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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fehlerstromerkennung in
einer elektronischen Einrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Insbesondere
beim Einsatz in Kraftfahrzeugen kann es aufgrund eines dauerhaft
anliegenden Versorgungspotentials in Verbindung mit Temperatur-
und Feuchtigkeitseinflüssen
sowie Ionenlieferanten wie Streusalz, Wischwassertensiden oder Kunststoffadditiven
zu Korrosionen von Kontaktmaterialien, Zersetzungen von Kunststoffen
oder Migrationen auf Leiterplatten kommen, die leitfähige Strecken
mit unerwünschten
Quer- bzw. Fehlerströmen
zur Folge haben. Mit der Zeit werden diese Strecken immer niederohmiger,
so dass die Fehlerströme
ansteigen und zu einer Überhitzung
bzw. Entzündung
umliegender Kunststoffteile führen
können.
Da die Fehlerströme jedoch
oftmals unterhalb der Ansprechschwellen von Kraftfahrzeugsicherungen
liegen, ist ihre Erkennung und Vermeidung insbesondere bei Dauerplusleitungen
durch das Auslösen
der Kraftfahrzeugsicherungen sowie durch eine Trennung der Verbindung
zur Batterie mittels eines Zündschlüssels nicht
möglich.
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Aus
der US-A-5 159 517 ist ein mittels eines Steckers und zweier Versorgungsleitungen
an eine Wechselspannung anschließbarer, elektrischer Verbraucher
mit einem Senseleiter und einer Detektorschaltung zur Detektion
eines Fehlerstroms infolge eines durch Wasser oder eine andere leitenden
Flüssigkeit
hervorgerufenen, niederohmigen Schlusses des elektrischen Verbrauchers
bekannt. Weiterhin befindet sich im Stecker eine Unterbrecherschaltung, die
im Falle eines detektierten Überstroms
beide Versorgungsleitungen auftrennt. Die Detektorschaltung kann
sowohl in einem Gehäuse
des elektrischen Verbrauchers als auch im Stecker angeordnet sein,
wobei der Senseleiter im letzteren Fall vom elektrischen Verbraucher
zusammen mit den beiden Versorgungsleitungen als dritter Leiter
zum Stecker geführt ist.
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Eine
weitere, bekannte Möglichkeit
zur Erkennung und Vermeidung von Fehlerströmen in Stromnetzen ergibt sich
durch den Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern, die im Fehlerfall
die gesamte Energieversorgung abschalten. In Kraftfahrzeugen ist
ein derartiges Vorgehen jedoch nicht möglich, da auf diese Weise gefährliche,
undefinierte Fahrzustände
entstehen können.
Darüber
hinaus besteht hierfür
auch keine Notwendigkeit, da die Kraftfahrzeugspannung in der Regel
unterhalb der Sicherheitskleinspannung liegt.
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Vorteile der
Erfindung
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Gegenüber dem
Stand der Technik ergibt sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Fehlerstromerkennung in einer elektronischen Einrichtung, mit
einem ersten und zumindest einem zweiten elektrischen Leiter, wobei
der erste elektrische Leiter ein erstes elektrisches Potential und
der zumindest zweite elektrische Leiter ein zweites elektrisches
Potential führen,
der Vorteil einer sehr sicheren, einfachen und kostengünstigen
Möglichkeit
zur früh- und damit rechtzeitigen
Erkennung von Fehlerstrompfaden bzw. Fehlerströmen. Dazu ist zwischen den
elektrischen Leitern ein elektrischer Senseleiter mit einem festen,
elektrischen Ruhepotential angeordnet, dessen Wert zwischen dem
ersten und dem zumindest zweiten elektrischen Potential liegt.
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Im
Wesentlichen ergibt sich das Ruhepotential des Senseleiters aus
dem Mittelwert des ersten und des zweiten, elektrischen Potentials.
Eine Auswerteschaltung, ein Mikroprozessor und/oder ein Schwellenwertschalter
können
auf diese Weise im Fehlerfall sehr einfach und eindeutig eine Verschiebung
des elektrischen Ruhepotentials des Senseleiters in Richtung des
ersten oder des zweiten elektrischen Potentials detektieren.
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Da
die erfindungsgemäße Vorrichtung
in der Lage ist, Fehlerfälle
sehr frühzeitig
zu erkennen, ist es zur Vermeidung undefinierter Zustände der
elektronischen Einrichtung weiterhin von Vorteil, dass die Auswerteschaltung,
der Mikroprozessor und/oder der Schwellenwertschalter im Falle eines
detektierten Fehlers ein Warnsignal abgeben, wobei die Vorrichtung
derart ausgelegt ist, dass die elektronische Einrichtung nicht abgeschaltet
wird.
