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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Steuerung der Versorgung
elektrischer Energieverbraucher in einem Energieversorgungsnetz, wie
z. B. in einem Bordnetz eines Fahrzeugs, mit Energie aus mindestens
einem Energiespeicher mit einer Recheneinheit, einer Überwachungseinheit
zur Überwachung
der von dem mindestens einen Energiespeicher an das Energieversorgungsnetz
bereitgestellten Netzspannung derart, dass bei Unterschreiten einer
definierten Mindestspannung des Energieversorgungsnetzes ein Unterspannungssignal generiert
wird, und einem Energiehaltungsmittel zur Erhöhung der Netzspannung bei Unterschreitung
der Netz-Mindestspannung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren, mit dem ein Energieversorgungsnetz, insbesondere
ein Bordnetz für
ein Fahrzeug vor Unterspannungen geschützt wird.
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Das
Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, besteht
im Grundsatz aus einem Energiespeicher (Batterie, Akkumulator) und Energieverbrauchern.
Mit Hilfe der Energie aus der Batterie wird der Fahrzeugmotor über den
Starter (Verbraucher) gestartet und die weiteren Energieverbraucher
mit Energie versorgt.
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Während des
Startvorganges wird die Batterie mit hohen Strömen (üblich sind 300 bis 500 A bei Kraftfahrzeugen)
belastet. Die Belastung ist bei Dieselfahrzeugen und bei Temperaturen
unterhalb des Gefrierpunktes besonders groß. Der damit verbundene Spannungseinbruch
(Unterspannung) wirkt sich nachteilig auf bestimmte Energieverbraucher
aus (zum Beispiel Geräte
mit Mikrocontrollern) und sollte so gering wie möglich sein. Der Spannungseinbruch kann
zu einem nicht beabsichtigten Reset (Neustart) empfindlicher Geräte führen. Ein
unbeabsichtigter Reset kann die ordnungsgemäße Funktion solcher Geräte beeinträchtigen
und die Geräte
im schlimmsten Fall zur vorübergehenden
Unbrauchbarkeit des Gerätes
führen,
die sich nur durch Trennen des Gerätes von der Batteriespannung
beseitigen lässt.
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In
modernen Bordnetzen werden zunehmend empfindliche Geräte mit Halbleiterschaltungen verwendet.
Aus diesem Grunde ist es erforderlich, Spannungseinbrüche zu vermeiden
oder zu kompensieren.
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Eine
Möglichkeit
besteht darin, so genannte Zwei-Batterien-Bordnetze einzusetzen.
Bei dieser Bordnetzausführung
werden zwei Batterien (ein Startspeicher und eine Versorgungsbatterie)
verwendet, um die Batteriefunktionen „Bereitstellung hoher Leistung
für den
Startvorgang" und „Versorgung
des Bordnetzes" zu
trennen. Zwei-Batterien-Bordnetze weisen
jedoch Nachteile auf. Zum einen müssen zwei Batterien bereitgestellt
werden. Eine zusätzliche Batterie
führt zu
höheren
Kosten und einem erhöhten Platz-
und Gewichtsbedarf in dem Fahrzeug. Zum anderen ist ein Bordnetz-Steuergerät erforderlich, das
den Startspeicher und den Starter vom übrigen Bordnetz trennt und
verhindert, dass sich der vom Startvorgang verursachte Spannungseinbruch
im Bordnetz auswirkt. Das Bordnetz-Steuergerät führt zu höheren Kosten und einem nicht
unerheblichen Konstruktionsaufwand.
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Eine
weitere Möglichkeit,
Spannungseinbrüchen
entgegenzuwirken, besteht in der Verwendung einer Diode, eines Kondensators
und eines Komparators. Diese Bauteile werden so in das Bordnetz
eingefügt,
dass der Kondensator von dem Energiespeicher über die Diode aufgeladen wird.
