DE102011082688B4 - FET-Relais und Testmodul zum Prüfen von elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern - Google Patents

FET-Relais und Testmodul zum Prüfen von elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern Download PDF

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Abstract

FET-Relais mit einem Optokoppler (30) als Steuerschaltung und einer FET-Schaltstufe (40) als Lastschaltung, welche zwei FET-Schalttransistoren (42, 44) umfasst, wobei der Optokoppler (30) eine Koppelstufe (32) aufweist, welche in Abhängigkeit von einem an der Koppelstufe (32) anliegenden Steuersignal (US) einen Ausgangstreiber (34) zur Ansteuerung der FET-Schaltstufe (40) ansteuert, gekennzeichnet durch einen Energiespeicher (ES1) zur Energieversorgung des Ausgangstreibers (34) des Optokopplers (30), welcher zur Reduzierung der Einschaltzeiten Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren (42, 44) der FET-Schaltstufe (40) über den als Gegentaktendstufe ausgeführten Ausgangstreiber (34) schnell auflädt, wobei der als Gegentaktendstufe ausgeführte Ausgangstreiber (34) des Optokopplers (30) die Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren (42, 44) der FET-Schaltstufe (40) schnell entlädt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem FET-Relais nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einem Testmodul zum Prüfen von elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern, welche insbesondere zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln verwendet werden, nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 6.
  • Die Besonderheit der Ansteuerung von Zündkreisen in Personenschutzmitteln liegt in der Bestromung von kleinen ohmschen Lasten in den Zündelementen über längere Kabeldistanzen und den damit verbundenen physikalischen Anforderungen. Derzeit werden separate Funktionsmodule zum Testen bzw. Überprüfen der Zündkreise für Personenschutzmittel wie beispielsweise Airbags verwendet. Hierbei bilden die Funktionsmodule beispielsweise einen ohmschen Widerstandsdraht eines konventionellen Zündelements durch eine über Relais geschaltete Widerstandsdekade mit einer hohen Verlustleistung nach. Zudem können über Relais Kurzschlüsse zu wählbaren Bezugspotentialen, Zündkreisunterbrechungen usw. nachgebildet werden. Außerdem kann ein eingestellter Widerstand der Dekade als Messwiderstand zur Zündstrommessung verwendet werden. Des Weiteren kann der Wert des eingestellten Widerstands über eine entsprechende Ausgabeeinheit angezeigt bzw. ausgegeben werden.
  • In der Offenlegungsschrift DE 10 2007 044 345 A1 werden beispielsweise eine Schaltung und ein Verfahren zum Prüfen elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern für ein Ansteuern von Personenschutzmittel beschrieben. Für die Prüfung wird ein Zündelement dadurch nachgebildet, dass ein Widerstandswert dieser Nachbildung durch eine entsprechende Ansteuerung der Nachbildungsbaugruppe verändert werden kann. Dadurch kann das dynamische Verhalten eines Zündelements während der Bestromung zur Ansteuerung der Personenschutzmittel nachgebildet werden. Als elektrisch steuerbare Leistungsschalter werden verschiedene Transistortypen wie Bipolar- und/oder Feldeffekttransistoren (FET) oder andere Bauelemente wie Thyristoren, Triacs, IGBT oder so genannte Solid-State-Relais vorgeschlagen, welche die erforderlichen Ströme zur Bestromung der Personenschutzmittel verkraften können. Die verwendeten Bauteile sollen einen sehr niedrigen Durchlasswiederstand im Bereich von wenigen Milli-Ohm (mΩ) aufweisen. Zur potentialfreien Ansteuerung der Leistungsschalter werden Logikgatter, programmierbare Bausteine, Funktionsgeneratoren, Mikrocontroller und Optokoppler vorgeschlagen. Bei der beschriebenen Anwendung weisen aktive und passive Schaltzustände eine Zeitdauer im Bereich von 100µs +/- 80µs bzw. 200µs +/- 50µs auf. Kürzere Phasen im Bereich sind nicht vorgesehen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße FET-Relais mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass Einschaltzeiten und/oder Ausschaltzeiten unter einer Mikrosekunde realisiert werden können. Durch den speziellen Aufbau des erfindungsgemäßen FET-Relais ist es zudem möglich, Wechselspannungslasten zu schalten. Durch die Auswahl eines geeigneten Optokopplers, welcher die Gate-Kapazitäten der Endstufentransistoren schnell aufladen kann, ist es möglich, Ströme im zweistelligen Amperebereich bei einem gleichzeitig sehr niederen Einschaltwiderstand von ca. 15 mΩ und sehr kurzen Einschaltzeiten und/oder Ausschaltzeiten im Bereich von unter 1 µs darzustellen. Der Optokoppler dient zur Potentialtrennung zwischen einem Steuerkreis und einem Lastkreis. Durch die Potentialtrennung von Lastkreis und Steuerkreis ist es ebenso wie bei elektromechanischen Relais oder Solid-State Relais möglich, mehrere FET-Relais in beliebiger Kombination anzuordnen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise elektromechanische Relais und/oder Halbleiter-Relais (Solid-State-Relais) ersetzen, um extrem kurze Unterbrechungen und/oder niederohmige Kurzschlüsse an beliebigen elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern nachbilden zu können, welche insbesondere für Personenschutzmittel verwendet werden. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße FET-Relais eine höhere Messgenauigkeit durch reproduzierbare, alterungsstabile und niedrige Schalterübergangswiderstände sowie reproduzierbare Schaltzeiten im Gegensatz zu herkömmlichen Schaltrelais, welche variierende Prellzeiten und eine alterungsbedingte Varianz der Schalterübergangswiderstände aufweisen. Des Weiteren ergibt sich durch das erfindungsgemäße FET-Relais ein verringerter Energiebedarf durch die Reduzierung der Relaisstellströme.
  • Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Energiespeicher eingesetzt wird, um die Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren der FET-Schaltstufe über den Ausgangstreiber schnell aufladen zu können, um die kurzen Einschaltzeiten realisieren zu können. Gleichzeitig ist der Ausgangstreiber als Gegentaktendstufe ausgeführt, um die Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren der FET-Schaltstufe zur Reduzierung der Ausschaltzeiten schnell entladen zu können.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein FET-Relais zur Verfügung, welches einen Optokoppler als Steuerschaltung und einen FET-Schaltstufe als Lastschaltung aufweist, welche zwei FET-Schalttransistoren umfasst. Der Optokoppler weist eine Koppelstufe auf, welche in Abhängigkeit von einem an der Koppelstufe anliegenden Steuersignal einen Ausgangstreiber zur Ansteuerung der FET-Schaltstufe ansteuert. Erfindungsgemäß ist ein Energiespeicher zur Energieversorgung des Ausgangstreibers des Optokopplers vorhanden, welcher zur Reduzierung der Einschaltzeiten Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren der FET-Schaltstufe über den als Gegentaktendstufe ausgeführten Ausgangstreiber schnell auflädt, wobei der als Gegentaktendstufe ausgeführte Ausgangstreiber des Optokopplers die Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren der FET-Schaltstufe zur Reduzierung der Ausschaltzeiten schnell entlädt. Die FET-Schalttransistoren können als N-Kanal-Feldeffekttransistoren oder P-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgeführt werden, sind aber aufgrund der Leistungsklasse vorzugsweise als N-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgeführt.
  • Vorzugsweise können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Überprüfung der LV124-Spezifikation für Zündschaltkreise von Personenschutzmitteln verwendet werden.
  • Ausführungsformen des erfindungsgemäßen FET-Relais können beispielsweise in einem Testmodul zum Prüfen von elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern eingesetzt werden, welche insbesondere zum Ansteuern von Personenschutzmittel verwendet werden. Ein solches Testmodul umfasst eine Auswerte- und Steuereinheit, eine Messeinheit und eine Nachbildungsbaugruppe. Hierbei steuert die Auswerte- und Steuereinheit die Nachbildungsbaugruppe in Abhängigkeit von Ausgaben der Messeinheit und von Prüfvorgaben an, um bestimmte elektrische Eigenschaften an Testanschlüssen der Nachbildungsbaugruppe einzustellen. Die Nachbildungsbaugruppe umfasst mindestens ein erfindungsgemäßes FET-Relais zum Einstellen der elektrischen Eigenschaften an den Testanschlüssen. Durch die Auswerte- und Steuereinheit, die vorzugsweise als Mikrokontroller ausgeführt ist, ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Funktionserweiterung in der Steuerung des Testmoduls für die Überprüfung von verschiedenen Zündkreisen für Personenschutzmittel. Zudem kann sich die Möglichkeit zur Mehrfachnutzung von Hardware-Schaltungen für unterschiedliche Funktionen durch eine entsprechende Konfigurierung und Parametrierung ergeben. Des Weiteren kann sich eine Verlagerung komplexer Funktionalität von einer übergeordneten Testsoftware auf die Low-Level Ebene im Testmodul ergeben. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Softwarepflege. Außerdem können neue Testfunktionen eingeführt und dadurch eine höhere Testtiefe bei der Überprüfung der Personenschutzmittel erreicht werden.
