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Die Erfindung betrifft eine Sicherungsvorrichtung für eine elektrische Steckverbindung, wobei die Sicherungsvorrichtung eine Verriegelungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet und bestimmt ist, die elektrische Steckverbindung wahlweise zu verriegeln oder freizugeben, und wobei eine Verriegelungsdetektorvorrichtung zur Ermittlung des aktuellen Verriegelungszustands vorgesehen ist, die ein elektrisches Signal bereitstellt, das bei fehlerfreier Funktion der Verriegelungsdetektorvorrichtung eine Information über den aktuellen Verriegelungszustand beinhaltet.
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Elektrofahrzeuge sind üblicherweise mit einer Anschlussvorrichtung ausgerüstet, an die ein Ladekabel zum Aufladen der elektrischen Energiespeicher anschließbar ist. Die bekannten Anschlussvorrichtungen weisen in aller Regel einen Steckverbinder auf, in den – oder auf den ein Steckverbinder-Gegenstück eines Ladekabels gesteckt wird. Ladesteckverbindungen von Elektroautos müssen beim Ladevorgang verriegelt werden, da ein Abziehen des Steckers während des Ladevorganges einen für den Benutzer gefährlichen Lichtbogen verursachen kann.
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Aus
DE 10 2007 002 025 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Ladesteckdose bekannt, die mit einer Verriegelungsvorrichtung ausgerüstet ist, um eine ungewollte Entnahme zu verhindern. Die Verriegelungsvorrichtung weist einen Riegel auf, der bei Bedarf in eine Halteöffnung am Deckel oder am Ladestecker eingreift.
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Aus
DE 10 2009 053 408 A1 ist eine Steckverbindung zum elektrischen Anschließen eines Elektrofahrzeugs an eine Ladestation bekannt. Die Steckverbindung umfasst eine Ladekupplung und einen in die Ladekupplung einsteckbaren Ladestecker. Erfindungswesentlich ist bei dieser Steckverbindung, dass eine automatische Verriegelungseinrichtung vorgesehen ist, die den Ladestecker nach dessen Einstecken in die Ladekupplung selbsttätig in der Ladekupplung verriegelt. Die Steckverbindung kann eine Anzeigevorrichtung zum Anzeigen des Verriegelungszustandes aufweisen.
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Ferner ist aus
DE 694 14 772 T2 ein Versorgungsverbinder für das Laden eines Elektrofahrzeugs bekannt, der einen Vorsorgungsverbinderkörper und einen Verschlussmechanismus zum Halten und Loslassen des Vorsorgungsverbinderkörpers mit dem Fahrzeuganschluss aufweist. Insbesondere kann der Verschlussmechanismus Einrichtungen zum Erfassen und Anzeigen seines Betriebszustandes enthalten.
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Darüber hinaus ist in
DE 692 18 450 T2 ein System zum Laden eines Elektrofahrzeugs an einer Ladestation beschrieben, bei dem die Ladesteuerung und die Batterie des Fahrzeugs über ein Ladekabel mit entsprechenden Steckverbindungsmitteln an der Ladestation angeschlossen werden. An der Steckverbindung ist ein Verriegelungsmittel mit einem Schalter vorgesehen, der bei Schließen der Steckverbindung durch einen Hebel betätigt wird und abhängig von seiner Betätigung den Ladevorgang freigibt. Ferner enthält das Ladekabel Signal- und Steuerleitungen, die u. a. anderem ein Bestätigungssignal über den Verriegelungszustand der Verriegelungsmittel an die Ladestation übermitteln. Allerdings können verschiedene Störeinflüssen, wie Leitungsbruch, Massenschluss oder Induktionsstörungen, eine Fehlfunktion insbesondere jener Vorrichtungen bedingen, die den Verriegelungszustand der Verriegelungsmittel detektieren, und somit die Betriebssicherheit der Steckverbindung und der damit geschlossenen Ladeverbindung beeinträchtigen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sicherungsvorrichtung für eine elektrische Steckverbindung der eingangs genannten Art anzugeben, die ein erhöhtes Maß an Sicherheit bietet.
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Die Aufgabe wird durch eine Sicherungsvorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass das von der Verriegelungsdetektorvorrichtung bereitgestellte elektrische Signal bei einer Störung der Verriegelungsdetektorvorrichtung eine Information bezüglich des Vorliegens und der Art eines Fehlerzustandes beinhaltet.