Der Komparator überwacht
die Spannung des Energiespeichers mit einer definierten Mindestspannung
(Schwellwertspannung). Wenn die überwachte
Spannung die Schwellwertspannung unterschreitet, werden zumindest
einige Energieverbraucher abgeschaltet und Energie von dem Kondensator
an die übrigen
Energieverbraucher abgegeben. Diese Schaltungsanordnung weist jedoch
Nachteile auf. Die Schaltungsanordnung ist störanfällig. Der Kondensator muss
zudem eine große
Kapazität
besitzen. Kondensatoren mit hohen Kapazitäten benötigen einen hohen Platzbedarf,
der bei zunehmendem Umfang der Bordnetze nicht verfügbar ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Schaltungsanordnung
zur Steuerung der Versorgung elektrischer Energieverbraucher in
einem Energieversorgungsnetz, insbesondere in einem Bordnetz eines
Fahrzeugs, und Schutz vor Unterspannungen bereitzustellen. Ferner ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches, störungsunanfälliges und
kostengünstiges
Verfahren zum Schutz eines Bordnetzes vor Unterspannungen bereitzustellen.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Es
wird vorgeschlagen, eine Unterspannungsschutzeinheit mit Schaltmitteln
vorzusehen, die mit der Überwachungseinheit,
dem Energieerhaltungsmittel und dem Energieversorgungsnetz verbunden
und eingerichtet ist, bei vorliegendem Überwachungssignal die Netzspannung
des Energieversorgungsnetzes (Bordnetzspannung) zu erhöhen und
ansonsten, solange die Netzspannung die definierte Mindestspannung
des Energieversorgungsnetzes nicht unterschreitet, keine Ladung
an das Energieversorgungsnetz und/oder den mindestens einen Energiespeicher
abgibt.
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Mit
Hilfe der Unterspannungsschutzeinheit wird somit eine Entladung
des Energieerhaltungsmittels im Normalbetrieb verhindert, so dass
das Energieerhaltungsmittel entweder vollkommen deaktiviert ist
oder für
den Unterspannungsfall maximal möglich aufgeladen
wird. In Abhängigkeit
von dem Unterspannungssignal wird das Energieerhaltungsmittel im
Unterspannungsfall zur Erhöhung
der Netzspannung mindestens zur Versorgung der Recheneinheit und
gegebenenfalls weiterer sicherheitskritischer Energieverbraucher
mit diesen verbunden, wobei durch die Unterspannungsschutzeinheit
eine Rückladung des
Energiespeichers durch die Energieerhaltungsmittel verhindert wird.
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Die
Erfindung baut im Wesentlichen auf bekannte Bordnetze auf. Die Erweiterung
der bekannten Bordnetze um die besondere Unterspannungsschutzeinheit
ist ohne große
Eingriffe in deren Schaltungsanordnung möglich. Dies ist wirtschaftlich
sinnvoll, insbesondere weil Bordnetze weit verbreitet sind und in
großer
Zahl benötigt
werden.
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Die
Unterspannungsschutzeinheit gibt Energie nur dann an das übrige Bordnetz
ab, wenn diese auch benötigt
wird. Auf diese Weise werden Energieverluste in Phasen, in denen
der Energiespeicher ausreichend Energie zur Versorgung des Bordnetzes liefern
kann, weitestgehend vermieden. Phasen, in denen die Unterspannungsschutzeinheit
auf das Bordnetz einwirkt, stellen Störungen des normalen Betriebes
des Bordnetzes dar. Eine Reduzierung des Einwirkens des Unterspannungsschutzmittels
auf das Bordnetz führt
somit zu einer höheren
Stabilität des
Bordnetzes. Zudem wird die Beanspruchung der Unterspannungsschutzeinheit
reduziert und dadurch dessen Lebensdauer erhöht.
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Hinsichtlich
der Unterspannungsschutzeinheit sei darauf hingewiesen, dass nicht
oder nur unter unverhältnismäßig großem Aufwand
zu vermeidende Energieverluste nicht als Energieabgabe im Sinne der
Erfindung gelten.
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Das
Bordnetz kann durch eine Unterspannungsschutzeinheit ausgeführt sein,
die eine erste Diode, einen Kondensator und einen ersten Schalter aufweist.
Der Kondensator und die erste Diode sind in dem Bordnetz derart
angeordnet, dass der Kondensator durch den Energiespeicher über die
erste Diode aufladbar ist und eine Entladung des Kondensators in
den Energiespeicher im Fall, dass die Spannung des Kondensators
durch einen Spannungsabfall am Energiespeicher höher als die Spannung des Energiespeichers
ist, durch die Sperrwirkung der Diode verhindert wird.