  • So kann beispielsweise eine beliebige Anzahl von erfindungsgemäßen FET-Relais als Schaltelemente in einer Hochlastwiderstandesdekade verwendet werden, um eine schnelle Widerstandsänderungen vornehmen zu können.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen FET-Relais und des im unabhängigen Patentanspruch 6 angegebenen Testmoduls möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass Ausgabeanschlüsse des FET-Relais polungsunabhängig mit einer Lastschaltung verbunden werden können. Zu diesem Zweck werden die Source-Anschlüsse der beiden FET-Schalttransistoren mit einander verbunden und stellen ein gemeinsames Bezugspotential zur Verfügung, wobei die Gate-Anschlüsse der beiden FET-Schalttransistoren mit einander verbunden und zeitgleich vom Ausgangstreiber angesteuert werden, und wobei die Drain-Anschlüsse der beiden FET-Schalttransistoren jeweils einen Ausgabeanschluss des FET-Relais bilden. Daher kann die Lastkreis-Versorgungsspannung in vorteilhafter Weise umgepolt werden. Zudem können auch Wechselspannungslasten geschaltet werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen FET-Relais können der Energiespeicher und/oder der Optokoppler und/oder die FET-Schaltstufe so dimensioniert werden, dass am Ausgang des FET-Relais bei einem Einschaltpuls die Einschaltzeitverzögerung im Bereich von 250 bis 350ns liegt, und die Ausschaltzeitverzögerung im Bereich von 450 bis 550ns liegt, und die Anstiegszeit im Bereich von 80 bis 120ns liegt, und die Abfallzeit im Bereich von 70 bis 90ns liegt. Zudem können der Energiespeicher und/oder der Optokoppler und/oder die FET-Schaltstufe so dimensioniert werden, dass am Ausgang des FET-Relais bei einem Ausschaltpuls die Einschaltzeitverzögerung und die Ausschaltzeitverzögerung im Bereich von 450 bis 550ns liegen, und die Anstiegszeit im Bereich von 80 bis 120ns liegt, und die Abfallzeit im Bereich von 70 bis 90ns liegt.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Testmoduls kann jedes FET-Relais mit einem Pulsgenerator zu einer Schalteinheit zusammengefasst werden, wobei der Pulsgenerator in Abhängigkeit von einem Steuersignal eine Steuerspannung mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung des FET-Relais erzeugt. Hierbei gibt der Pulsgenerator die gewünschte Pulsform aus. Zusätzlich kann der Pulsgenerator eine Verstärkerstufe umfassen, um die erforderliche Ansteuerleistung zu minimieren. Des Weiteren können Vorwiderstände mit entsprechenden Dimensionierungen vorgesehen werden, um das FET-Relais auch mit anderen Spannungspegeln ansteuern zu können.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Testmoduls kann eine erste Schalteinheit einen vorgegebenen Nachbildungswiderstand überbrücken oder in einen Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen des Testmoduls einschleifen oder den Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen des Testmoduls auftrennen. Eine zweite Schalteinheit kann einen minimalen Widerstandswert oder einen maximalen Widerstandswert in einen Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen einschleifen, wobei der minimale Widerstand einem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren im leitenden Zustand entspricht, und wobei der maximale Widerstand einem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren im sperrenden Zustand entspricht. Eine dritte Schalteinheit kann einen ersten Testanschluss mit einem ersten Bezugspotential verbinden und/oder eine vierte Schalteinheit kann den ersten Testanschluss mit einem zweiten Bezugspotential verbinden und/oder eine fünfte Schalteinheit kann einen zweiten Testanschluss mit einem dritten Bezugspotential verbinden und/oder eine sechste Schalteinheit kann den zweiten Testanschluss mit einem vierten Bezugspotential verbinden. Durch die verschiedenen Schalteinheiten können in vorteilhafter Weise die realen Eigenschaften von Zündkreisen für Personenschutzmittel nachgebildet werden. So kann beispielsweise eine abgleichbare Hochlastwiderstandsdekade zur Nachbildung von Widerständen in Airbag-Zündkreisen dargestellt werden und/oder konfigurierbare Einschaltzeitspannen und/oder Ausschaltzeitspannen zur Verfügung gestellt werden, welche über Zeit- oder Spannungskriterien einstellbar sind, um ein reales Verhalten von Airbag-Zündkreisen nachbilden zu können. Außerdem können Kurzschlüsse bzw. Nebenschlüsse der Ausgabeanschlüsse zu verschiedenen Potentialen realisiert werden. Zur Nachbildung von Prellverhalten und Wackelkontakten können Unterbrechungen mit einstellbarer zeitlicher Dauer vorgegeben werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Testmoduls zum Prüfen von elektrischen Leistungsschaltern zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln in einem Kraftfahrzeug, welche mindestens ein erfindungsgemäßes FET-Relais aufweist.
