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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Steuergerät nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1, zum Betrieb wenigstens eines Injektors zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Ein
derartiges Steuergerät
ist beispielsweise aus der
DE
199 44 733 A1 , der
DE 101 58 553 A1 und der
DE 103 03 779 A1 bekannt.
Bei diesem Stand der Technik ist jeweils eine Ansteuerschaltung zum
Ansteuern einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren mittels einer
Endstufe vorgesehen, die ausgangsseitig über externe Leitungen mit piezoelektrischen
Aktoren ("Piezoaktoren") der Kraftstoffinjektoren
verbindbar ist, welche jeweils einen elektrischen Verbraucher (kapazitive
Last) für
die Endstufe darstellen. Jeder solche elektrische Verbraucher wird zum
Ansteuern des jeweiligen Kraftstoffinjektors über ein Leitungspaar in getakteter
Weise bestromt.
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Ganz
allgemein ist es bei der Bestromung von elektrischen Komponenten
ausgehend von einem Steuergerät über externe
Leitungen problematisch, dass diese vom Steuergerät zum Verbraucher verlaufenden
Leitungen eine mehr oder weniger große Gefahr für den ordnungsgemäßen Betrieb
darstellen. In vielen Anwendungsfällen sind diese Leitungen z.
B. einem erhöhten
Kurzschlussrisiko ausgesetzt. In automotiven Steuergeräten, wie
z. B. so genannten Motorsteuergeräten, die zum Betrieb von elektrischen
Fahrzeugkomponenten eingesetzt werden, können z. B. durch Abnutzung,
Fehlbehandlung etc. Fehlströme
und/oder Kurzschlüsse
entstehen. Solche unerwünschten
Strompfade können
hierbei sowohl zwischen den Leitungen eines ent sprechenden Leitungspaars
als auch zwischen einer solchen Leitung und einem anderen Fahrzeugteil
entstehen, welches z. B. mit einer Bordspannung (z. B. Batteriespannung)
oder mit elektrischer Masse des Fahrzeugs verbunden ist.
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Die
Erkennung solcher Fehlschlüsse,
beispielsweise zur Einleitung angemessener Schutzmaßnahmen,
bedeutet einen mehr oder weniger großen Aufwand. Dieser Aufwand
ist insbesondere dann besonders groß, wenn die elektrischen Leistungseigenschaften
der Endstufe anspruchsvoll sind, wie dies in der Regel z. B. für Endstufen
zur Bestromung von Aktoren einer Kraftstoffinjektoranordnung bei Brennkraftmaschinen
der Fall ist.
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Aus
der
DE 197 23 456
C2 ist eine Fehlschlusserkennungseinrichtung für elektrische
Verbraucher bekannt, bei welcher eine Mess- und Diagnoseeinrichtung
zur Erkennung von Fehlschlüssen an
dem über
eine Leistungsendstufe mit einem Laststrom beaufschlagten elektrischen
Verbraucher vorgesehen ist. Die Messeinrichtung besteht aus einem Spannungsteiler
mit zwei Widerständen,
dessen Abgriff mit einem Verbraucheranschluss verbunden ist. Die
an diesem Abgriff herrschende Spannung wird der Diagnoseeinrichtung
zugeführt,
um diese mit einer Referenzspannung zu vergleichen.
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Aus
der
DE 100 33 196
A1 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erkennung
eines Fehlerstromes an einem piezoelektrischen Aktor eines Einspritzventils
bekannt. Während
der Einspritzung bzw. in einer Spritzpause, wenn der Piezoaktor
aufgeladen ist, wird der Spannungsverlauf oder eine Spannungsänderung
der Aktorspannung gemessen und bei Überschreitung eines vorgegebenen
Schwellwerts eine Fehlermeldung ausgegeben und/oder eine Abschaltung
des Piezoaktors bewirkt.
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Aus
der
DE 195 26 435
A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Erkennung eines Fehlerstroms oder
Leckstroms auf einer Versorgungsleitung bekannt. Zur Fehlerstromerkennung
wird das Potential auf der Versorgungsleitung, das sich bei abgeschalteter
Versorgungsspannung infolge des Leckstroms einstellt, mit einem
Potentialmonitor ermittelt und ausgewertet.
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Aus
der
DE 198 50 001
A1 ist eine Fehlerstromerkennung für eine Steuereinheit mit einer
an einem Ausgang der Steuereinheit angeschlossenen Last (z. B. Magnetventil)
bekannt. Bei diesem Stand der Technik liegt ein Fehlerstrom dann
vor, wenn ein Laststrom nicht von dem Steuereinheitausgang zur Last,
sondern von der Last zum Steuereinheitausgang fließt, was
durch eine in der Steuereinheit vorgesehene Transistoranordnung
erkannt wird.
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Aus
der
DE 197 35 412
A1 ist eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung
bekannt, mittels derer ein mehrphasiges Netz auf Wechsel- und Pulsfehlerstrom überwacht
wird. Die Einrichtung umfasst zwei Fehlerstrom-Auslöseschaltungen,
die jeweils an die Sekundärwicklung
eines zugeordneten Summenstromwandlers angeschlossen sind. Primärwicklungen
der Summenstromwandler werden hierbei jeweils von den mehreren Phasen
des mehrphasigen Laststroms durchflossen.