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Diese
Ausgestaltung der Unterspannungsschutzeinheit ist besonders einfach
und lässt
sich bei einer Vielzahl bekannter Bordnetze realisieren, ohne in
die bereits vorhandenen Komponenten eingreifen zu müssen. Die
erste Diode dient dabei dem Zweck, eine Entladung des Kondensators
in Richtung auf den Energiespeicher zu verhindern, wenn die Spannung
des Energiespeichers unter die Spannung des Kondensators fällt. Der
erste Schalter wird verwendet, um eine Entladung des Kondensators
in Phasen zu vermeiden, in denen die Spannung des Energiespeichers
abfällt,
eine Unterspannungsschutzmaßnahme
jedoch noch nicht erforderlich ist, um das ordnungsgemäße Funktionieren
des Bordnetzes zu gewährleisten.
Im Unterschied zu bekannten Unterspannungsschutzgeräten, die
Kondensatoren verwenden, folgt die Spannung des Kondensators nicht der
Spannung des Energiespeichers, sondern behält seine bereits erreichte
Spannung bei, bis die Unterspannungsschutzeinheit aktiviert wird.
Auf diese Weise ist es möglich,
Kondensatoren mit erheblich geringeren Kapazitäten als bisher zu verwenden.
Die Größe eines
Kondensators hängt
wesentlich von dessen Kapazität
ab, so dass die Unterspannungsschutzeinheit in dem erfindungsgemäßen Bordnetz
mit erheblich kleineren Kondensatoren auskommt. Dies ist im Hinblick
auf den zunehmenden Einsatz elektronischer Schaltungen in Bordnetzen
besonders vorteilhaft.
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Zweckmäßig werden
die Recheneinheit und gegebenenfalls weitere Energieverbraucher
durch den Energiespeicher über
eine zweite Diode mit Energie versorgt. Auf diese Weise wird verhindert,
dass der Kondensator in einem Unterspannungsfall, das heißt in einer
Phase, in der die Unterspannungsschutzeinheit Energie an das Bordnetz
liefert, über den
Energiespeicher oder unerwünschter
Energieverbraucher entladen wird. Die in dem Kondensator gespeicherte
Energie steht somit vollständig
der Recheneinheit zur Verfügung.
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Eine
einfache Anordnung der vorstehend beschriebenen Unterspannungsschutzeinheit
mit der zusätzlichen
zweiten Diode besteht darin, dass die erste Diode mit dem ersten
Schalter in Reihe geschaltet ist, und dass die erste Diode und der
erste Schalter parallel zu der zweiten Diode geschaltet sind. Zweckmäßig wird
die eine Elektrode des Kondensators zwischen die erste Diode und
dem ersten Schalter und die andere Elektrode des Kondensators auf
Masse gelegt. Diese Anordnung zeichnet sich insbesondere durch ihre
Einfachheit, ihre universelle Einsetzbarkeit und ihre geringen Kosten
aus.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der vorstehenden Schaltungsanordnung
wird dadurch erreicht, dass ein zweiter Schalter parallel zu der
zweiten Diode geschaltet ist, und dass der erste Schalter und der zweite
Schalter invers zueinander schaltbar sind. Durch diese Erweiterung
kann die zweite Diode in Phasen, in denen die Energieversorgung
des Bordnetzes durch den Energiespeicher gewährleistet ist, durch den zweiten
Schalter überbrückt werden.
So lässt
sich der Energiebedarf des Bordnetzes reduzieren. Die inverse Schaltung
des ersten und des zweiten Schalters, das heißt, der erste Schalter ist
geschlossen, wenn der zweite Schalter geöffnet ist und umgekehrt, lässt sich
durch einen Inverter realisieren. Der Inverter wird dabei zweckmäßig zwischen diejenigen
Eingänge
der Schalter angeordnet, über die
die Schalter geschaltet werden (Schalteingänge).