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In erfindungsgemäßer Weise wurde erkannt, dass es insbesondere in so sensiblen Bereichen, wie dem Aufladen eines Elektrofahrzeuges, oftmals nicht ausreicht, dass der Verriegelungszustand lediglich angezeigt wird, und keine Gewissheit darüber herrscht, ob diese Anzeige zuverlässig ist. Gerade bei aufwendigen und komplizierten Anlagen oder Vorrichtungen, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, die naturgemäß eine Vielzahl von beweglichen Bauteilen und eine Vielzahl von elektrischen Bauteilen beinhalten, kann das Auftreten eines Fehlers der Verriegelungsvorrichtung und/oder der Verriegelungsdetektorvorrichtung nicht ausgeschlossen werden.
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Insoweit wird oftmals durch die Verwendung einer Verriegelungsvorrichtung kein höheres Sicherheitsniveau erreicht, als bei der Verwendung von Steckverbindungen ohne Verriegelungsvorrichtung, weil der Benutzer sich zumeist blind auf die Verriegelungsanzeige verlässt und – anders als bei Steckverbindungen ohne Verriegelungsvorrichtung – selbst keine Kontrolle mehr vornimmt. Da die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung nicht nur eine Information hinsichtlich des Verriegelungszustandes bereitstellt, sondern zusätzlich eine Information bezüglich des Vorliegens und der Art eines Fehlerzustandes, bietet eine solche erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung im Ergebnis tatsächlich einen wesentlich höheren Sicherheitsstandard.
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Bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung weist die Verriegelungsvorrichtung ein Verriegelungselement auf, das wahlweise in eine Verriegelungsstellung oder eine Freigabestellung überführbar ist. Das Verriegelungselement kann beispielsweise als Verriegelungsbolzen ausgebildet sein, der in der Verriegelungsstellung in eine Nut oder eine Ausnehmung eines Steckers oder einer Buchse eingreift und in einer Freigabestellung aus der Nut bzw. der Ausnehmung herausgezogen ist.
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Beispielsweise kann das Verriegelungselement von einem Aktuator bewegt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung beinhaltet die Verriegelungsdetektorvorrichtung ein elektrisches Bauteil derart, dass eine elektrische Eigenschaft des elektrischen Bauteils von dem aktuellen Verriegelungszustand, beispielsweise von der Stellung eines Verriegelungselements, abhängt. Bei der elektrischen Eigenschaft des elektrischen Bauteils kann es sich beispielsweise um den elektrischen Widerstand handeln. Insoweit kann ein solches elektrisches Bauteil beispielsweise als Schalter oder Taster ausgebildet sein, dessen elektrischer Widerstand bei geöffneter Schalterstellung im Idealfall unendlich groß ist und dessen elektrischer Widerstand bei geschlossener Schalterstellung im Idealfall 0 Ω ist. Als elektrisches Bauteil kann jedoch auch ein Potentiometer vorgesehen sein, wobei die Potentiometerstellung und damit der elektrische Widerstand, beispielsweise durch die Stellung eines Verriegelungselementes – beispielsweise durch geeignete mechanische Verkopplung – bestimmt sein kann.
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Als elektrische Eigenschaft kommt beispielsweise auch eine Kapazität und/oder eine Induktivität in Frage. Bei einer solchen Ausführung könnte es von Vorteil sein, wenn als Betriebsspannung eine Wechselspannung oder eine zeitlich gepulste Spannung verwendet wird. Als elektrisches Bauteil kommt bei einer solchen Ausführungsform beispielsweise die Verwendung einer Tauchspule oder die Verwendung eines hinsichtlich seiner Kapazität veränderbaren Kondensators in Betracht.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung weist die Verriegelungsdetektorvorrichtung ein elektrisches Bauteil auf, das als Detektor fungiert und das direkt oder indirekt von dem Verriegelungselement betätigt und/oder gesteuert wird. Wie bereits erwähnt, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Verriegelungsbolzen mechanisch mit einem Schalter verkoppelt ist, so dass er in seiner Verriegelungsstellung den Schalter öffnet und in seiner Freigabestellung den Schalter schließt oder umgekehrt.
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Um eine Unterscheidbarkeit verschiedener Verriegelungs- und/oder Fehlerzustände zu ermöglichen, kann insbesondere vorgesehen sein, dass das elektrische Bauteil derart in eine Schaltung mit weiteren elektrischen Bauteilen integriert ist, dass an einer Stelle der Schaltung der Spannungspegel vom jeweils aktuellen Verriegelungs- und/oder Fehlerzustand abhängt. Beispielsweise kann in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden, dass der Stromverlauf bei unterschiedlichen Verriegelungs- und/oder Fehlerzuständen ebenfalls unterschiedlich ist.