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Aus
der
DE 41 24 190 A1 ist
ein Verfahren zum Überwachen
und Ausschalten eines wenigstens einen Hinleiter und einen Rückleiter
(Null-Leiter) aufweisenden Netzes beim Auftreten einer Stromdifferenz
im Hin- und Rückleiter
auf Grund eines Fehler- oder
Erdschlussstromes bekannt. Die Stromdifferenz wird hierbei mittels
eines Sensors gemessen, der ein der Differenz entsprechendes Sensorsignal
abgibt, welches einer Auswerteschaltung zugeführt wird. Gemäß des in
dieser Veröffentlichung
beschriebenen Ausführungsbeispiels
ist der Sensor als ein Ringkernwandler ausgebildet, bei welchem
eine Netzleitung mit einem Hin- und einem Rückleiter als Primärwicklung
hindurchgeführt
ist und die Sekundärwicklung
mit der Auswerteschaltung verbunden ist.
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Aus
der
DE 197 35 743
A1 ist eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung
bekannt. Die Einrichtung umfasst einen Summenstromwandler, bei welchem in
der Sekundärwicklung
ein für
den Fehlerfall repräsentatives
Spannungssignal induziert wird.
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Aus
der
DE 197 48 550
A1 ist ein Verfahren zum Messen von elektrischen Strömen in Leitern
bekannt. Für
diese Strommessung, die auch für
eine Fehlererkennung (z. B. hinsichtlich Überstrom und/oder Fehlerstrom)
einsetzbar ist, werden nicht näher
beschriebene magnetoresistive Sensoren verwendet. Diese Sensoren
können
zur Steigerung der Magnetfeldempfindlichkeit über nicht näher beschriebene Flusskonzentratoren
mit den Leitern gekoppelt sein. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Sensor
als Sensorchip auf einer Seite eines flächig ausgedehnten Isolators
angeordnet, auf dessen entgegengesetzter Seite die elektrischen
Stromleiter angeordnet sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Steuergerät der eingangs
genannten Art eine zuverlässige
Erkennung von Betriebsfehlern zu vereinfachen.
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Gemäß eines
ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch
ein Steuergerät
nach Anspruch 1.
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Bei
dem Steuergerät
verlaufen ausgangsseitige Leitungsabschnitte der Endstufe in der
Nähe eines
Magnetflussteils, derart, dass in einem Normalbetrieb durch die
Stromflüsse
in den beiden Leitungsabschnitten hervorgerufene Magnetflussan teile
im Magnetflussteil sich im Wesentlichen kompensieren. Wenn im Normalbetrieb
die über
die beiden Leitungsabschnitte fließenden Ströme betragsmäßig gleich sind, jedoch entgegengesetztes
Vorzeichen in dem Sinn besitzen, dass der eine Strom zum Verbraucher (=
Aktor) hin und der andere Strom vom Verbraucher zurück fließt, so lässt sich
diese Kompensation der hervorgerufenen Magnetflussanteile in einfacher Weise
durch eine geeignete Geometrie der Anordnung sicherstellen. Aufgrund
des bei der Erzeugung von Magnetfeldern durch Stromflüsse geltenden
Superpositionsprinzips (wie es z. B. im Biot-Savart-Gesetz zum Ausdruck
kommt) ist diese Kompensation bzw. das Ausmaß dieser Kompensation hierbei
unabhängig
von dem Absolutwert des über
die Leitungsabschnitte fließenden
Stroms. Durch eine geeignet symmetrische Gestaltung der Leitungsabschnitte,
des Magnetflussteils sowie deren gegenseitiger Anordnung lässt sich
beispielsweise erreichen, dass die beiden Magnetflussanteile eine
entgegengesetzte Orientierung besitzen und sich gegenseitig im Wesentlichen
oder vollständig
auslöschen.
Zur Detektion von Betriebsfehlern der eingangs genannten Art ist
gemäß des ersten
Erfindungsaspekts eine vom Magnetfluss des Magnetflussteils durchsetzte Detektionsspulenanordnung
vorgesehen, mittels welcher auf Basis einer Auswertung einer an
der Detektionsspulenanordnung induzierten Spannung diese Betriebsfehler
erfasst werden können.
Wenn nämlich
ein solcher Fehlerfall auftritt, bei dem ein mehr oder weniger großer Strom
nicht über
die Hin- bzw. Rückleitung,
sondern wenigstens teilweise auch über einen unerwünschten
Strompfad zu einem Potential der betreffenden Installationsumgebung
fließt,
so ist die (vorzeichenbehaftete) Summe aus Hin- und Rückstrom
nicht Null. Nach dem oben erwähnten
Superpositionsprinzip bedeutet dies wiederum, dass (als Summe der
nun betragsmäßig ungleichen
Magnetflussanteile) ein resultierender Magnetfluss im Magnetflussteil
hervorgerufen wird, der sich auf Grund der getakteten Bestromung
in einfacher Weise mittels der Detektionsspulenanordnung bzw. der Auswertung
einer daran induzierten Spannung erkennen lässt.
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Insbesondere
zur Erzielung einer großen Empfindlichkeit
der an der Detektionsspulenanordnung induzierten Spannung für Fehlströme ist es
von Vorteil, wenn das Magnetflussteil aus weichmagnetischem Material
gebildet ist. Derartige Materialien sind dem Fachmann aus dem Bereich
von Transformatoren und Übertragern
wohlbekannt und bedürfen daher
hier keiner näheren
Erläuterung.