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Eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besteht darin, dass die Unterspannungsschutzeinheit einen Step-Up-Regler
(auch Hochsetzsteller, Boost-Converter, Step-Up-Converter oder Aufwärtswandler
genannt) und eine Drossel (Induktivität) aufweist. Eine Drossel ist
bei einer Vielzahl von Schaltungen bereits aus Gründen der
Bordnetz-Störunterdrückung vorhanden
und kann für
die Unterspannungsschutzeinheit verwendet werden. Die Unterspannungsschutzeinheit
gemäß dieser
Ausführungsform
eignet sich für
Bordnetze, bei denen sichergestellt ist, dass die Spannung des Energiespeichers
nicht unter eine bestimmte Mindestspannung (beispielsweise 3 V)
abfallen kann. Der Step-Up-Regler erzeugt zusammen mit der Drossel
aus der Mindestspannung oder einer größeren Spannung eine höhere Spannung,
die zur Aufrechterhaltung der Funktionstüchtigkeit des Bordnetzes erforderlich
ist, insbesondere zur Energieversorgung der Recheneinheit. Der Step-Up-Regler
wird so angesteuert, dass er nur in Phasen aktiviert ist, wenn die
Spannung des Energiespeichers die definierte Mindestspannung (Schwellwertspannung)
unterschreitet. In den anderen Phasen ist der Step-Up-Regler nicht
aktiviert und benötigt
keine oder nur eine geringe Energieversorgung.
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Zweckmäßig ist
ein Energieverbraucher (oder auch mehrere Energieverbraucher), der
nicht notwendig gebraucht wird, abschaltbar, wenn der Energiespeicher
die definierte Mindestspannung unterschreitet. Auf diese Weise steht
die von der Unterspannungsschutzeinheit bereitgestellte Energie
nahezu vollständig
für die
notwendigen Komponenten, insbesondere der Recheneinheit, zur Verfügung. Dadurch
lassen sich zum einen die Zeiten verlängern, in denen eine Notversorgung
durch die Unterspannungsschutzeinheit erforderlich ist. Zum anderen können auch
größere Spannungseinbrüche kompensiert
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Recheneinheit und/oder der externe Energieverbraucher über ein
Schaltnetzteil und/oder einen Linearregler mit Spannung versorgbar.
Selbstverständlich können auch
mehrere Schaltnetzteile und/oder Linearregler eingesetzt werden.
Das Schaltnetzteil und der Linearregler werden von dem Energiespeicher mit
Energie versorgt und stellen sehr stabile Spannungen für den Rechnerkern
und andere Energieverbraucher bereit. Zweckmäßig weisen das Schaltnetzteil
und der Linearregler so genannte Shut-Down-Eingänge auf, über die diese Geräte elektronisch
ein- und ausgeschaltet werden können. Auf
diese Weise lassen sich diese Geräte nach Bedarf beispielsweise
direkt über
die Überwachungseinheit
ansteuern und bei einem Spannungseinbruch unter die definierte Mindestspannung
abschalten und bei normaler Energieversorgung des Bordnetzes wieder
einschalten.
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Die
Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Unterspannungsschutz
eines Energieversorgungsnetzes, insbesondere eines Bordnetzes für ein Fahrzeug
gelöst,
wobei das Energieversorgungsnetz mindestens einen Energiespeicher
zur Versorgung des Energieversorgungsnetzes mit Energie, eine Recheneinheit,
mindestens einen Energieverbraucher, eine Überwachungseinheit zur Überwachung
des Energiespeichers derart, dass bei Unterschreiten einer definierten
Mindestspannung des Energiespeichers ein Signal an das Energieversorgungsnetz
abgebbar ist, und eine Unterspannungsschutzeinheit, die eingerichtet
ist, die Energieversorgungsnetzspannung zu erhöhen, wenn der Energiespeicher
die definierte Mindestspannung unterschreitet, und ansonsten keine
Ladung an das Energieversorgungsnetz abgibt, solange der Energiespeicher
die definierte Mindestspannung nicht unterschreitet. Das Verfahren
hat die Schritte:
- a) Überwachen der Spannung des
Energiespeichers;
- b) Vergleichen der überwachten
Spannung mit der vorbestimmten definierten Mindestspannung;
- c) Aktivieren der Unterspannungsschutzeinheit, wenn die überwachte
Spannung die definierten Mindestspannung unterschreitet; und
- d) Deaktivieren der Unterspannungsschutzeinheit, wenn die überwachte
Spannung die definierte Mindestspannung erreicht oder überschreitet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen
mit den beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 – Schaltung
eines Bordnetzes mit einem Unterspannungsschutzmittel gemäß dem Stand der
Technik;
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2 – eine Tabelle
mit drei beispielhaften zeitlichen Spannungsverläufen des Energiespeichers sowie
eine grafische Darstellung des zweiten Spannungsverlaufs;
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3 – Schaltung
einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bordnetzes;
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4 – Schaltung
einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bordnetzes;
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5 – grafische
Darstellung verschiedener zeitlicher Spannungsverläufe des
Energiespeichers;
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6 – Schaltung
einer dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bordnetzes.
