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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein System, um Glühstifte eines Fahrzeugs mit elektrischem Strom zu versorgen.
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DE 10 2005 040 308 A1 beschreibt eine Thermosicherung mittels Lot und Federelement, welches bei Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes eine Verschiebebewegung einer Kontaktbrücke auslöst. Diese Thermosicherung wird für einen Leistungshalbleiter zur Ansteuerung von Glückkerzen für ein Kraftfahrzeug eingesetzt.
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EP 2 105 670 A2 beschreibt eine Schmelzsicherung innerhalb eines Glühstifts.
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DE 10 2005 005 549 A1 offenbart die Ansteuerung einer Glühkerze, wobei ein Element unter mechanischer Spannung eingebaut wird, so dass eine Kontaktierung bei Überschreiten einer Grenztemperatur gelöst wird.
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DE 44 46 113 A1 beschreibt einen Schalter zwischen einem Glühstift und einer Versorgungsspannung. Im Fall eines Masseschlusses des Glühstifts kann der Glühstift stromlos geschaltet werden.
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Die
DE 10 2006 041 123 B4 offenbart einen elektrischen Stromkreis mit einer thermisch-mechanischen Sicherung, bei der die Lötstelle aus einem bleihaltigen Weichlot besteht, dessen Schmelztemperatur zwischen 183° und 190° liegt.
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Nach dem Stand der Technik sind Sicherungen bekannt, welche auslösen, wenn eine Stromaufnahme durch einen defekten Glühstift zu hoch ist. Allerdings lösen diese Sicherungen sehr spät aus und verhindern damit meist nur, dass das Fahrzeug selbst nicht in Brand gerät, verhindern aber beispielsweise nicht sicher, dass der defekte Glühstift den Motor zerstört.
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Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, einen Glühstift derart abzusichern, dass zumindest eine Zerstörung des Motors im Fehlerfall sicher vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Stromversorgung eines Glühstifts nach Anspruch 1, durch ein System zur Stromversorgung mehrerer Glühstifte nach Anspruch 9 und durch ein Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Stromversorgung eines Glühstifts für ein Fahrzeug bereitgestellt. Diese Vorrichtung umfasst einen Schalter (insbesondere einen FET (Feldeffekttransistor)) und eine Sicherung. Die Sicherung und der Schalter sind in Reihe geschaltet, wobei der Glühstift mit Strom versorgt wird, wenn der Schalter durchgeschaltet ist. Die Sicherung unterbricht die Stromversorgung des Glühstifts, wenn die Temperatur der Sicherung über einem vorbestimmten Temperaturschwellenwert liegt.
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Wenn jeder Schalter durch eine entsprechende Sicherung abgesichert ist, kann die Sicherung vorteilhafterweise derart ausgestaltet sein, dass sie bei einem Defekt des Schalters früh genug die Stromversorgung zu dem Glühstift unterbricht, um eine Beschädigung des Glühstifts und damit eine mögliche Beschädigung des Motors zu vermeiden.
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Insbesondere wenn der Schalter mit der Sicherung thermisch gekoppelt ist, kann die Sicherung vorteilhafterweise eine Erhöhung einer Verlustleistung des Schalters, was ein sicheres Indiz für einen Defekt des Schalters ist, erfassen und in diesem Fall die Stromversorgung des Glühstifts unterbrechen.
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Dazu umfasst die Sicherung insbesondere eine elektrisch leitfähige Feder und eine Lötstelle. Die Feder steht unter einer mechanischen Spannung, wenn die Feder mittels der Lötstelle mit dem Schalter elektrisch verbunden ist. Aufgrund dieser mechanischen Spannung wird die elektrische Verbindung zwischen der Feder und dem Schalter unterbrochen, wenn die Lötstelle über ihren Schmelzpunkt hinaus erwärmt wird, so dass sich die Feder entspannt.