Besonders geeignet sind beispielsweise Materialien zur Herstellung
von so genannten Ferritkernen. Mit derartigen Materialien lassen
sich die von den beiden Stromflüssen
hervorgerufenen Magnetflussanteile besonders effizient auf den räumlichen
Bereich des Magnetflussteils konzentrieren, was wiederum für eine hohe Effizienz
der zur Fehlerfallerkennung herangezogenen Induktion im Bereich
der Detektionsspulenanordnung von großem Vorteil ist.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Magnetflussteil die beiden Leitungsabschnitte
umgebend im Wesentlichen ringförmig
geschlossen ausgebildet ist. Zum einen kann damit wieder die räumliche
Konzentration des Magnetflusses verbessert werden. Zum anderen kann
damit für
viele Geometrien der beiden Leitungsabschnitte eine oben bereits
erwähnte
Symmetrie der Gesamtanordnung im Hinblick auf die Magnetflusskompensation
erreicht werden. Dies sei an einem Beispiel erläutert: Wenn die beiden Leitungsabschnitte
jeweils durch eine einzige Leiterbahn einer Schaltungsplatte gebildet
sind, wobei diese Leiterbahnen in unterschiedlichen Leitungsebenen
verlaufen und in entgegengesetzter Richtung vom Strom durchflossen
werden, so könnten
in einem nur an einer Flachseite der Schaltungsplatte vorgesehenen
Magnetflussteil hervorgerufene Magnetflussanteile sich nur unzureichend kompensieren (da
die Abstände
zwischen Leitungsabschnitt und Magnetflussteil für die beiden Leitungsabschnitte
verschieden sind). Hier kann eine kompensierende Geometrie in einfacher
weise dadurch geschaffen werden, dass das Magnetflussteil sich auch
auf der anderen Flachseite der Schaltungsplatte erstreckt, sei es
z. B. zweiteilig oder ringförmig
geschlossen mehr oder weniger zusammenhängend.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das Magnetflussteil wenigstens einen Abschnitt aufweist,
der an einer Schaltungsplatte befestigt ist. Eine hierfür geeignete
Schaltungsplatte ist in der Regel bei einem Steuergerät der hier
interessierenden Art ohnehin vorgesehen. Vorteilhaft kann diese
Maßnahme
mit der oben erwähnte
Ausbildung der Leitungsabschnitte als Leiterbahnen eben dieser Schaltungsplatte
kombiniert werden. Die Befestigung des Magnetflussteils kann z.
B. an einer Flachseite der Schaltungsplatte vorgesehen sein.
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Auch
kann die Schaltungsplatte mit einem oder mehreren Durchbrüchen versehen
sein, die teilweise oder vollständig
von dem Magnetflussteil eingegriffen bzw. durchsetzt werden. Mit
solchen Durchbrüchen
ist es ohne weiteres möglich,
einen vollständig
geschlossenen Magnetflussring vorzusehen, der beispielsweise aus
zwei Hälften
zusammengesetzt wird, die sich im montierten Zustand an oder über entgegengesetzten
Flachseiten der Schaltungsplatte erstrecken und im Bereich der Durchbrüche (mit
oder ohne Luftspalt) aufeinandertreffen.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe
gelöst
durch ein Steuergerät
nach Anspruch 5.
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Bei
diesem Steuergerät
verlaufen die ausgangsseitigen Leitungsabschnitte der Endstufe derart,
dass in einem Normalbe trieb durch die Stromflüsse in den beiden Leitungsabschnitten
hervorgerufene Magnetflussanteile sich in einem den Leitungsabschnitten
benachbarten Raumbereich im Wesentlichen kompensieren. Wie bei dem
ersten Aspekt der Erfindung lässt
sich die im Normalbetrieb vorgesehene Kompensation der hervorgerufenen
Magnetflussanteile in einfacher Weise wieder durch eine geeignete
Geometrie der Anordnung sicherstellen. Wieder ist diese Kompensation
bzw. das Ausmaß dieser Kompensation
hierbei unabhängig
von dem Absolutwert des über
die Leitungsabschnitte fließenden Stroms.
Durch eine geeignet symmetrische Gestaltung der Leitungsabschnitte
sowie deren gegenseitiger Anordnung lässt sich beispielsweise erreichen, dass
die beiden Magnetflussanteile an einem bestimmten Ort eine entgegengesetzte
Orientierung besitzen und sich gegenseitig im Wesentlichen oder vollständig auslöschen. Zur
Detektion von Betriebsfehlern der eingangs genannten Art ist gemäß des zweiten
Erfindungsaspekts eine vom Magnetfluss in dem Raumbereich durchsetzte
Detektionsspulenanordnung vorgesehen, so dass ähnlich wie bei dem ersten Erfindungsaspekt
durch eine Auswertung der induzierten Spannung wieder derjenige
Fall als Betriebsfehler erfasst werden kann, in welchem ein mehr
oder weniger großer "Fehlstrom" fließt.
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Die
gemäß der Erfindung
zur Erkennung eines Fehlerfalls vorgesehenen Maßnahmen sind in der Praxis
besonders zuverlässig
und lassen sich in einfacher und robuster Weise realisieren. Besonders anspruchsvolle
elektrische Leistungseigenschaften des Steuergeräts bzw. der darin enthaltenen
Endstufe stehen dem nicht entgegen. So ist die Anwendung der Erfindung
insbesondere für
Endstufen interessant, bei welchen bei der Bestromung des Verbrauchers
betriebsmäßig wenigstens
zeitweise eine vergleichsweise hohe Spannung (z. B. größer als
100 V) erzeugt wird und/oder ein vergleichsweise hoher Strom (z.
B. größer als
2 A) erzeugt wird und/oder eine vergleichsweise hohe Taktfrequenz
der Bestromung (z. B. größer als
10 kHz) vorgesehen ist.
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Eine
bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Steuergeräts besteht
daher insbesondere für
die getaktete Bestromung von Kraftstoffinjektoren, bei denen ein
Kraftstoffeinspritzventil durch Laden und Entladen eines Piezoaktors
betätigt wird.