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1 zeigt
ein Bordnetz 1 gemäß dem Stand
der Technik. Das Bordnetz 1 hat einen Energiespeicher 2 (beispielsweise
einen Akkumulator), eine interne Komponente 3 mit einem
Rechnerkern 4 (Recheneinheit) und einem internen Modul 5 und eine
externe Komponente 6 mit einem Energieverbraucher 7 (beispielsweise
ein CD-Laufwerk, CD = Compact Disc).
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Dem
Rechnerkern 4 stehen vier Spannungen 8, 9, 10, 11 (erste
bis vierte Spannung) ausschließlich
zur Verfügung.
Eine fünfte
Spannung 12 steht dem internen Modul 5 und dem
Energieverbraucher 7 gemeinsam zur Verfügung. Eine sechste Spannung 13 steht
dem Energieverbraucher 7 ausschließlich zur Verfügung.
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Die
ersten bis vierten Spannungen 8, 9, 10, 11 werden
wie folgt generiert: Der Energiespeicher 2 versorgt ein
erstes Schaltnetzteil 14 über eine Leitung 15 mit
Energie. In die Leitung 15 ist eine zweite Diode 16 eingesetzt.
Die Anode der zweiten Diode 16 ist mit dem Energiespeicher 2 und
die Kathode mit dem ersten Schaltnetzteil 14 elektrisch
verbunden. Das erste Schaltnetzteil 14 hat einen ersten
Regler 17 mit einem Shut-Down-Eingang 18. Der erste Regler 17 stellt
an seinem Ausgang die erste Spannung 8 bereit. Die erste
Spannung 8 wird einerseits dem Rechnerkern 4 bereitgestellt
und dient andererseits als Eingangsspannung für ein zweites Schaltnetzteil 19.
Das zweite Schaltnetzteil 19 hat zwei Regler 20, 21 (dritter
und vierter Regler) mit Shut-Down-Eingängen 22, 23.
Am Ausgang des dritten Reglers 20 wird dem Rechnerkern 4 die
zweite Spannung 9 und am Ausgang des vierten Reglers 21 die
dritte Spannung 10 bereitgestellt. Die vierte Spannung 11 ist
die Ausgangsspannung eines weiteren Linearreglers 24, an dessen
Eingang die erste Spannung 8 anliegt.
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Das
erste Schaltnetzteil 14 hat ferner einen zweiten Regler 25 mit
einen Shut-Down-Eingang 26, an
dessen Eingang im Wesentlichen (unter Vernachlässigung insbesondere der Spannungsabfälle über die
Leitung 15 und der zweiten Diode 16) die Spannung
des Energiespeichers 2 und an dessen Ausgang die fünfte Spannung 12 anliegt.
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Die
sechste Spannung 13 wird von einem Linearregler 27 mit
einem Shut-Down-Eingang 28 generiert, an dessen Eingang
im Wesentlichen die Spannung des Energiespeichers 2 anliegt.
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Der
Energiespeicher 2 ist über
eine Leitung 29 mit einem Spannungsteiler 30 verbunden.
Der Spannungsteiler 30 wird durch zwei Widerstände 31, 32 realisiert.
Der Abgriff am Spannungsteiler 30 erfolgt zwischen den
Widerständen 31, 32. Über die
Dimensionierung der Widerstände 31, 32 kann
eine Mindestspannung für
ein Überwachungsgerät 33 definiert
werden. Das Überwachungsgerät 33 ist
hier ein Komparator, der als Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker 34 ausgeführt ist.
Die Widerstände 31, 32 sind
so dimensioniert, dass der Komparator bei einer Mindestspannung
von 9,0 V schaltet.