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Eine solche aus einer unter Spannung stehenden Feder, welche mittels einer Lötstelle arretiert wird, bestehende Sicherung ist eine preiswerte und zuverlässige Thermosicherung, welche die Stromversorgung zu dem Glühstift zuverlässig unterbricht, sobald eine der Lötstelle zugeführte Wärmemenge pro Zeiteinheit über einem entsprechenden Schwellenwert liegt. Mit einer entsprechenden thermischen Kopplung zwischen dem Schalter und der Sicherung kann eine derart ausgestaltete Sicherung sehr sicher die Verlustleistung des Schalters überwachen und die Stromversorgung zu dem Glühstift unterbrechen, sobald diese Verlustleistung über einem entsprechenden Schwellenwert liegt, was bei einem Defekt des Schalters der Fall ist.
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Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung daher einen Wärmeleiter, welcher den Schalter und die Lötstelle thermisch gekoppelt.
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Dieser Wärmeleiter sorgt dafür, dass ein Wärmestrom, welcher durch die von dem Schalter erzeugte Verlustleistung erzeugt wird, zu der Lötstelle geleitet wird. Dadurch ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass die Lötstelle relativ rasch auf einen Anstieg der Verlustleistung, welcher bei einem Defekt des Schalters auftritt, reagiert und die elektrische Verbindung zu dem Glühstift unterbricht, wenn der Wärmestrom entsprechen groß ist.
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Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Wärmeleiter eine oder mehrere Bohrungen, welche mit einem gut die Wärme leitenden Material (z. B. Kupfer) gefüllt sind. Diese Bohrungen oder Micro-Vias verbinden den Schalter mit der Lötstelle und transportieren damit den Wärmestrom von dem Schalter zur Lötstelle.
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Mit Hilfe der Micro-Vias kann der Wärmestrom sehr rasch von dem Schalter zu der Lötstelle geleitet werden, wodurch die Reaktionszeit der Lötstelle (das Weichwerden des Lotes) im Fehlerfall des Schalters weiter verkürzt wird.
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Die Lötstelle kann mit einem SAC-Lot, welches einen Schmelzpunkt von 160° aufweist, ausgestaltet sein. SAC steht dabei für SnAgCu, wobei Sn für Zinn, Ag für Silber und Cu für Kupfer steht. Anders ausgedrückt umfasst das SAC-Lot Zinn, Silber und Kupfer, wobei das SAC-Lot im Wesentlichen aus Zinn besteht und darüber hinaus mehr Silber als Kupfer aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass die Sicherung nach spätestens einer vorbestimmten Zeitspanne auslöst, wenn eine Verlustleistung am Schalter einen vorbestimmten Leistungsschwellenwert übersteigt.
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Die Erfinder haben das Verhalten eines FETs kurz vor dem Durchlegieren studiert und erkannt, dass bei einem defekten FET bereits vor dem Durchlegieren eine Verlustleistung von ca. 16 bis 21 W am FET auftritt. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wurde die Vorrichtung daher derart ausgestaltet, dass die Sicherung in diesem Fall (bei einer Verlustleistung von 16 bis 21 W) eine Auslösezeit von 14 bis 58 s aufweist. Die Unterschiede in der Auslösezeit sind zum einen auf die individuelle Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich der Ausführung des Anschlusses zur Spannungsversorgung zurückzuführen. Insgesamt konnte dabei eine mittlere Auslösezeit von weniger als 30 s realisiert werden.
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Die Erfinder konnten nachweisen, dass eine Zerstörung des Glühstifts verhindert werden kann, wenn die vorbestimmte Zeitspanne 1 min und der vorbestimmte Leistungsschwellenwert 21 W beträgt, so dass es auch beim Durchlegieren eines FETs nicht zur Zerstörung des Glühstifts, dessen Stromversorgung von diesem FET gesteuert wird, kommt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein System zur Stromversorgung mehrerer Glühstifte für ein Fahrzeug bereitgestellt. Dabei umfasst das System für jeden Glühstift eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Vorteilhafterweise weist bei dem erfindungsgemäßen System somit jeder Heizpfad eines Glühstifts seine eigene Sicherung auf, so dass jeder Glühstift von seinem eigenen FET geschaltet wird, welcher wiederum von seiner eigenen erfindungsgemäßen Sicherung geschützt wird.