    • 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Nachbildungsbaugruppe, welche mindestens ein erfindungsgemäßes FET-Relais aufweist, für das Testmodul aus 1.
    • 3 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Schalteinheit, welche mindestens ein erfindungsgemäßes FET-Relais aufweist, für die Nachbildungsbaugruppe aus 2.
    • 4 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Pulsgenerators für die Schalteinheit aus 3 zur Erzeugung einer Ansteuerspannung für das FET-Relais.
    • 5 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines DC/DC Wandlers für die Schalteinheit aus 3 zur Erzeugung einer zweiten Versorgungsspannung für das FET-Relais.
    • 6 bis 11 zeigen Kennlinien von Steuerspannungsverläufen am Eingang des FET-Relais aus 3 und korrespondierenden Messspannungsverläufen am Ausgang des FET-Relais aus 3.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Testmoduls 1 zum Prüfen von elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern, welche zum Ansteuern von Personenschutzmittel verwendet werden, eine Auswerte- und Steuereinheit 3, eine Messeinheit 5 und eine Nachbildungsbaugruppe 10. Hierbei steuert die Auswerte- und Steuereinheit 3 die Nachbildungsbaugruppe 10 in Abhängigkeit von Ausgaben der Messeinheit 5 und von Prüfvorgaben an, um bestimmte elektrische Eigenschaften an Testanschlüssen HS, LS der Nachbildungsbaugruppe 10 einzustellen. Die beiden Testanschlüsse HS, LS sind mit entsprechenden Anschlüssen der zu überprüfenden Leistungsschalter verbunden.
  • Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, kommunizieren die einzelnen Komponenten des Testmoduls 1 über ein gemeinsames Bussystems 2. Zudem sind eine Eingabeeinheit 7 und eine Ausgabeeinheit 9 als Mensch-Maschinen-Schnittstelle vorgesehen, um eine Bedienung des Testmoduls 1 und eine Ausgabe der Testergebnisse zu ermöglichen. Des Weiteren umfasst das Testmodul 1 eine TTL-Ausgabeeinheit 4, welche bei Bedarf ein digitales TTL-Ausgangssignal als Triggersignal für Folgefunktionen zur Verfügung stellt. Das Triggersignal ist vorzugsweise mit einer Startflanke eines Zündpulses für ein Personenschutzmittel synchronisiert.
  • Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Nachbildungsbaugruppe 10 mehrere Schalteinheiten 12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2, um reale Eigenschaften von Zündkreisen für Personenschutzmittel nachzubilden und um die an den Testanschlüssen HS und LS angeschlossene zu testende Steuerschaltung zu überprüfen. In 2 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung der Leitungen zur Übertragung von Steuersignalen S1 für die Schalteinheiten 12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2 verzichtet. Jede der Schalteinheiten 12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2 wird jedoch über mindestens ein Steuersignal S1 von der Auswerte- und Steuereinheit 3 angesteuert, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 3 zur Übertragung der Steuersignale S1 vorzugsweise das Bussystem 2 verwendet. Zudem weist das Testmodul zwei Messanschlüsse M1, M2 auf, zwischen denen ein Messwiderstand 5.1 bzw. Messshunt eingeschleift werden kann, welchen die Messeinheit 5 verwendet, um einen aktuellen Stromfluss zwischen den beiden Testanschlüssen HS, LS zu messen. Soll kein Stromfluss gemessen werden, dann können die Messanschlüsse M1, M2 über eine Kurzschlussbrücke 5.2 mit einander verbunden werden.
  • Wie aus 3 ersichtlich ist, umfassen die Schalteinheiten 12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2 jeweils einen Pulsgenerator 50 und ein FET-Relais 20. Der jeweilige Pulsgenerator 50 wird mit einer ersten Versorgungsspannung UV1 versorgt und ist mit einem ersten Massepotential GND1 verbunden. Zudem wird der jeweilige Pulsgenerator 50 von der Auswerte- und Steuereinheit 3 über das Steuersignal S1 angesteuert und erzeugt eine Steuerspannung US mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung des korrespondierenden FET-Relais 20. Das jeweilige FET-Relais 20 umfasst einen Optokoppler 30 als Steuerschaltung und eine FET-Schaltstufe 40 als Lastschaltung, welche zwei FET-Schalttransistoren 42, 44 umfasst. Das jeweilige FET-Relais 20 wird mit einer zweiten Versorgungsspannung UV2 versorgt und ist mit einem zweiten Massepotential GND2 verbunden. Der Optokoppler 30 weist eine Koppelstufe 32 auf, welche in Abhängigkeit von der an der Koppelstufe 32 anliegenden Steuerspannung US einen Ausgangstreiber 34 zur Ansteuerung der FET-Schaltstufe 40 ansteuert.