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In
besonders vorteilhafter Weise kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung
in Verbindung mit Leiterplatten, Kunststoffen mit integrierten oder
aufgebrauchten, leitfähigen
Bahnen, Kontaktmitteln und/oder Stanzgittern zum Einsatz. In diesem
Zusammenhang sind der erste elektrische Leiter, der zumindest zweite
elektrische Leiter und/oder der Senseleiter als Leiterbahnen, Kontakte
und/oder als Stanzgitterbahnen ausgebildet.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale sowie aus der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 beispielhaft
erläutert,
wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile
mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten. Es zeigen
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1:
ein ersten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für eine
Leiterplatte,
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2:
ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für ein
Stanzgitter und
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3:
ein drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
für ein
Kontaktmittel.
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Beschreibung
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gezeigt.
Auf einer Leiterplatte (Printed Circuit Board – PCB) 12 einer elektronischen
Einrichtung 14, beispielsweise eines Kraftfahrzeug-Steuergeräts 16,
sind ein erster elektrischer Leiter 18 und ein zweiter
elektrischer Leiter 20 in Form einer ersten 22 und
zweiten Leiterbahn 24 aufgebracht. Während die erste Leiterbahn 22 ein erstes
elektrisches Potential V1 führt, ist
die zweite Leiterbahn 24 mit einem zweiten elektrischen
Potential V2 verbunden. Da beide Leiterbahnen 22 und 24 somit
unterschiedliche Potentiale aufweisen, muss ein niederohmiger Schluss
zwischen ihnen vermieden werden. Kommt es jedoch im Fehlerfall – beispielsweise
hervorgerufen durch salzhaltiges Spritzwasser, Wischwassertenside
oder gelöste
Kunststoffadditive – zu
einer Ionenwanderung mit Korrosion oder Migration der Leiterbahnen 22, 24 oder
zu einer Zersetzung der Kunststoffe, so entstehen unerwünschte Quer-
oder Fehlerströme,
die eine starke Erwärmung
bzw. eine Entzündung
der Kunststoffteile zur Folge haben können. Im Falle des Kraftfahrzeug-Steuergeräts 16 besteht
somit eine Brandgefahr für
das Kraftfahrzeug, da insbesondere bei einer Dauerplusverbindung
der ersten Leiterbahn 22 mit dem Pluspol einer in 2 gezeigten
Batterie 26 keine Auftrennung durch einen Fahrzeugschlüssel möglich ist.
Da zudem die Quer- bzw. Fehlerströme oftmals unterhalb der Ansprechschwelle
von Kraftfahrzeugsicherungen liegen, können auch diese keine ausreichende
Absicherung gewährleisten.
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Aus
diesem Grund ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
zwischen den gefährdeten
Leiterbahnen 22, 24 einen Senseleiter 28 anzuordnen,
der im Falle der Leiterplatte 12 ebenfalls als eine Leiterbahn 30 ausgebildet
ist. Der Senseleiter 28 ist mit einer Auswerteschaltung 32,
einem Mikroprozessor 34 und/oder einem Schwellenwertschalter 36 verbunden
und weist ein festes, elektrisches Ruhepotential VR auf,
dessen Wert zwischen dem ersten elektrischen Potential V1 und dem zweiten elektrischen Potential
V2 liegt. Im Wesentlichen kann dieser Wert
aus dem Mittelwert (arithmetisch, geometrisch oder dergleichen)
des ersten und des zweiten elektrischen Potentials V1 bzw.
V2 gebildet sein. Kommt es im Fehlerfall
zu einer leitfähigen
Strecke zwischen der ersten und der zweiten Leiterbahn 22, 24,
so verschiebt sich das Ruhepotential VR der
Senseleitung 28 entweder in Richtung des ersten elektrischen
Potentials V1 oder des zweiten elektrischen
Potentials V2. Diese Potentialänderung
wird mittels der Auswerteschaltung 32, des Mikroprozessors 34 und/oder
des Schwellenwertschalters 36 detektiert, und es kommt zur
Abgabe eines Warnsignals W. Da die Auswertung hochohmig erfolgt,
wird das Warnsignal W deutlich vor einer tatsächlichen Gefährdung durch
kritische, niederohmige Zustände
abgegeben. Um zudem die Gefahr undefinierter Zustände – insbesondere
während
der Fahrt eines Kraftfahrzeugs – zu
vermeiden, ist die Vorrichtung 10 derart ausgelegt, dass
sie die elektronische Einrichtung 14 im Fehlerfall nicht
abschaltet. Ein entsprechender Eingriff in die fehlerhafte, elektronische
Einrichtung 14 erfolgt daher anschließend ohne Gefährdung der
Fahrzeuginsassen in einer Fachwerkstatt.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur
Fehlerstromerkennung für
ein vorzugsweise kunststoffumspritztes Stanzgitter 38 gezeigt.