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Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (insbesondere einem Dieselmotor), welcher einen oder mehrere Glühstifte umfasst, bereitgestellt. Dieses Fahrzeug umfasst entweder eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder ein erfindungsgemäßes System.
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Durch die vorliegende Erfindung kann vorteilhafterweise auf eine zusätzliche Thermosicherung des Systems oder Steuergeräts zur Stromversorgung der Glühstifte verzichtet werden.
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Nach dem Stand der Technik wird häufig ein Schutz des Steuergeräts eingesetzt, welcher relativ träge ist, so dass die auf einer thermischen Basis ausgelegte Sicherung im Fehlerfall erst nach 60 min (oder mehr) auslöst. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Stromversorgung eines Glühstifts den Defekt des Schalters oder FETs überwacht, kann vorteilhafterweise auf eine zusätzliche oder weitere thermische Absicherung des Steuergeräts verzichtet werden.
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Erfindungsgemäß kann das Steuergerät Rastnasen aufweisen, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten des Steuergeräts vorhanden sind, um das Steuergerät fest in bzw. an dem Fahrzeug zu montieren. Diese Rastnasen werden über entsprechende Federelemente verriegelt, so dass ein nicht beabsichtigtes Lösen des Steuergeräts nicht mehr auftreten kann. Anders ausgedrückt ist durch diese mechanische Verrastung mit Rastnase und Führung ein Herausrutschen des Steuergeräts nicht mehr möglich. Dadurch kann die E-Box (Elektronik-Steuergerät des Fahrzeugs), in welcher das Steuergerät, welches auch als Glühzeit-Steuergerät (GZ-SG) bezeichnet wird, verbaut ist, bei der Fahrzeugmontage auch geworfen werden, ohne dass sich das Steuergerät löst.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet, um eine Beschädigung des Motors durch einen durchschmelzenden Glühstift zu verhindern. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen bevorzugten Anwendungsbereich eingeschränkt, da die vorliegende Erfindung auch bei Schiffen, Flugzeugen sowie gleisgebundenen oder spurgeführten Fahrzeugen einsetzbar ist. Darüber hinaus lässt sich die vorliegende Erfindung auch bei stationären Motoren (d. h. außerhalb eines Fortbewegungsmittels) einsetzen.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsformen mit Bezug zu den Figuren im Detail beschrieben.
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1 stellt perspektivisch eine erfindungsgemäße Sicherung in einem erfindungsgemäßen System dar.
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In 2 ist das in 1 dargestellte System schematisch von der Seite dargestellt.
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3 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
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4 stellt ein erfindungsgemäßes System oder Steuergerät mit zwei seitlichen Rastnasen dar.
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In 1 ist perspektivisch ein erfindungsgemäßes System 20 zur Stromversorgung mehrerer Glühstifte eines Fahrzeugs dargestellt. Dabei umfasst das System 20 für jeden Glühstift eine Vorrichtung, welche ihrerseits einen Schalter und eine Sicherung umfasst. In 1 sind zwei dieser Sicherungen dargestellt. Jede Sicherung umfasst eine leitfähige unter Spannung stehende Feder 1, welche rechts und links (in 1) mittels einer Lötstelle 2 elektrisch mit einem FET (Feldeffekttransistor) verbunden ist. Sobald eine Verlustleistung dieses FETs über einem vorbestimmten Verlustleistungsschwellenwert liegt, erwärmt sich die entsprechende Lötstelle 2, welche in der Nähe des jeweiligen FETs liegt und mit diesem thermisch gekoppelt ist, derart, dass die von der Lötstelle 2 gehaltene Feder 1 nach oben schnappt, so dass die elektrische Verbindung zwischen dem FET und dem jeweiligen Glühstift unterbrochen wird.