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In
einer Ausführungsform,
die insbesondere für
die Ansteuerung einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren einer Brennkraftmaschine
von besonderem Interesse ist, ist wenigstens einer der beiden Leitungsabschnitte über eine
Auswahlschalteranordnung wahlweise mit einer von mehreren externen Leitungen
verbindbar. Vorteilhaft kann der betreffende Leitungsabschnitt,
der über
die Auswahlschalteranordnung mit der Mehrzahl von externen Leitungen verbunden
ist, im Rahmen der erfindungsgemäßen Fehlererfassung
gemeinsam für
die entsprechende Mehrzahl von Verbrauchern (= Aktoren) genutzt
werden.
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In
einer Ausführungsform
sind die beiden Leitungsabschnitte symmetrisch zueinander ausgebildet.
Falls. ein Magnetflussteil vorgesehen ist, so können die Leitungsabschnitte
beispielsweise in der Nähe
dieses Magnetflussteils beiderseits einer zwischen den Leitungsabschnitten
verlaufenden Symmetrieebene parallel zueinander verlaufen (insbesondere
geradlinig). Um in diesem Fall die gewünschte Kompensation der im
Magnetflussteil hervorgerufenen Magnetflussanteile zu gewährleisten, kann
beispielsweise vorgesehen sein, dass diese Symmetrieebene eine Symmetrie
des Magnetflussteils definiert. Die symmetrische Ausbildung der
Leitungsabschnitte ist jedoch auch dann vorteilhaft im Hinblick
auf die im Normalbetrieb gewünschte
Kompensation nutzbar, wenn kein Magnetflussteil eingesetzt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die beiden Leitungsabschnitte als Leiterbahnen,
insbesondere parallel verlaufende Leiterbahnen, einer Schaltungsplatte
ausgebildet sind. Diese Leiterbahnen können in ein und derselben Leiterbahnebene "nebeneinander" verlaufen. Falls
die Schaltungsplatte mehrere Leitungsebenen besitzt, so können die
Leiterbahnen alternativ oder zusätzlich auch
in verschiedenen Leiterbahnebenen "übereinander" verlaufen.
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Die
für den
Normalbetrieb gewünschte
Kompensation der Magnetflussanteile lässt sich am einfachsten durch
eine entsprechende Symmetrie der Leitungsabschnitte sowie deren
Anordnung bezüglich
des Raumbereichs bzw. des Magnetflussteils (falls vorhanden) realisieren.
In dieser Hinsicht ist bei der oben erwähnten Ausbildung der Leitungsabschnitte
als Leiterbahnen einer Schaltungsplatte in einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, dass die Anordnung der Leiterbahnen ein hohes Maß an Symmetrie
aufweist. Wenn z. B. eine Schaltungsplatte mit mehreren Leitungsebenen
verwendet wird, so können
in verschiedenen Leitungsebenen verlaufende Leitungsabschnitte,
z. B. symmetrisch bezüglich
einer Mittelebene der Schaltungsplatte angeordnet werden. Beispielsweise
kann einer der Leitungsabschnitte an der obersten Leitungsebene
ausgebildet sein, wohingegen der andere Leitungsabschnitt an der
untersten Leitungsebene ausgebildet ist.
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Falls
kein Magnetflussteil vorgesehen ist, so ist eine Ausführungsform
mit gekrümmt
und/oder abgewinkelt verlaufenden Leitungsabschnitten von Vorteil.
Damit kann nämlich
in an sich bekannter Weise das von jedem Leitungsabschnitt erzeugte
Magnetfeld im Raumbereich besser "konzentriert" werden. Beispielsweise können die
Leitungsabschnitte jeweils einen etwa U-förmigen Verlauf besitzen. Im
Hinblick auf die im Normalbe trieb gewünschte Kompensation ist z.
B. eine Ausführung
mit deckungsgleich übereinander
verlaufenden Leitungsabschnitten günstig. Wenn sowohl die Leitungsabschnitte
als auch wenigstens eine Detektionsspule als Leiterbahnen einer
mehrlagigen Schaltungsplatte ausgebildet sind, so ist es von Vorteil,
die Detektionsspulenleiterbahn im Inneren der Schaltungsplatte vorzusehen und
beiderseits durch die Leiterbahnen der Leitungsabschnitte mehr oder
weniger "abzudecken". Damit können die
Leitungsabschnitte z. B. als Abschirmung der Detektionsspule vor
Störfeldern
wirken.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektionsspulenanordnung wenigstens
eine Detektionsspule umfasst, die von einer Leiterbahn einer Schaltungsplatte
gebildet ist. Dies führt
insbesondere dann zu einer besonders einfachen und kompakten Konstruktion,
wenn auch die Leitungsabschnitte als Leiterbahnen dieser Schaltungsplatte
ausgebildet sind. Auch kann ein ein- oder mehrteiliges Magnetflussteil
(falls vorhanden) in einfacher Weise an dieser Schaltungsplatte befestigt
werden.