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Bei einer besonders zuverlässigen und kostengünstig realisierbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ist dem elektrischen Bauteil zumindest ein weiteres elektrisches Bauteil, insbesondere ein Widerstand, parallel geschaltet. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das elektrische Bauteil mit zumindest einem weiteren elektrischen Bauteil, insbesondere einem Widerstand in Reihe geschaltet ist.
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Bei einer besonderen Ausführungsform weist die Verriegelungsdetektorvorrichtung zumindest eine Signalleitung auf. Diese Ausführung erlaubt beispielsweise einen Modulaufbau der Verriegelungsdetektorvorrichtung dahingehend, dass das als Detektor fungierende elektrische Bauteil – gegebenenfalls mit weiteren elektrischen Bauteilen – im Bereich einer Steckverbindung angeordnet sein kann, während ein anderes Modul, das eine Auswertevorrichtung beinhaltet, entfernt von dem Detektormodul, insbesondere im Bereich einer zentralen Fahrzeugsteuerung, angeordnet sein kann, wobei die Module über die zumindest eine Signalleitung miteinander verbunden sind.
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Es kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Verriegelungsdetektorvorrichtung zumindest eine Signalleitung aufweist, wobei das elektrische Bauteil direkt oder indirekt an ein Ende der Signalleitung angeschlossen ist, während das andere Ende der Signalleitung über ein weiteres elektrisches Bauteil, insbesondere einen elektrischen Widerstand, an eine Betriebsspannung angeschlossen ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Verriegelungsdetektorvorrichtung zumindest eine Signalleitung aufweist, wobei das elektrische Bauteil direkt oder indirekt an ein Ende der Signalleitung angeschlossen ist, während das andere Ende der Signalleitung an Masse angeschlossen ist.
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Bei einer Ausführungsform, die besonders kostengünstig und störunanfällig ausführbar ist, weist die Verriegelungsdetektorvorrichtung eine Reihenschaltung mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten elektrischen Widerstand auf, wobei der erste Widerstand und der zweite Widerstand mittels einer Signalleitung miteinander verbunden sind und wobei das elektrische Bauteil, insbesondere das elektrische Bauteil das als Detektor fungiert, dem dritten Widerstand parallel geschaltet ist. Eine solche Ausführung hat den Vorteil, dass sie – abgesehen von Vorrichtungen zur Messung und Auswertung eines Spannungspegels – im Wesentlichen mit Widerständen, Leitungen und einem Schalter auskommt. Insoweit ist eine solche Ausführungsform einerseits sehr kostengünstig und andererseits dennoch äußerst störunanfällig, weil die verwendeten Bauteile ihrer Einfachheit wegen in aller Regel störunanfällig sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die das elektrische Signal empfängt und auswertet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Auswertevorrichtung den Spannungspegel des aktuellen Signals mit in einem Speicher abgelegten Vergleichswerten vergleicht und/oder dass die Auswertevorrichtung dem aktuellen Signal einen Verriegelungszustand und/oder einen Fehlerzustand zuordnet.
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Die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung kann vorteilhaft in der Weise ausgebildet sein, dass als Fehlerzustand beispielsweise eine „Unterbrechung einer Leitung” und/oder ein „Kurzschluss nach Masse” und/oder ein „Kurzschluss nach Betriebsspannung” detektiert wird. Selbstverständlich ist es möglich, weitere mögliche Fehlerzustände in erfindungsgemäßer Weise zu detektieren. Darüber hinaus kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass als Verriegelungszustand beispielsweise eine „Freigabe einer Steckverbindung” und/oder eine „Verriegelung einer Steckverbindung” detektiert wird.
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Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform, die insbesondere im Bereich der Ladeüberwachung eines Elektrofahrzeuges einsetzbar ist, ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die – direkt oder indirekt – einen Stromfluss durch eine zu sichernde elektrische Steckverbindung in Abhängigkeit vom Vorliegen oder der Art eines ermittelten Fehlerzustandes und/oder eines ermittelten Verriegelungszustandes steuert, insbesondere unterbricht und/oder freigibt. Insbesondere kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen ist, die – direkt oder indirekt – einen Stromfluss durch eine zu sichernde elektrische Steckverbindung nur dann freigibt, wenn als Verriegelungszustand „Verriegelung der Steckverbindung” ermittelt wurde und zusätzlich kein Fehlerzustand detektiert wurde. Eine solche Ausführung ist als besonders sicher einzustufen.