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2 zeigt das in 1 dargestellte System 20 von der Seite. Man erkennt, dass die beiden Federn 1 an derjenigen Seite, an welcher sie nicht mit der Lötstelle 2 befestigt sind, mittels eines Anschweißpunkts 3 befestigt sind. Durch diesen Anschweißpunkt wird eine feste Verbindung mit der jeweiligen Feder 1 realisiert und ein elektrischer Kontakt an dieser Stelle mit der Spannungsversorgung des Fahrzeugs erzeugt. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Kühlkörper des Systems 20.
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Die Federn 1 sind vorzugsweise aus dem Federmaterial Wieland K57 TM06 hergestellt und sind vor der Verarbeitung mit Nickel (1–3 μm) oder Zinn (4–8 μm) galvanisch beschichtet worden. Das Stanzen der Federn 1 erfolgt in der Regel nach der Beschichtung, so dass die Stanzkanten beim Löten blank sind. Die Stärke der Federn 1 beträgt bei der dargestellten Ausführungsform 0,2 mm bei einer Länge von 16,6 mm. Die Erstellung der Lötstelle erfolgt in einem Arbeitsgang mit den anderen Kontakten im Rahmen eines Hub-Tauch-Lötverfahrens.
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3 stellt schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 dar. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 5 umfasst einen FET 6 und eine unter einer mechanischen Spannung stehende Feder 1, welche durch eine Lötstelle 2 unter dieser Spannung gehalten wird und dadurch elektrisch mit dem FET 6 verbunden ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 5 einen Wärmeleiter in Form von Micro-Vias 8, welche die Lötstelle 2 mit dem FET 6 verbinden.
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Der FET 6 steuert die Stromversorgung eines Glühstifts 7, welcher sich in einem Dieselmotor (nicht dargestellt) des Fahrzeugs 10 befindet. Die Feder 1 ist an ihrem Ende, welches dem mit der Lötstelle 2 befestigten Ende gegenüberliegt, mittels eines Anschweißpunkts 3 befestigt, wobei dieser Anschweißpunkt 3 mit einer Klemme in elektrischer Verbindung steht, welche das elektrische Potenzial ”Klemme 30” (Plusleitung direkt von der Batterie) trägt.
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Beim Vorglühen des Dieselmotors schaltet der FET 6, wodurch die Batteriespannung an dem Glühstift 7 anliegt. Beim Durchlegieren des FETs 6 wird eine entsprechend große Verlustleistung am FET 6 erzeugt, wodurch eine Erwärmung des FETs 6 entsteht. Die dadurch entstehende Wärmemenge wird über die Micro-Vias 8 zu der Lötstelle 2 geleitet, welche dadurch welch wird, wenn diese Wärmemenge über 1 min lang zu der Lötstelle 2 transportiert wird. Wenn die Lötstelle 2 weich wird, kann sie die unter der mechanischen Spannung stehende Feder 3 nicht mehr halten, so dass sich diese Feder 1 entspannt bzw. aufschnappt, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Batteriespannung KL 30 und dem Glühstift 7 unterbrochen wird, bevor der Glühstift 7 und damit der Dieselmotor zerstört werden.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßes System oder Steuergerät 20 mit seitlichen Rastnasen 11, 12 dargestellt. Man erkennt, dass die beiden Rastnasen 11, 12 unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Die beiden Rastnasen 11, 12 dienen der Befestigung des Steuergeräts 20, so dass sich das Steuergerät 20 auch bei Erschütterungen des Fahrzeugs 10 nicht aus einer mit den Rastnasen 11, 12 realisierten Verbindung löst.