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In
einer Ausführungsform
ist beispielsweise eine vier Leitungsebenen aufweisende Schaltungsplatte
vorgesehen, bei welcher an der obersten sowie der untersten Leitungsebene
jeweils eine Leiterbahn-Detektionsspule ausgebildet ist, wohingegen die
mittleren, im Inneren der Schaltungsplatte befindlichen Leitungsebenen
zur Ausbildung der beiden Leiterabschnitte verwendet sind. Ein die
beiden Leitungsabschnitte umgebend im Wesentlichen ringförmig geschlossen
ausgebildetes Magnetflussteil kann dann z. B. aus zwei Ringhälften bestehen,
die an den entgegengesetzten Flachseiten der Schaltungsplatte befestigt
(z. B. aufgeklebt) sind, wobei die beiden Induktionsspulen jeweils
spiralig einen Abschnitt des Magnetflussteils umgeben.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Auswertung der induzierten Spannung eine Spannungsmessung
eines Spannungsabfalls an einem Widerstandselement umfasst, welches
in Reihe zu einer Detektionsspule der Detektionsspulenanordnung
geschaltet ist.
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Falls
die Auswertung der induzierten Spannung einen Betriebsfehler anzeigt,
so kann beispielsweise vorgesehen sein, dass dies signalisiert wird,
in einer elektronischen Diagnosespeichereinrichtung registriert
wird und/oder die Endstufe in einen Sicherheitsmodus gebracht wird,
insbesondere z. B. ganz abgeschaltet wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 ist
ein Blockschaltbild einiger Komponenten in einem Steuergerät, welche
zur Detektion von Betriebsfehlern eingesetzt werden,
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2 ist
eine beispielhafte Darstellung des zeitlichen Verlaufs von elektrischen
Strömen
bei dem Steuergerät,
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einiger Komponenten eines Steuergeräts gemäß einer weiteren
Ausführungsform,
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4 ist
eine Schnittansicht einiger Komponenten eines Steuergeräts gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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5 ist
ein Schaltbild eines Steuergeräts gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einiger Komponenten einer Detektionsanordnung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
und
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7 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie VII-VII in 6.
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1 veranschaulicht
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Anordnung zur Erkennung
von Betriebsfehlern bei einem Steuergerät zum Betrieb wenigstens eines
Kraftstoffinjektors, wobei das Steuergerät eine ausgangsseitig mit einem
ersten Leitungsabschnitt 12 und einem zweiten Leitungsabschnitt 14 versehene
Endstufe zur getakteten Bestromung eines über ein externes Leitungspaar 16, 18 mit
den beiden Leitungsabschnitten 12, 14 der Endstufe
verbundenen elektrischen Aktors (z. B. Piezoaktor) umfasst.
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Die
in 1 nicht dargestellte Endstufe des Steuergeräts bewirkt
beim Ansteuern des Kraftstoffinjektors einen über die beiden Leitungsabschnitte 12, 14 und
die damit verbundenen externen Leitungen 16, 18 fließenden Strom.
Die vorzeichenbehaftete Summe der beiden in 1 mit Ip1
und Ip2 bezeichneten Ströme
ist in einem Normalbetrieb hierbei Null. Beispielsweise führt ein über den
Leitungsabschnitt 12 und die erste Leitung 16 fließender "Hinstrom" Ip1 zu einem entgegengesetzten,
jedoch betragsmäßig gleichen "Rückstrom" Ip2 (Ip2 = –Ip1).
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Die
beiden Leitungsabschnitte 12, 14 sind derart ausgebildet
und in der Nähe
eines Magnetflussteils (z. B. Ferrit-Stab oder -Ring) 20 angeordnet, dass
in diesem Normalbetrieb die durch die gegengleichen Stromflüsse Ip1,
Ip2 hervorgerufenen Magnetflussanteile im Magnetflussteil 20 sich
gegenseitig im Wesentlichen auslöschen.
Die Erzeugung jeweils eines Magnetflussanteils durch die in den
Abschnitten 12, 14 fließenden Ströme ist in der Figur durch entsprechende
Pfeile symbolisiert.
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Der
als Summe dieser Magnetflussteile sich ergebende Gesamtmagnetfluss
im Magnetflussteil 20 ist dementsprechend normalerweise
Null.
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Falls
jedoch ein Fehlerfall im Bereich der externen Leitungen 16, 18 auftritt,
der dazu führt,
dass die Summe der beiden Ströme
Ip1 und Ip2 nicht mehr Null ist, wie dies beispielsweise durch einen
Kriechstrompfad oder Kurzschluss einer der Leitungen zu einem externen,
als Stromquelle oder Stromsenke wirkenden externen Teil hervorgerufen
werden kann, so wird dies von der Anordnung 10 erkannt.
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Zur
Detektion solcher Betriebsfehler ist eine vom Magnetfluss des Magnetflussteils 20 durchsetzte
Detektionsspulenanordnung 22 vorgesehen, in welcher im
Fehlerfall eine nennenswerte Spannung induziert wird. Diese Induktion
ist in der Figur durch eine entsprechenden Pfeil zwischen dem Magnetflussteil 20 und
der Spulenanordnung 22 symbolisiert. Die Erkennung des
Betriebsfehlers basiert hierbei auf einer Auswertung der induzierten
Spannung durch eine mit der Spulenanordnung 22 verbundene Auswerteeinrichtung 24.
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2 zeigt
in ihrem linken Teil ein Beispiel für den Verlauf eines gepulsten "Hinstroms" Ip1, des daraus
resultierenden gegengleichen "Rückstroms" Ip2 sowie der Summe
Ip1 + Ip2 in Abhängigkeit
von der Zeit t. In diesem Normalbetrieb ist letztere Summe stets
Null. An der Detektionsspulenanordnung 22 wird folglich
keine Spannung induziert.
