +U ein Wechselspannungsanteil auftritt, wird dieser über Abgriff bzw. Eingang 20a der Auswerte- und Steuereinrichtung 20 von dieser detektiert, so dass die Verpolschutzeinrichtung 18 über Eingang 18c und Ausgang 20c der Auswerte- und Steuereinrichtung 20 inaktiv geschalten wird.
Wie in Fig. 4 dargestellt, können sowohl Verpolschutzeinrichtung 18, als auch Auswerte- und Steuereinrichtung 20 in einer zweiten Ausführungsform auch im Massezweig der Spannungsversorgung liegen, ohne dass die Wirkung der Gesamtschaltung von der Ausführungsform nach Fig. 3 Unterschiede zeigt. Die Anschlüsse, insbesondere der Spannungsversorgung, der Verpolschutzeinrichtung 18 und der Auswerte- und Steuereinrichtung 20 entsprechen demzufolge bis auf deren Umpolung den Anschlüssen, wie oben unter Fig. 3 beschrieben.
Zusätzlich kann, wie in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellt, die Auswerte- und Steuereinrichtung 20 einen Ausgang 20e aufweisen, über welchen im Falle eines detektierten Wechselspannungsanteils weitere nicht dringend benötigte Verbraucher, beispielsweise mittels entsprechender Eingänge in den Steuergeräten oder ein entsprechender Eingang eines zentralen Steuergeräts, abgeschaltet werden können. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Gesamtstromaufnahme in der Zeit einer Batterieunterbrechung vermindert werden und eventuell zusätzlich andere Steuergeräte vor Schaden durch einen auftretenden Ripple geschützt werden.
Im Diagramm nach Fig. 5 ist dargestellt, wie ein am Eingang eines Steuergerätes 16 anliegender Wechselspannungsanteil, also ein aufgrund einer Batterieunterbrechung auftretender Ripple U_b1 den Verpolschutz 18 überwindet und demzufolge aufgrund der Kapazität leicht phasenverschoben an der Kapazität C am Ausgang als Spannung U1 anliegt. Diese dauernde hochfrequente Wechselspannung, beispielsweise bei Frequenzen zwischen 150 Hz und 1500 Hz, erzwingt ein permanentes hochfrequentes Laden und Entladen des Kondensators C, so dass der Kondensator C bis hin zur Explosion thermisch stark belastet wird.
Fig. 6 zeigt dagegen, wie in demselben Fall eines auftretender Ripples U_b2 aufgrund einer Batterieunterbrechung, der Verpolschutz 18 mittels der Auswerte- und Steuereinrichtung 20 inaktiv geschalten wird und am Ausgang an der Kapazität C eine Spannung U_A2 in Form einer Spitzenwertgleichrichtung anliegt. Diese bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung entsteht, wenn die Verpolschutzeinrichtung 18 bei der Inaktivierung nicht einfach abschaltet, sondern einen Diodenübergang, beispielsweise die parasitäre Diode eines gesperrten MOSFET-Transistors (zwischen drain and source), aufweist. Hierbei wird der Diodenübergang, sobald der absolute Wert des Wechselspannungsanteils einen gewissen Wert (Zeitpunkt T1) überschreitet, leitend, bis die Diode nach Unterschreiten eines bestimmten Wertes (Zeitpunkt T2) wieder sperrt.
In der vorstehend beschriebenen digitalen Ausführungsform einer Auswerte- und Steuereinrichtung 20 mittels eines Mikroprozessors ist es zudem möglich, einen entsprechenden Schaltvorgang bzw. entsprechende Schaltvorgänge zu erzeugen, um die zwischen T1 und T2 entstehende Verlustleistung an dem Diodenübergang zu vermindern bzw. zu verhindern. Entsprechend wird das Schaltelement, insbesondere der Transistor, der Verpolschutzeinrichtung zu einem Zeitpunkt T1, an dem die Eingangsspannung U_b2 die Ausgangsspannung U_A2 übersteigt, durchgeschalten und zu einem Zeitpunkt T2, an dem die Eingangsspannung U_b2 in eine negative Flanke übergeht, gesperrt.
Die vorliegende Erfindung löst hierbei in ihren verschiedenen Ausgestaltungen das Problem eines auftretenden Ripples bei Baugruppen mit einem aktiven Verpolschutz, insbesondere bei Baugruppen bzw. elektronischen Verbrauchern mit hoher Stromaufnahme (beispielsweise mehr als 2 Ampere), so dass herkömmliche Verpolschutzdioden augrund sonst auftretenden, zu großen Spannungsabfalls und zu hoher Verlustleistung, nicht verwendet werden können.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltung zur Durchführung dieses Verfahrens nicht auf die Anwendung in der Fahrzeugtechnik beschränkt, sondern auf allen Gebieten mit einer ähnlichen Spannungsversorgung, also batteriegestützten Generatoren, anwendbar.

Claims

1. Verfahren zur Spannungsversorgung wenigstens eines Verbrauchers (16) mit einer aktiven Verpolschutzeinrichtung (18), bei dem in einem ersten Betriebsmodus, in dem eine Gleichspannung (U_b1) anliegt, die Verpolschutzeinrichtung aktiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus, in welchem am Eingang (18a) der Verpolschutzeinrichtung (18) ein Wechselspannungsanteil (U_b2) detektiert wird, die Verpolschutzeinrichtung (18) mittels einer Auswerte- und Steuereinrichtung (20) inaktiv geschalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus zwischen Eingang (18a) und Ausgang (18b) der Verpolschutzeinrichtung eine Gleichrichtung der Spannung (U_b2) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Modus eine Spitzenwertgleichrichtung (U_A2) der Spannung (U_b2) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus unnötige Verbraucher abgeschalten werden.

5. Schaltung zur Spannungsversorgung wenigstens eines Verbrauchers zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Verpolschutzeinrichtung (18), welche in einem ersten Betriebsmodus, in dem eine Gleichspannung (U_b1) anliegt, aktiv ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Auswerte- und Steuereinrichtung (20) aufweist, mittels welcher ein Wechselspannungsanteil (U_b2) detektierbar ist und mittels welcher die Verpolschutzeinrichtung (18) in einem zweiten Betriebsmodus, in dem am Eingang (18a) der Verpolschutzeinrichtung (18) ein Wechselspannungsanteil (U_b2) detektiert wird, die Verpolschutzeinrichtung (18) inaktiv schaltbar ist.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinrichtung (20) einen Steuerausgang (20e) aufweist, über den in dem zweiten Modus zusätzliche Verbraucher abgeschaltet werden können.

7. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpolschutzeinrichtung (20) oder die Auswerte- und Steuereinrichtung (18) einen Diodenübergang aufweist, welcher in dem zweiten Modus aktiv ist.

8. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinrichtung (20) als Mikroprozessor ausgebildet ist, welcher die Verpolschutzeinrichtung (18) in dem zweiten Modus sperrt, sobald die Spannung (U_b2) unter einen vordefinierten Schwellwert fällt und durchschaltet, sobald die Spannung über einen vordefinierten Wert steigt.