Dabei sind der erste, als Stanzgitterbahn 40 ausgebildete
Leiter 18 und der zweite, als Stanzgitterbahn 42 ausgebildete
Leiter 20 mit einem Versorgungspotential VBatt bzw.
einem Massepotential GND der Batterie 26 verbunden, so dass
das erste elektrische Potential V1 des ersten elektrischen
Leiters 18 dem Versorgungspotential VBatt und
das zweite elektrische Potential V2 dem Massepotential
GND entsprechen. Unter Bezugnahme auf 1 sind auch
hier die Stanzgitterbahnen 40 und 42 Bestandteile
der elektronischen Einrichtung 14. Im Falle des Kraftfahrzeug-Steuergeräts 16 können die
Stanzgitterbahnen 40, 42 beispielsweise zur Versorgung
von nicht gezeigten Leistungsbauelementen oder Hochstromverbrauchern
dienen.
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Zwischen
den Stanzgitterbahnen 40, 42 ist der Senseleiter 28 ebenfalls
in Form einer Stanzgitterbahn 44 angeordnet und mit der
Auswerteschaltung 32, dem Mikroprozessor 34 und/oder
dem Schwellenwertschalter 36 verbunden. Wie bereits in 1 geschildert,
führt der
Senseleiter 28 auch hier ein festes Ruhepotential VR, dessen Wert – insbesondere Mittelwert – zwischen
dem ersten und dem zweiten elektrischen Potential V1 bzw.
V2 liegt. Da sowohl die Detektion als auch
die Warnung von bzw. vor Fehlerströmen gemäß 1 erfolgt,
soll hier nicht nochmals darauf eingegangen werden.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 für ein Kontaktmittel 46,
wobei der erste Leiter 18, der zweite Leiter 20 sowie
ein weiterer Leiter 48 als eingespritzte oder eingesteckte
Kontakte 50 ausgebildet sind. Handelt es sich bei dem Kontaktmittel 46 beispielsweise
um einen Stecker 52, so stellen die Kontakte 50 Kontaktstifte 54 dar.
Im Falle einer nicht gezeigten Buchse können die Kontakte 50 auch
als entsprechende Kontaktaufnahmen ausgeführt sein.
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Die
Kontakte 50 können
entweder bereits mit dem ersten und dem zweiten Potential V1 bzw. V2 durch eine
entsprechende Verbindung mit der Batterie 26 beaufschlagt
sein, oder aber erst durch ein Einstecken in eine dafür vorgesehene,
nicht gezeigte Aufnahme mit den Potentialen V1 und
V2 beaufschlagt werden. Durch in das Kontaktmittel 46 eingedrungene
Feuchtigkeit, eine Kunststoffzersetzung oder dergleichen kann es
auch hier zu einem niederohmigen Schluss und damit zu einem Fehlerstrom zwischen
dem ersten elektrischen Leiter 18 und dem zweiten elektrischen
Leiter 20 kommen. Um eine frühzeitige Detektion dieses Fehlerstromes
zu ermöglichen,
weist das Kontaktmittel 46 zwischen den beiden Leitern 18 und 20 den
Senseleiter 28 in Gestalt eines eingegossenen oder eingesteckten
Stifts 56 auf. Wie bereits in den 1 und 2,
so ist dieser über
eine nicht gezeigte Leitung mit der Auswerteschaltung 32,
dem Mikroprozessor 34 und/oder dem Schwellenwertschalter 36 verbunden
und mit einem festen Ruhepotential VR beaufschlagt,
dessen Wert – insbesondere
Mittelwert – zwischen
dem ersten und dem zweiten elektrischen Potential V1 bzw. V2 liegt. Infolge einer durch die oben genannten
Einflüsse
hervorgerufenen Verschiebung des Ruhepotentials VR in
Richtung des ersten oder zweiten elektrischen Potentials V1 bzw. V2 ist somit
eine frühzeitige
Detektion von Fehlerströmen
mit Hilfe der Auswerteschaltung 32, des Mikroprozessors 34 und/oder des
Schwellenwertschalter 36 möglich. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass im Falle eines detektierten Fehlers ein Warnsignal
W abgegeben wird und die Vorrichtung 10 derart ausgelegt
ist, dass sie die mit dem Kontaktmittel 46 verbundene,
elektronische Einrichtung nicht abschaltet, um undefinierte und
eventuell sicherheitsgefährdende Zustände – beispielsweise
in einem Kraftfahrzeug – zu
vermeiden.
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Es
sei abschließend
noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 3 noch
auf die Anordnung, Form oder Anzahl der Leiter bzw. Senseleiter
beschränkt
ist. So ist es durchaus denkbar, in dem in 2 gezeigten
Stanzgitter 38 auch einen Senseleiter 28 in Gestalt
einer Leiterbahn, einer flexiblen Leitung oder dergleichen zu verwenden.
Entsprechendes gilt für
die beiden anderen hier gezeigten Ausführungsbeispiele. Ebenso ist
es möglich,
einen entsprechend ausgestalteten Senseleiter 28 in einem Kabel
oder einem Kabelbaum einzusetzen, so dass die Schutzmöglichkeit
von der elektronischen Einrichtung 14 über den Kabelbaum bis in das
Kontaktmittel 46 reicht und zudem weitere an den Kabelbaum
angeschlossene Aktuatoren und/oder Sensoren in die Fehlerstromerkennung
mit einbezogen werden können.