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Von
der Leitung 15 führt
eine Leitung 35 zum Linearregler 27. Die Leitung 35 ist
mit der Leitung 15 auf der Kathodenseite der zweiten Diode 16 verbunden.
Die Leitung 35 ist mit der einen Elektrode eines Kondensators 36 verbunden.
Die andere Elektrode des Kondensators 36 liegt auf Masse.
Der Kondensator 36 stellt ein Unterspannungsschutzmittel
gemäß dem Stand
der Technik dar. Im vorliegenden Beispiel hat der Kondensator 36 eine
Kapazität
von 10000 μF.
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Wenn
der Energiespeicher 2 eine Spannung liefert, die größer als
die definierte Mindestspannung (hier 9,0 V) ist (Normalbetrieb),
wird der Kondensator 36 über die zweite Diode 16 aufgeladen.
Fällt die Spannung
des Energiespeichers 2 von einem zwischenzeitlich erreichten
Höchstwert
wieder derart ab, dass sich das Bordnetz 1 weiterhin im
Normalbetrieb befindet, folgt die Spannung des Kondensators 36 der
Spannung des Energiespeichers 2. Hierzu ist erforderlich,
dass der Kondensator 36 Ladung und folglich Energie an
das Schaltnetzteil 14 und den Linearregler 27 abgibt.
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Fällt die
Spannung des Energiespeichers 2 unter die definierte Mindestspannung
von 9,0 V (Unterspannungsfall), schaltet der Komparator 33 und gibt
an seinem Ausgang 37 ein definiertes Ausgangssignal aus,
das den Unterspannungsfall anzeigt. Das Ausgangssignal schaltet über eine
Leitung 38 den Linearregler 27 ab, so dass die
sechste Spannung 13 auf Null reduziert wird. Der Kondensator 36 kann
sich nun nicht mehr über
den Linearregler 27 entladen. Ist die Spannung des Kondensators 36 größer als
die Spannung des Energiespeichers 2 (beispielsweise 9,0
V des Kondensators 36 gegenüber 6,0 V des Energiespeichers 2),
kann sich der Kondensator 36 aufgrund der zweiten Diode 16 nicht über den
Energiespeicher 2 entladen, da die zweite Diode 16 in
dieser Richtung sperrt. Somit steht die Spannung des Kondensators 36 für das erste
Schaltnetzteil 14 zur Verfügung und kann für eine gewisse
Zeit dafür
sorgen, dass dem Rechnerkern 4 ausreichende Spannungen 8, 9, 10, 11, 12 bereitgestellt
werden.
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Die
Zeit zur Überbrückung des
Unterspannungsfalles kann zusätzlich
verlängert
werden. Hierzu ist der Ausgang 37 des Komparators 33 über eine Leitung 39 mit
dem Rechnerkern 4 verbunden. Der Rechnerkern 4 empfängt über die
Leitung 39 das Ausgangssignal des Komparators 33 und
schaltet über
eine externe Reset-Leitung 40 den externen Energieverbraucher 7 und über eine
interne Reset-Leitung 41 das interne Modul 5 ab,
so dass diese Geräte nunmehr
nahezu stromlos sind und über
den Regler 25 keine Energie aufnehmen. Somit steht die
Ladung des Kondensators 36 nahezu vollständig für die Spannungen 8, 9, 10, 11 zur
Verfügung.
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Es
ist aber zu erkennen, dass der Kondensator 36 bei Eintritt
des Unterspannungsfalles nur mit der definierten Mindestspannung,
hier also 9,0 V, zur Verfügung
steht, auch wenn er zuvor bereits auf eine höhere Spannung, beispielsweise
12,0 V, aufgeladen war.
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In 2 sind
in einer Tabelle drei beispielhafte zeitliche Spannungsverläufe (Impulsformen 4a, 4b, 4c)
der Spannung des Energiespeichers 2 gezeigt. Zudem ist
der Spannungsverlauf gemäß der Impulsform 4b grafisch
dargestellt. Die Spannungsverläufe
können
beispielsweise während
der Startphase eines Fahrzeugs auftreten. Die Spannungen U0, U1,
U2, U3, U4, U5 entsprechen den Spannungen zu den Zeitpunkten t0,
t1, t2, t3, t4, t5. Die Zeiten ta, tb, tc stellen Übergangszeiten
dar, die erforderlich sind, damit der Energiespeichers 2 auf
eine geänderte
Spannung reagieren kann.