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Dies ändert sich
in einem Fehlerfall, bei welchem z. B. ein Teil des Hinstroms Ip1
von einer unerwünschten
externen Stromsenke aufgenommen wird und der Betrag des Rückstroms
Ip2 dementsprechend anteilig verringert ist. Dieser Fehlerfall ist
im rechten Teil der Figur dargestellt und führt dazu, dass die Summe Ip1
+ Ip2 nicht mehr stets Null ist, wie dies in der Figur rechts unten
dargestellt ist. Diese Summe hat einen pulsierenden zeitlichen Verlauf. Dementsprechend
wird auch der Magnetfluss im Magnetflussteil 20 pulsieren,
was wiederum dazu führt, dass
an der Detektionsspulenanordnung 22 eine entsprechende
Spannung induziert wird, die von der Auswerteeinrichtung 24 als
Indikator für
den Fehlerfall registriert wird.
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Für die praktische
Realisierung der Leitungsabschnitte 12, 14, des
Magnetflussteils 20, der Detektionsspulenanordnung 22 sowie
deren räumliche Anordnung
zueinander gibt es vielfältige
Möglichkeiten.
Nachfolgend werden mit Bezug auf die 3 und 4 zwei
Ausführungsbeispiele
erläutert,
bei welchen die vorstehend erwähnten
Komponenten vorteilhaft im Bereich einer Schaltungsplatte ausgebildet
sind, die in einem Steuergerät
als Schaltungsträger
beispielsweise der Endstufe ohnehin vorgesehen ist.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende
Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch
einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei
wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits
beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im Übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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3 zeigt
eine mehrlagige Schaltungsplatte 26a, bei welcher die zur
Bestromung des externen elektrischen Verbrauchers (Aktor) vorgesehenen
Leitungsabschnitte 12a und 14a jeweils als eine
Leiterbahn der Schaltungsplatte 26a ausgebildet sind. Auf der
in 3 ersichtlichen Flachseite der Schaltungsplatte 26a ist
ein U-förmiges
Magnetflussteil 20a aufgeklebt, dessen mittlerer Bereich
sich langgestreckt quer zu den Stromflussrichtungen (Ströme Ip1 und Ip2)
an dieser Flachseite die Leiterabschnitte 12a, 14a überspannend
erstreckt.
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Zur
Erfassung einer im Fehlerfall auftretenden Magnetflussvariation
im Magnetflussteil 20a ist eine Detektionsspule 22a vorgesehen,
die von dem an einem Ende des Magnetflussteils 20a austretenden
Magnetfluss durchsetzt wird und in diesem Beispiel ebenfalls als
Leiterbahn ausgebildet ist.
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Die
Enden der Leiterbahnspule 22a können mit einer geeigneten,
ebenfalls an der Schaltungsplatte 26a implementierten Auswerteschaltung
verbunden sein.
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Für eine besonders
genaue bzw. zuverlässige
Fehlerfallerfassung, ggf. mit einer Quantifizierung eines Fehlerstroms
im Rahmen der Auswertung, ist es von besonderem Vorteil, wenn die
durch die beiden Stromflüsse
Ip1 und Ip2 hervorgerufenen Magnetflussanteile sich weitgehend bis
vollständig
auslöschen.
Letzteres ist mit den in 3 gezeigten Komponenten allein
noch nicht der Fall. In einer Modifikation bzw. spezielleren Ausführungsform
wird das Ausmaß der
gegenseitigen Kompensation durch eine geeignete Symmetrie der Anordnung steigert.
Ein solches Ausführungsbeispiel
veranschaulicht 4.
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4 zeigt
eine Schaltungsplatte 26b mit 4 Leitungsebenen, die symmetrisch
zu einer Mittelebene der Schaltungsplatte 26b angeordnet
sind, nämlich
zwei Außenleitungsebenen
an den Flachseiten sowie zwei Innenleitungsebenen innerhalb der Schaltungsplatte 26b.
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In
den beiden Innenlagen werden die Leitungsabschnitte (Hin- und Rückleitung) 12b, 14b zum
Verbraucher gerade, relativ breit und parallel zueinander durchgeführt. In
den beiden Außenlagen werden
symmetrisch mit vielen spiraligen Windungen versehene Detektionsspulen 22b-1 und 22b-2 ausgebildet,
die in Reihe zueinander geschaltet eine Detektionsspulenanordnung 22b ausbilden.
Ein Magnetflussteil 20b ist aus zwei Ringhälften 20b-1 und 20b-2 zusammengesetzt
und wieder an der Schaltungsplatte 26b die Leiterbahnabschnitte 12b, 14b überspannend
befestigt.
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Wie
es aus 4 ersichtlich ist, besitzt die Gesamtanordnung
eine Symmetrie, welche selbst unter Berücksichtigung gewisser unvermeidlicher
Dimensionierungstoleranzen in der Praxis zu einer nahezu vollständigen gegenseitigen
Auslöschung
der Magnetflussanteile im Magnetflussring 20b führt. Die gleich
großen
Stromflüsse
in den Leitungsabschnitten 12b, 14b führen zu
gleich großen
jedoch gegenläufigen
Magnetfeldern im Magnetflussteil 20b.
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Die
Enden der Reihenschaltung aus den Spulen 22b-1 und 22b-2 sind
wieder mit einer Auswerteschaltung verbunden.
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Da
bei dieser Ausführungsform
z. B. sehr einfache, ohnehin vorhandene Kupferbahnen auf der Primärseite des "Differenz strom-Übertragers" 12b, 14b, 20b, 22b verwendet
werden können,
lassen sich selbst bei hohen Effektivströmen die elektrischen Verluste
klein halten. Auf der Sekundärseite (Detektionsspulenanordnung)
entstehen normalerweise überhaupt
keine Verluste, da im Normalbetrieb auf der Sekundärseite überhaupt
kein Strom fließt. Selbst
im Fehlerfall entsteht nicht zwingend eine nennenswerte Verlustleistung.