  • Erfindungsgemäß ist ein Energiespeicher ES1 zur Energieversorgung des Ausgangstreibers 34 des Optokopplers 30 vorgesehen, welcher zur Reduzierung der Einschaltzeiten Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren 42, 44 der FET-Schaltstufe 40 über den Ausgangstreiber 34 schnell auflädt. Zusätzlich ist der, Ausgangstreiber 34 des Optokopplers 30 als Gegentaktendstufe ausgeführt, um eine schnelle Entladung der Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren 42, 44 der FET-Schaltstufe 40 zur Reduzierung der Ausschaltzeiten sicherzustellen. Als Energiespeicher ES1 wird vorzugsweise ein Keramikkondensator verwendet, welcher ein schnelles Umladen der Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren 42, 44 ermöglicht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die FET-Schalttransistoren 42, 44 als N-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgeführt.
  • Der Optokoppler 30 dient zur Potentialtrennung zwischen der Steuerschaltung und der Lastschaltung. Durch die Potentialtrennung von Lastkreis und Steuerkreis ist es ebenso wie bei elektromechanischen Relais oder Solid-State Relais möglich, mehrere FET-Relais 20 in beliebiger Kombination anzuordnen.
  • Um einen polungsunabhängigen Anschluss einer beliebigen Lastschaltung UL an den Ausgabenschlüssen E1, E2 der jeweiligen Schaltstufe zu ermöglichen, sind die beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 auf die in 3 dargestellte Weise mit einander verschaltet.
  • Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, sind die Source-Anschlüsse S der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 mit einander verbunden und stellen ein gemeinsames Bezugspotential, hier ein zweites Massepotential GND2, zur Verfügung. Zudem sind die Gate-Anschlüsse G der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 mit einander verbunden und werden zeitgleich vom als Gegentaktendstufe ausgeführten Ausgangstreiber 34 des Optokopplers 30 angesteuert. Des Weiteren bilden die Drain-Anschlüsse D der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 jeweils einen Ausgabeanschluss E1, E2 des FET-Relais 20. Im dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Drain-Anschluss D des ersten Schalttransistors 42 den ersten Ausgabeanschluss E1 des FET-Relais 20, und der Drain-Anschluss D des zweiten Schalttransistors 44 bildet den zweiten Ausgabeanschluss E2 des FET-Relais 20. Durch die beschriebene Verschaltung der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 kann die Lastkreis-Versorgungsspannung UL in vorteilhafter Weise umgepolt werden. Zudem können auch Wechselspannungslasten geschaltet werden. Über den dargestellten Messwiderstand RM kann die in den Kennliniendiagrammen gemäß 7, 9, 11 dargestellte Messspannung UM gemessen werden, welche das Schaltverhalten der FET-Schalttransistoren 42, 44 in Abhängigkeit von verschiedenen in 6, 8, 10 dargestellten zeitlichen Verläufen der Steuerspannung US zeigt.
  • Wie aus 6 und 7 ersichtlich ist, sind der Energiespeicher ES1 und/oder der Optokoppler 30, insbesondere der als Gegentaktendstufe ausgeführte Ausgangstreiber 34 des Optokopplers 30, und/oder die FET-Schaltstufe 40 vorzugsweise so dimensioniert, dass am Ausgang E1, E2 der jeweiligen Schalteinheit 12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2 über dem Messwiderstand RM bei einem Einschaltpuls die Einschaltzeitverzögerung im Bereich von 250 bis 350ns liegt, und die Ausschaltzeitverzögerung im Bereich von 450 bis 550ns liegt, und die Anstiegszeit im Bereich von 80 bis 120ns liegt, und die Abfallzeit im Bereich von 70 bis 90ns liegt.
  • Wie aus 8 bis 11 ersichtlich ist, sind der Energiespeicher ES1 und/oder der Optokoppler 30, insbesondere der als Gegentaktendstufe ausgeführte Ausgangstreiber 34 des Optokopplers 30, und/oder die FET-Schaltstufe 40 so dimensioniert, dass am Ausgang E1, E2 der jeweiligen Schalteinheit 12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2 über dem Messwiderstand RM bei einem Ausschaltpuls die Einschaltzeitverzögerung und die Ausschaltzeitverzögerung im Bereich von 450 bis 550ns liegen, und die Anstiegszeit im Bereich von 80 bis 120ns liegt, und die Abfallzeit im Bereich von 70 bis 90ns liegt.
  • Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, bilden mehre Schalteinheiten von denen beispielhaft drei Schalteinheiten 12.0, 12.1, 12.n dargestellt sind, mit korrespondierenden Widerständen R1, Rn eine abgleichbare Hochlastwiderstandsdekade zur Nachbildung von Widerständen, welche entsprechende Widerstände von Zündkreisen darstellen können. Über die Schalteinheit 12.0 kann ein offener Signalpfad bzw. der maximale Widerstand der Hochlastwiderstandsdekade zwischen den beiden Testanschlüssen HS, LS dargestellt werden, wobei der maximale Widerstand dem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren 42, 44 der Schalteinheit 12.0 im sperrenden Zustand entspricht. Über die anderen Schalteinheiten 12.1 bis 12.n kann jeweils ein korrespondierender vorgegebener Nachbildungswiderstand R1 , Rn überbrückt bzw. kurzgeschlossen oder in den Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen HS, LS eingeschleift werden. In Abhängigkeit von der anliegenden Steuerspannung US sind die beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 angesteuert bzw. durchgeschaltet, und die Ausgabenschlüsse E1, E2 werden über die Drain-Source-Strecken der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 kurzgeschlossen, so dass der korrespondierende Nachbildungswiderstand R1, Rn überbrückt ist. Alternativ sind die beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 in Abhängigkeit von der Steuerspannung US gesperrt bzw. geöffnet, so dass ein Stromfluss über die Drain-Source-Strecken der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 gesperrt ist, und der korrespondierende Nachbildungswiderstand R1, Rn in den Strompfad zwischen den Testanschlüssen HS, LS eingeschleift ist. Auf diese Weise kann die Hochlastwiderstandsdekade in Abhängigkeit von den verwendeten Nachbildungswiderständen R1 bis Rn einen beliebig einstellbaren Widerstandsbereich und eine Unterbrechung darstellen.
  • Zur Darstellung eines minimalen Widerstandswertes bzw. eines Kurzschlusses zwischen den beiden Testanschlüssen HS, LS wird eine weitere Schalteinheit 15 verwendet, welche einen minimalen Widerstandswert oder einen maximalen Widerstandswert in den Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen HS, LS einschleift. Der minimale Widerstand entspricht einem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren 42, 44 im leitenden Zustand. Der maximale Widerstand entspricht einem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren 42, 44 im sperrenden Zustand, wobei zur Darstellung der Unterbrechung bzw. des maximalen Widerstands die erste Schalteinheit 12.0 der Hochlastwiderstandsdekade gleichzeitig geöffnet ist.
  • Über eine weitere Schalteinheit 14.1 kann der erste Testanschluss HS mit einem ersten Bezugspotential B1 verbunden werden. Eine weitere Schalteinheit 14.2 wird verwendet, um den ersten Testanschluss HS mit einem zweiten Bezugspotential GND2, hier mit dem zweiten Massepotential zu verbinden. Anlog wird eine weitere Schalteinheit 16.1 verwendet, um den zweiten Testanschluss LS mit einem dritten Bezugspotential B2 zu verbinden. Eine weitere Schalteinheit 16.2 kann den zweiten Testanschluss LS mit einem vierten Bezugspotential GND2, hier mit dem zweiten Massepotential verbinden.
  • Durch die verschiedenen Schalteinheiten 12.0 bis 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2 können in vorteilhafter Weise die realen Eigenschaften von Zündkreisen für Personenschutzmittel nachgebildet werden. So kann die abgleichbare Hochlastwiderstandsdekade 12.0 bis 12.n zur Nachbildung von Widerständen in Airbag-Zündkreisen verwendet werden. Des Weiteren können über die Schalteinheit 15 konfigurierbare Einschaltzeitspannen und/oder Ausschaltzeitspannen erzeugt und zur Verfügung gestellt werden, welche über Zeit- oder Spannungskriterien einstellbar sind, um ein reales Verhalten von Airbag-Zündkreisen nachbilden zu können. Außerdem können über die Schalteinheiten 14.1, 14.2, 16.1, 16.2 Kurzschlüsse bzw. Nebenschlüsse der Ausgabeanschlüsse bzw. Testanschlüsse HS, LS zu verschiedenen Potentialen B1, B2, GND2 realisiert werden. Zur Nachbildung von Prellverhalten und Wackelkontakten können über die Schalteinheit 15 und die Hochlastwiderstandsdekade 12.0 bis 12.n Unterbrechungen und einstellbare Widerstände mit einstellbarer zeitlicher Dauer vorgegeben werden.
  • Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, umfasst der Pulsgenerator 50, einen Signalgenerator 52 und eine Verstärkerstufe 54. Der Signalgenerator 52 erzeugt in Reaktion auf das Steuersignal S1 eine Pulsform mit einem entsprechenden zeitlichen Verlauf. Die Verstärkerstufe, welche einen Transistor TB , einen Widerstand RB und einen Kondensator CB umfasst, minimiert die erforderliche Ansteuerleistung und verkürzt die Anstiegs- bzw. Abfallflanken der erzeugten Steuerspannung US . Durch eine entsprechende Dimensionierung eines Vorwiderstandes RV kann die Amplitude der Steuerspannung US variiert werden und das FET-Relais 20 auch mit anderen Spannungspegeln angesteuert werden. Der Vorwiderstandes RV ist zwischen dem Anschluss der ersten Versorgungsspannung UV1 und einem ersten Ausgabeanschluss des Pulsgenerators 50 eingeschleift, welcher mit einem korrespondierenden ersten Eingabeanschluss des FET-Relais 20 verbunden ist. Ein Ausgang der Verstärkerstufe 54 ist mit einem zweiten Ausgabeanschluss des Pulsgenerators 50 verbunden, welcher mit einem korrespondierenden zweiten Eingabeanschluss des FET-Relais 20 verbunden ist.
  • Wie aus 5 ersichtlich ist, wird für jedes FET-Relais 20 ein DC/DC Wandler 60 verwendet, um aus der ersten Versorgungsspannung UV1 die höhere zweite Versorgungsspannung UV2 zur Versorgung des FET-Relais 20 zu erzeugen. Hierbei dienen die Kondensatoren ES1 und ES2 als Energiespeicher. Der Kondensator ES1 dient als Energiespeicher, um die Gate-Kapazitäten der beiden FET-Schalttransistoren 42, 44 schnell aufladen zu können, um die kurzen Schaltzeiten realisieren zu können.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können elektromechanische Relais oder Halbleiter-Relais (Solid-State-Relais) ersetzen und extrem kurze Unterbrechungen oder niederohmige Kurzschlüsse im einstelligen Mikrosekundenbereich an zu überprüfenden Steuergeräten nachbilden, welche in der LV124-Spezifikation zur Überprüfung von Personenschutzsystemen vorgeschrieben werden. Mit elektromechanischen Relais oder bekannten Halbleiter-Relais können zurzeit nur Schaltzeiten im dreistelligen Mikrosekundenbereich realisiert werden. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise, dass die Vorgaben in der LV124 Spezifikation zum Überprüfen von Personenschutzmitteln erfüllt werden können, in welcher beispielsweise Unterbrechungen von Steuergerätepins bis in den einstelligen Mikrosekundenbereich gefordert werden. Mit Ausführungsformen des erfindungsmäßigen FET-Relais ist es möglich, Schaltzeiten unter einer Mikrosekunde zu realisieren. Durch den speziellen Aufbau ist es zudem möglich, Wechselspannungslasten zu schalten. Durch die Auswahl eines geeigneten Optokopplers, welcher die Gate-Kapazitäten der Endstufentransistoren schnell aufladen kann, ist es möglich, Ströme im zweistelligen Amperebereich mit sehr kurzen Einschaltzeiten, welche kleiner als eine Mikrosekunde sind, darzustellen. Gleichzeigt können sehr niedrige Einschaltwiderstände im Bereich von ca. 15 mΩ zur Verfügung gestellt werden. Durch die Potentialtrennung von Lastschaltung und Steuerschaltung ist es ebenso wie bei elektromechanischen Relais oder Solid-State Relais möglich, mehrere FET-Relais in beliebiger Kombination anzuordnen.

Claims (10)

  1. FET-Relais mit einem Optokoppler (30) als Steuerschaltung und einer FET-Schaltstufe (40) als Lastschaltung, welche zwei FET-Schalttransistoren (42, 44) umfasst, wobei der Optokoppler (30) eine Koppelstufe (32) aufweist, welche in Abhängigkeit von einem an der Koppelstufe (32) anliegenden Steuersignal (US) einen Ausgangstreiber (34) zur Ansteuerung der FET-Schaltstufe (40) ansteuert, gekennzeichnet durch einen Energiespeicher (ES1) zur Energieversorgung des Ausgangstreibers (34) des Optokopplers (30), welcher zur Reduzierung der Einschaltzeiten Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren (42, 44) der FET-Schaltstufe (40) über den als Gegentaktendstufe ausgeführten Ausgangstreiber (34) schnell auflädt, wobei der als Gegentaktendstufe ausgeführte Ausgangstreiber (34) des Optokopplers (30) die Gate-Kapazitäten der FET-Schalttransistoren (42, 44) der FET-Schaltstufe (40) schnell entlädt.