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Es
ist zu erkennen, dass die Spannung des Energiespeichers 2 bei
der Impulsform 4b zunächst der
Nennspannung von 12,0 V (Spannungen U0, U1) entspricht (Zeitpunkte
t0, t1) und dann auf die Spannung 3,0 V (U2) abfällt. Daraufhin steigt die Spannung
auf 5,0 V (U3) und schließlich
wieder auf 12,0 V (U4, U5) an.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Bordnetzes 42.
Das Bordnetz 42 baut auf dem Bordnetz 1 gemäß dem Stand
der Technik auf, so dass sich gemeinsame Komponenten entsprechen.
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Das
Bordnetz 42 hat ein Unterspannungsschutzmittel 43 mit
einer ersten Diode 44, einem Kondensator 45 und
einem ersten Schalter 46. Die Anode der ersten Diode 44 ist
mit dem Energiespeicher 2, der Anode der zweiten Diode 16 und
dem Linearregler 27 über
eine Leitung 47 verbunden. Die Kathode der ersten Diode 44 ist
mit der einen Elektrode des Kondensators 45 und einem Eingang
des ersten Schalters 46 verbunden. Die andere Elektrode
des Kondensators 45 liegt auf Masse. Der Ausgang des ersten
Schalters 46 ist mit der Kathode der zweiten Diode 16 und
dem Schaltnetzteil 14 verbunden. Im Normalbetrieb ist der
erste Schalter 46 geöffnet,
so dass keine Ladung von dem Kondensator 45 über den
ersten Schalter 46 abfließen kann. Der Schalteingang
des ersten Schalters 46 ist mit dem Ausgang des Komparators 33 und
dem Shut-Down-Eingang 26 des Reglers 25 verbunden.
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Der
Kondensator 45 hat eine Kapazität von ca. 5000 μF. Der Komparator 33 ist
auf einen Schaltpunkt eingestellt, der dem Reset-Spannungswert des internen
Moduls 5 oder der Unterspannungsschwelle der externen Komponente 6 entspricht;
dieser liegt beispielsweise bei 5,0 V.
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Im
Normalbetrieb wird der Kondensator 45 von dem Energiespeicher 2 über die
erste Diode 44 aufgeladen, beispielsweise auf die Nennspannung des
Energiespeichers 2 von 12,0 V. Fällt die Spannung des Energiespeichers 2 innerhalb
des Normalbetriebes wieder ab, bleibt die Ladung des Kondensators 45 erhalten,
da die erste Diode 44 sperrt und der erste Schalter 46 geöffnet ist.
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Fällt die
Spannung des Energiespeichers 2 unter die definierte Mindestspannung
des Komparators 33 ab, schließt das Ausgangssignal des Komparators 33 den
ersten Schalter 46 über
dessen Schalteingang. Darüber
hinaus wird der Regler 25 über den Shut-Down-Eingang 26 von
dem Ausgangssignal, der Linearregler 27 über den
Shut-Down-Eingang 28, das interne Modul 5 über die
interne Reset-Leitung 41 und der Energieverbraucher 7 über die
externe Reset-Leitung 40 abgeschaltet. Die Ladung des Kondensators 45 steht über den
geschlossenen ersten Schalter 46 vollständig zur Aufrechterhaltung
der Spannungen 8, 9, 10, 11 zur
Verfügung,
da aufgrund der zweiten Diode 16 auch keine Ladung in Richtung auf
den Energiespeicher 2 abfließen kann. Zudem steht die im
Normalbetrieb maximal erreichte Ladung des Kondensators 45 und
nicht – wie
beim Stand der Technik – nur
Ladung zur Verfügung,
die der definierten Mindestspannung entspricht. Dadurch kommt das
erfindungsgemäße Bordnetz 42 mit
Kondensatoren aus, die erheblich geringere Kapazitäten und folglich
geringere Dimensionen aufweisen, als die Bordnetze 1 gemäß dem Stand
der Technik, um einen vergleichbaren Unterspannungsschutz zu gewährleisten.