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Je
nach gewählter "Transformationscharakteristik" kann eine sehr hohe
Empfindlichkeit für
externe Fehlerströme
erzielt werden, ohne deshalb im Normalbetrieb an Robustheit und
Verlustfreiheit zu verlieren. Es entstehen keine Fehler durch eine
prinzipiell für
die gewünschte
Fehlererkennung denkbare Strommessung und nachfolgende analoge Differenzbildung
in einer Auswerteschaltung. Verstärkende oder empfindliche Auswerteschaltungen
sind bei dieser hier beschriebenen "magnetischen Differenzbildung" entbehrlich. Die
Erkennung kann sehr rasch bewerkstelligt werden, was für viele
Anwendungsfälle
ein großer
Vorteil ist.
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Prinzipiell
können
die zur Erkennung eines Fehlerfalls verwendeten Komponenten auch
durch diskrete Bauteile realisiert werden. Die in den 3 und 4 veranschaulichten
konstruktiven Lösungen
sind jedoch mit erheblich niedrigeren Kosten und besonders geringen
elektrischen Verlusten verbunden. In diesem Zusammenhang ist zu
betonen, dass die Primärseite
des "Fehlstrom-Übertragers" ohne Einschränkung für die Funktion
von relativ hohen Strömen
durchflossen werden kann bzw. hohe und/oder stark variierende Spannungen
zwischen den beiden Leitungsabschnitten vorliegen können. Bei
der dargestellten Gestaltung sind keine zusätzlichen Lötstellen erforderlich. Durch
den Einsatz einer mehrlagigen Schaltungsplatte wie in 4 gezeigt lässt sich
ein mechanisch symmetrischer Aufbau realisieren, bei welchem die
primären
Leitungen deckungs gleich innen und die sekundären Sensierungsleitungen ebenfalls
deckungsgleich außen
angeordnet sind, was die Erfassungscharakteristik entscheidend verbessert.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnten die
Funktionen der Innenlagen und Außenlagen auch vertauscht sein.
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5 veranschaulicht
nochmals in einem elektrischen Schaltbild die Funktion der erfindungsgemäßen Fehlerfallerkennung
am Beispiel eines Steuergeräts
zum Betrieb einer Mehrzahl von Kraftstoffinjektoren für die Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs.
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Eine
dargestellte Endstufe E arbeitet ähnlich der Lade- und Entladevorrichtung,
wie sie z. B. aus der eingangs erwähnten
DE 103 03 779 A1 bekannt ist.
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Die
Endstufe E umfasst in an sich bekannter Weise eine Reihenschaltung
aus einem Ladeschalter M1 und einem Entladeschalter M2, die jeweils
als steuerbarer Feldeffekttransistor ausgebildet sind.
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Diese
Reihenschaltung ist mit einer Betriebsspannung beaufschlagt, die
durch Versorgungspotentiale Ub und GND beispielsweise am Ausgang
eines DC/DC-Wandlers der Fahrzeugelektronik definiert wird (z. B.
Ub = 200 V, GND = 0 V). Entsprechende Ansteuersignale s1 und s2
für diese
Schalter M1 und M2 werden hierbei durch eine Steuereinheit ST erzeugt
und an die Steuereingänge
(Gates) der Schalter geführt.
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Ein
Mittelabgriff der Reihenschaltung aus M1 und M2 ist in dargestellter
Weise über
eine Drossel L1 und einen Kondensator C6 und weiter über einen Leitungsabschnitt 14c mit
einer externen, zu einem Piezoaktor Cp eines Injektors führenden
Leitung 18c verbunden. Aufgrund der durch das Schalten
der Transistoren M1, M2 an der Leitung 18c hervorgerufenen
Potentialvariation wird diese Leitung üblicherweise auch als "hot side" bezeichnet, wohingegen eine
zweite, ebenfalls mit dem Piezoaktor Cp verbundene Leitung 16c eine "Masseleitung" darstellt, die über einen
so genannten Auswahlschalter M6 und einen Leitungsabschnitt 12c mit
der elektrischen Masse GND verbunden ist.
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Der
Einfachheit der Darstellung halber ist in 5 lediglich
ein Piezoaktor Cp eingezeichnet. Tatsächlich sind über eine
Auswahlschalteranordnung, die aus dem Auswahlschalter M6 sowie weiteren Auswahlschaltern
M3, M4 und M5 besteht, weitere Piezoaktoren anderer Injektoren mit
dem Masse-Leitungsabschnitt 12c verbunden.
Die Steuereinheit ST erzeugt auch für diese als Feldeffekttransistoren
ausgebildeten Schalter M3 bis M6 entsprechende Ansteuersignale s3
bis s6, wodurch zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils einer der
Piezoaktoren für
einen Lade- bzw. Entladevorgang ausgewählt werden kann. Im dargestellten
Beispiel ist die Leitung 18c ("hot side") für
all diese Piezoaktoren gemeinsam genutzt.
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Mittels
der Endstufe E erfolgt im Betrieb des Steuergeräts eine getaktete Bestromung
des jeweils ausgewählten
Piezoaktors Cp, wobei über
die beiden Leitungsabschnitte 12c, 14c bzw. die
beiden externen Leitungen 16c, 18c elektrische
Ströme
Ip1 bzw. Ip2 fließen,
die betragsmäßig gleich
groß sind,
jedoch in entgegengesetzter Richtung fließen (Ip2 = –Ip1).