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Wie bereits erwähnt, kann die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung vorteilhaft mit einer elektrischen Steckverbindungsvorrichtung, insbesondere einem Ladestecker und/oder einer Ladebuchse eines Elektrofahrzeuges oder einer Ladestation eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Elektrofahrzeug vorteilhaft mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ausgerüstet sein.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 eine elektrische Steckverbindung mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung, deren Verriegelungsvorrichtung sich in geöffneter Stellung befindet,
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2 eine elektrische Steckverbindung mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung, deren Verriegelungsvorrichtung sich in der Verriegelungsstellung befindet,
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3 eine elektrische Steckverbindung mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung mit einem Kurzschluss nach Masse,
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4 eine elektrische Steckverbindung mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung mit einem Kurzschluss nach Versorgungsspannung,
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5 eine elektrische Steckverbindung mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung, bei der eine Unterbrechung einer Signalleitung vorliegt und
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6 ein mit einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung ausgerüstetes Elektrofahrzeug.
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1 zeigt eine elektrische Steckverbindung 1 mit einer Buchse 2 und einem Stecker 3. Der in die Buchse 2 eingesteckte Stecker 3 kann mit Hilfe einer Verriegelungsvorrichtung 4 in dieser Position verriegelt werden. Hierzu greift ein Verriegelungselement 5 nämlich ein Verriegelungsbolzen 6 in eine Ausnehmung 7 des Steckers 3 ein. Der Verriegelungsbolzen 6 wird mit Hilfe eines Aktuators 8 wahlweise in eine Verriegelungsstellung oder eine Freigabestellung überführt. 1 zeigt den Verriegelungsbolzen in der Freigabestellung. In dieser Stellung hält der Verriegelungsbolzen 6 einen elektrischen Schalter 9 geschlossen.
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Der Schalter 9 ist Bestandteil einer Verriegelungsdetektorvorrichtung 10, zur Ermittlung des aktuellen Verriegelungszustandes. Die Verriegelungsdetektorvorrichtung 10 stellt an einem ersten Ende 11 einer Signalleitung 12 ein elektrisches Signal bereit, das bei fehlerfreier Funktion der Verriegelungsdetektorvorrichtung 10 eine Information über den aktuellen Verriegelungszustand der Verriegelungsvorrichtung 4 beinhaltet und das bei einer Störung der Verriegelungsdetektorvorrichtung 10 eine Information bezüglich des Vorliegens und der Art eines Fehlerzustandes beinhaltet.
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Die Verriegelungsdetektorvorrichtung 10 beinhaltet eine Reihenschaltung eines ersten elektrischen Widerstandes 13, eines zweiten elektrischen Widerstandes 14 und eines dritten elektrischen Widerstandes 15, wobei der erste elektrische Widerstand 13 und der zweite elektrische Widerstand 14 mittels der Signalleitung 12 verbunden sind. Der Schalter 9 ist dem dritten elektrischen Widerstand 15 parallel geschaltet. Der erste elektrische Widerstand 13 ist an eine Betriebsspannung UB angeschlossen. Der dritte elektrische Widerstand 15 und ein Kontakt des Schalters 9 sind über eine weitere Leitung 16 an Masse 17 angeschlossen.
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Es ist eine Auswertevorrichtung 18 vorgesehen, die an die Signalleitung 12 angeschlossen ist und die das elektrische Signal empfängt und auswertet.
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Der erste elektrische Widerstand 13 und die Auswertevorrichtung 18 können vorteilhafter Weise als erstes Modul 19 ausgebildet sein, das über die Signalleitung 12 und die weitere Leitung 16 mit einem zweiten Modul 20 verbunden sein kann. Während das erste Modul 19 beispielsweise im Bereich einer zentralen Fahrzeugsteuerung eines Elektrofahrzeuges angeordnet sein kann oder Bestandteil einer solchen Fahrzeugsteuerung sein kann, kann das zweite Modul 20 beispielsweise in der Nähe einer zu sichernden Steckverbindung 1, insbesondere einer Ladesteckverbindung angeordnet sein, was in 6 schematisch gezeigt ist.
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Die Auswertevorrichtung 18 misst die Höhe der am ersten Ende 11 der Signalleitung 12 anliegenden Spannung, vergleicht diese mit einem in einem Speicher abgelegten Vergleichswerten und ordnet der gemessenen Spannung einen Verriegelungszustand oder einen Fehlerzustand zu.