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4 zeigt
das Bordnetz 42 aus 3, das um
einen zweiten Schalter 48, einen Inverter 49 und eine
Leitung 50 ergänzt
worden ist.
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Der
zweite Schalter 48 liegt parallel zu der zweiten Diode 16.
Im Normalbetrieb ist der zweite Schalter 48 geschlossen
und überbrückt die
zweite Diode 16, so dass durch diese kein Strom fließt und keine
Leistung abfällt.
Im Normalbetrieb ist der erste Schalter 46 geöffnet. Der
erste Schalter 46 und der zweite Schalter 48 schalten
somit invers zueinander. Die inverse Schaltung wird durch den Inverter 49 erreicht,
der die Schalteingänge
des ersten Schalters 46 und des zweiten Schalters 48 miteinander
verbindet.
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5 zeigt
die grafische Darstellung einiger zeitlicher Spannungsverläufe des
Energiespeichers 2 im Unterspannungsfall bei unterschiedlichen
Kapazitäten
des Kondensators 45 und unterschiedlichen Eingangsströmen IL des Schaltnetzteils 14.
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Die
dicke durchgehende Linie 51 zeigt den Spannungsverlauf
des Energiespeichers 2 ohne Unterspannungsschutzmittel 33.
Es ist zu erkennen, dass diese Spannung innerhalb von ca. 5 ms von
der Nennspannung 12,0 V auf nahezu 0 V abfällt.
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Bei
einer Reset-Spannung von beispielsweise 5,0 V oder 3,3 V wird ein
Neustart der internen Komponente 3 und/oder externen Komponente 6 durchgeführt. Dies
führt zu
Störungen
im Betrieb des Bordnetzes 1, 42. Mit einem Unterspannungsschutzmittel 33 können die
Zeiten, bei denen die Reset-Spannung erreicht wird, erheblich verlängert werden.
Beispielsweise beträgt
diese Zeit bei einer Reset-Spannung von 3,3 V, einer Kapazität des Kondensators 45 von
5000 μF
und einem Eingangsstrom IL von 150 mA ca.
300 ms (Strich-Punkt-Punkt-Linie 52), bei einem Eingangsstrom
IL von 200 mA ca. 220 ms (dünne durchgehende
Linie 53) und bei einem Eingangsstrom IL von
270 mA ca. 160 ms (Strich-Punkt-Linie 54). Bei dem Unterspannungsschutzmittel
gemäß dem Stand
der Technik wäre hierzu
ein Kondensator 36 mit einer Kapazität von ca. 10000 μF nötig.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bordnetzes 55.
Bei dieser Ausführungsform
sei angenommen, dass die Spannung des Energiespeichers 2 nicht
unter eine Mindestspannung von ca. 3,0 V abfallen kann.
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Als
Unterspannungsschutzmittel 43 ist ein Step-Up-Regler 56 zusammen
mit einer Drossel 57 vorgesehen. Die Drossel 57 ist
in die Leitung 15 unmittelbar nach dem Energiespeicher 2 eingesetzt. Der
Komparator 33 ist auf eine definierte Mindestspannung von
5,0 V eingestellt. Wenn die Spannung des Energiespeichers 2 unter
5,0 V abfällt,
empfängt der
Step-Up-Regler 56 an seinem Shut-Down-Eingang 58 das
Ausgangssignal des Komparators 33. Über eine Leitung 59 ist
der Feed-Back-Eingang 60 des Step-Up-Reglers 56 mit dem Schaltnetzteil 14 und
dem Linearregler 27 verbunden. Der Ausgang 61 des
Step-Up-Reglers 56 ist zwischen der Drossel 57 und
der Anode der zweiten Diode 16 mit der Leitung 15 verbunden
und stellt im Unterspannungsfall eine Spannung von beispielsweise
6,0 V zur Verfügung, so
dass das Bordnetz 55 störungsfrei
arbeiten kann. Über
den Shut-Down-Eingang 58 des Step-Up-Reglers 56 wird
dieser durch ein entsprechendes Ausgangssignal des Komparators 33 (wieder)
deaktiviert, wenn die Spannung des Energiespeichers 2 oberhalb
der definierten Mindestspannung (hier 5,0 V) liegt. Im inaktiven
Zustand gibt der Step-Up-Regler 56 keine Energie an das
Bordnetz 55 ab.