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Die
beiden Leitungsabschnitte 12c, 14c sind in der
Nähe eines
Ferrit-Kerns 20c derart angeordnet, dass in diesem Normalbetrieb
durch die Stromflüsse
in den beiden Leitungsabschnitten 12c, 14c hervorgerufene
Magnetflussanteile sich im Wesentlichen kompensieren. Diese Leitungsabschnitte 12c, 14c sind
in 5 als Spulen symbolisiert. Dies dient der Veranschauli chung
ihrer Funktion zur Beaufschlagung des Ferrit-Kerns 20c mit
entsprechenden Magnetfeldanteilen. Im einfachsten Fall sind diese Leitungsabschnitte 12c, 14c jedoch
als einfache, z. B. geradlinig parallel zueinander verlaufende Leitungsabschnitte
ausgebildet, wie dies oben mit Bezug auf die 3 und 4 bereits
beschrieben wurde. Dies stellt auch die bevorzugte Ausführung dieser
Leitungsabschnitte dar. Es ist jedoch keineswegs ausgeschlossen,
dass diese Leitungsabschnitte 12c, 14c der Darstellung
in 5 entsprechend tatsächlich als um ein Magnetflussteil
(Ferrit-Kern) gewundene Leitungsabschnitte bzw. Spulen ausgebildet
werden. Wesentlich ist lediglich, dass im Normalbetrieb die dadurch
hervorgerufenen Magnetflussanteile im Magnetflussteil 22c sich
im Wesentlichen kompensieren. In diesem Fall ist die in einer Detektionsspule 22c induzierte
Spannung im Wesentlichen Null.
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In
einem Fehlerfall, bei welchem die Beträge der Ströme Ip1 und Ip2 signifikant
voneinander abweichen, wird ein resultierender, pulsierender Magnetfluss
im Ferrit-Kern 22c und folglich eine Induktionsspannung
an der Spule 22c entstehen (die z. B. um den Ferrit-Kern 22c gewickelt
ist). Auf Basis einer Auswertung dieser induzierten Spannung erfolgt dann
in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit 24c die Erkennung
des Fehlerfalls, der z. B. zu einer Abschaltung der Endstufe E im
Steuergerät
führt.
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Im
dargestellten Beispiel erfolgt die Auswertung der induzierten Spannung
durch Messung eines Spannungsabfalls an einem Widerstand R3, der
in Reihe zu der Detektionsspule 22c geschaltet ist.
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Die 6 und 7 sind
den 3 und 4 entsprechende Ansichten einer
weiteren Ausführungsform
einer Fehlererkennungsanordnung 10d.
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Im
Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist hier auf ein
Magnetflussteil verzichtet. Dementsprechend wird durch eine Detektionsspulenanordnung 22d,
die hier aus zwei in Reihe geschalteten Detektionsspulen 22d-1 und 22d-2 besteht,
nicht ein in einem Magnetflussteil konzentrierter Magnetfluss erfasst
sondern die Überlagerung
der unmittelbar durch den Stromfluss in Leitungsabschnitten 12d, 14d erzeugten
Magnetfeldanteile in einem Raumbereich 21d.
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Der "Hinstrom" Ip1 fließt wie in 6 dargestellt
durch den U-förmig
an einer Flachseite einer Schaltungsplatte 26d ausgebildeten
Leitungsabschnitt 12d. Der betragsmäßig gleich große "Rückstrom" Ip2 fließt in dem deckungsgleich an
der Unterseite der Schaltungsplatte 26d angeordneten Leitungsabschnitt 14d (in
umgekehrter Richtung). Durch diese Leiterbahnanordnung wird von
jedem der Leitungsabschnitte 12d, 14d im Bereich
zwischen den U-Schenkeln ein Magnetflussanteil erzeugt, der im Wesentlichen
orthogonal zur Schaltungsplattenebene orientiert ist. Im Normalbetrieb
kompensieren sich die beiden Magnetflussanteile.
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Die
zur Fehlerfallerfassung vorgesehene Detektionsspulenanordnung 22d ist
durch deren Ausbildung im Inneren der Schaltungsplatte 26d durch
die darüber
und darunter angeordneten Leitungsabschnitte 12d, 14d vorteilhaft
gegen Störfelder
abgeschirmt.
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Zusammenfassend
betreffen die beschriebenen Beispiele ein Steuergerät zum Betrieb
wenigstens eines Kraftstoffinjektors, umfassend eine ausgangsseitig
mit einem ersten Leitungsabschnitt (12) und einem zweiten
Leitungsabschnitt (14) versehene Endstufe zur getakteten
Bestromung (Ip1, Ip2) eines über
ein externes Leitungspaar (16, 18) mit den beiden
Leitungsab schnitten (14, 16) verbindbaren elektrischen
Aktors (Verbraucher). Um eine zuverlässige Erkennung von Betriebsfehlern
zu vereinfachen, ist erfindungsgemäß eine Detektionsspulenanordnung (22)
zur Detektion von Betriebsfehlern auf Basis einer Auswertung (24)
einer an der Detektionsspulenanordnung induzierten Spannung vorgesehen,
wobei die Detektionsspulenanordnung (22) von einem Magnetfluss
durchsetzt wird, der sich aus Magnetflussanteilen zusammensetzt,
die durch die Stromflüsse (Ip1,
Ip2) in den beiden Leitungsabschnitten (14, 16) hervorgerufen
werden, und wobei in einem Normalbetrieb eine gegenseitige Kompensation
der Magnetflussanteile vorgesehen ist. Diese Maßnahmen sind in der Praxis
besonders zuverlässig
und lassen sich in einfacher und robuster Weise realisieren.