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Wenn sich die Verriegelungsvorrichtung 4 in der Freigabestellung befindet, drückt der Verriegelungsbolzen 6 den Schalter 9 in die geschlossene Stellung. Hierdurch ist der dritte elektrische Widerstand 15 kurzgeschlossen. Die Versorgungsspannung UB von beispielsweise 12 V liegt dann über der Reihenschaltung des ersten Widerstandes 13 und des zweiten Widerstandes 14 an. Der erste Widerstand 13, der zweite Widerstand 14 und der dritte Widerstand 15 weisen jeweils einen elektrischen Widerstand von 50 Ω auf. Am ersten Ende 11 der Signalleitung 12 liegt bei dem in 1 dargestellten Verriegelungszustand, nämlich der Verriegelungszustand der Freigabe der Steckverbindung 1, folglich eine Spannung von 6 V an.
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Bei dem in 2 dargestellten Verriegelungszustand – nämlich bei verriegelter Steckverbindung 1 – ist der Schalter 9 geöffnet, sodass die Betriebsspannung UB über der Reihenschaltung aller drei elektrischer Widerstände 13, 14 und 15 abfällt. An dem ersten Ende 11 der Signalleitung 12 – also zwischen dem ersten Widerstand 13 und dem zweiten Widerstand 14 – liegt in diesem Fall eine Spannung von 8 V an. Die Auswertevorrichtung 18 ordnet dieser Spannung den Verriegelungszustand „verriegelt” zu.
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Bei der in 3 dargestellten Situation, nämlich dem Vorliegen eines Kurzschlusses nach Masse, beispielsweise zwischen der Signalleitung 12 und der weiteren Leitung 16, sind der zweite Widerstand 14 und der dritte Widerstand 15 kurzgeschlossen, sodass am ersten Ende 11 der Signalleitung 12 eine Spannung von 0 V anliegt. Die Auswertevorrichtung 18 ordnet diesem Spannungspegel den Fehlerzustand „Kurzschluss nach Masse” zu.
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Bei der in 4 dargestellten Situation, nämlich bei einem Kurzschluss nach der Versorgungsspannung UB, bei der beispielsweise die Signalleitung 12 ungewollt mit der Versorgungsspannung in elektrischen Kontakt tritt, liegt am ersten Ende 11 der Signalleitung 12 die Betriebsspannung UB von 12 V an.
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Im Falle einer Unterbrechung der Signalleitung 12 und/oder der weiteren Leitung 16 liegt am ersten Ende 11 der Signalleitung 12 ebenfalls ein Spannungspegel von 12 V an. Dies ist in 5 dargestellt.
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Bei der gezeigten (einfacheren) Ausführungsform ordnet die Auswertevorrichtung 18 einem gemessenen Spannungspegel von 12 V zwei Fehlerzustände, nämlich den Fehlerzustand „Kurzschluss nach Versorgungsspannung” und „Unterbrechung einer Signalleitung” zu.
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Bei einer nur wenig aufwendigeren Ausführungsform, die auch eine Unterscheidung der Fehlerzustände „Kurzschluss nach Versorgungsspannung” und „Unterbrechung einer Signalleitung” erlaubt, ist in die Auswertevorrichtung 18 ein Eingangswiderstand 21 von beispielsweise 10 Ω integriert. Der hinter dem Eingangswiderstand 21 messbare Spannungspegel ist bei einem „Kurzschluss nach Versorgungsspannung” höher als bei einer „Unterbrechung einer Signalleitung”, weil bei einem „Kurzschluss nach Versorgungsspannung” die gesamte Betriebsspannung UB über dem Eingangswiderstand 21 abfällt, während bei einer „Unterbrechung einer Signalleitung” die Betriebsspannung UB über der Reihenschaltung gebildet aus dem ersten Widerstand 13 und dem Eingangswiderstand 21 abfällt. Der besseren Illustration halber ist der optionale Eingangswiderstand 21 in 1 gestrichelt eingezeichnet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Steckverbindung
- 2
- Buchse
- 3
- Stecker
- 4
- Verriegelungsvorrichtung
- 5
- Verriegelungselement
- 6
- Verriegelungsbolzen
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Aktuator
- 9
- Schalter
- 10
- Verriegelungsdetektorvorrichtung
- 11
- erstes Ende
- 12
- Signalleitung
- 13
- erster Widerstand
- 14
- zweiter Widerstand
- 15
- dritter Widerstand
- 16
- Leitung
- 17
- Masse
- 18
- Auswertevorrichtung
- 19
- erstes Modul
- 20
- zweites Modul
- 21
- Eingangswiderstand