  2. FET-Relais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die FET-Schalttransistoren (42, 44) als N-Kanal-Feldeffekttransistoren oder P-Kanal-Feldeffekttransistoren ausgeführt sind.
  3. FET-Relais nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Source-Anschlüsse (S) der beiden FET-Schalttransistoren (42, 44) mit einander verbunden sind und ein gemeinsames Bezugspotential zur Verfügung stellen, wobei die Gate-Anschlüsse (G) der beiden FET-Schalttransistoren (42, 44) mit einander verbunden sind und zeitgleich vom Ausgangstreiber (34) ansteuerbar sind, und wobei die Drain-Anschlüsse (D) der beiden FET-Schalttransistoren (42, 44) jeweils einen Ausgabeanschluss (E1, E2) des FET-Relais (20) bilden, welche polungsunabhängig mit einer Lastschaltung verbindbar sind.
  4. FET-Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (ES1) und/oder der Optokoppler (30) und/oder die FET-Schaltstufe (40) so dimensioniert sind, dass am Ausgang (E1, E2) bei einem Einschaltpuls die Einschaltzeitverzögerung im Bereich von 250 bis 350ns liegt, und die Ausschaltzeitverzögerung im Bereich von 450 bis 550ns liegt, und die Anstiegszeit im Bereich von 80 bis 120ns liegt, und die Abfallzeit im Bereich von 70 bis 90ns liegt.
  5. FET-Relais nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (ES1) und/oder der Optokoppler (30) und/oder die FET-Schaltstufe (40) so dimensioniert sind, dass am Ausgang bei einem Ausschaltpuls die Einschaltzeitverzögerung (E1, E2) und die Ausschaltzeitverzögerung im Bereich von 450 bis 550ns liegen, und die Anstiegszeit im Bereich von 80 bis 120ns liegt, und die Abfallzeit im Bereich von 70 bis 90ns liegt.
  6. Testmodul zum Prüfen von elektrisch steuerbaren Leistungsschaltern mit einer Auswerte- und Steuereinheit (3), einer Messeinheit (5) und einer Nachbildungsbaugruppe (10), wobei die Auswerte- und Steuereinheit (3) die Nachbildungsbaugruppe (10) in Abhängigkeit von Ausgaben der Messeinheit (5) und von Prüfvorgaben ansteuert, um bestimmte elektrische Eigenschaften an Testanschlüssen (HS, LS) der Nachbildungsbaugruppe (10) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbildungsbaugruppe (10) zum Einstellen der elektrischen Eigenschaften an den Testanschlüssen (HS, LS) mindestens ein FET-Relais (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
  7. Testmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes FET-Relais (20) mit einem Pulsgenerator (50) zu einer Schalteinheit (12.0, 12.1, 12.n, 14.1, 14.2, 15, 16.1, 16.2) zusammengefasst ist, wobei der Pulsgenerator (50) in Abhängigkeit von einem Steuersignal (S1) eine Steuerspannung (US) mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf zur Ansteuerung des FET-Relais (20) erzeugt.
  8. Testmodul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schalteinheit (12.0, 12.1, 12.n) einen vorgegebenen Nachbildungswiderstand (R1, Rn) überbrückt oder in einen Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen (HS, LS) einschleift oder den Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen (HS, LS) auftrennt.
  9. Testmodul nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Schalteinheit (15) einen minimalen Widerstandswert oder einen maximalen Widerstandswert in einen Signalpfad zwischen den beiden Testanschlüssen (HS, LS) einschleift, wobei der minimale Widerstand einem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren (42, 44) im leitenden Zustand entspricht, und wobei der maximale Widerstand einem Drain-Source-Widerstand der FET-Schalttransistoren (42, 44) im sperrenden Zustand entspricht.
  10. Testmodul nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Schalteinheit (14.1) einen ersten Testanschluss (HS) mit einem ersten Bezugspotential (B1) verbindet und/oder eine vierte Schalteinheit (14.2) den ersten Testanschluss (HS) mit einem zweiten Bezugspotential (GND2) verbindet und/oder eine fünfte Schalteinheit (16.1) einen zweiten Testanschluss (LS) mit einem dritten Bezugspotential (B1) verbindet und/oder eine sechste Schalteinheit (16.2) den zweiten Testanschluss (LS) mit einem vierten Bezugspotential (GND2) verbindet.
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