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Schaltbare Lasten, also Lasten, die mittels eines steuerbaren Schaltelements mit einer Versorgungsspannung zum Betätigen der Last verbunden werden können, müssen überprüfbar sein. Dies gilt vor allem, wenn der Strom durch die Last – beispielsweise mittels einer Zweipunktregelung – geregelt werden soll.
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Solche Lasten können in verschiedener Weise mittels Schaltelemente mit einem oder mehreren Potentialen einer Versorgungsspannung verbunden werden. 1 zeigt eine erste Variante, bei der die Last, die einen ohmschen RL und einen induktiven Anteil LL hat, mittels eines Schaltelements S1 mit dem hohen Potential VBAT einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist. Das Schaltelement S1 ist als p-MOS-Transistor ausgebildet, es können jedoch auch andere geeignete Schaltelemente zum Einsatz kommen. Parallel zur Last RL, LL ist eine Freilaufdiode D verschaltet. Im Strompfad vom hohen Versorgungsspannungspotential VBAT über das Schaltelement S1 und die Last RL, LL ist zwischen dem hohen Versorgungsspannungspotential VBAT und dem Schaltelement S1 ein Strommesswiderstand Rm angeordnet. Der Spannungsabfall an diesem Strommesswiderstand Rm ist ein Maß für den durch die Last RL, LL fließenden Strom IL und wird zur Regelung des Stromes IL verwendet.
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Hierbei wird, wie 4 zeigt, nachdem das Schaltelement S1 geschlossen wurde und der Strom IL mit einer dem Wert des induktiven Anteils LL der Last entsprechenden Geschwindigkeit ansteigt, ein erster hoher Schwellwert I1 erreicht. Eine Stromregeleinrichtung steuert daraufhin das Schaltelement S1 öffnend an, worauf der Strom IL wieder abnimmt, bis er einen niederen Schwellwert I2 erreicht. Daraufhin wird das Schaltelement S1 wieder schließend angesteuert usf.. Wie in 4 zu erkennen ist, wird der Strom IL hierdurch auf einen pulsierenden Verlauf mit konstantem Mittelwert geregelt, bis er vollständig abgeschaltet wird.
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Die 2 und 3 zeigen weitere Möglichkeiten der Verschaltung einer Last RL, LL mit einem Schaltelement S2, das die Last mit dem niederen Potential der Versorgungsquelle, das das Bezugspotential oder Masse bilden kann, verbindet bzw. mit zwei Schaltelementen S1 und S2, die die Last RL, LL mit beiden Potentialen der Versorgungsspannungsquelle verbinden können. In gleicher Weise kann auch eine Vollbrückenschaltung vorgesehen sein, um einen Strom in beide Richtungen durch die Last schicken zu können.
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Die Regelung des Stromes durch die Last erfolgt für alle Schaltungsbeispiele in der zu den 1 und 4 erläuterten Art und Weise.
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Als Strommesseinrichtung muss nicht unbedingt ein Strommesswiderstand, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden, dies kann mit allen dem Fachmann geläufigen Methoden, beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung oder eines Sense-Fets, also eines Feldeffekttransistors mit einem Ausgang, an dem ein Signal abgreifbar ist, das repräsentativ für den Strom durch den Lastpfad des Transsitors ist, erfolgen.
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Die in den
1 bis
3 dargestellten Schaltungsbeispiele für geschaltete Lasten sind beispielsweise aus der
DE 10 2008 035 325 A1 bekannt.
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Bei solchen geschalteten Lasten, insbesondere bei Anwendung in einer Motorsteuerung für ein Kraftfahrzeug, müssen Fehlerfälle erkannt werden können. Neben Kurzschlüssen der Lastanschlüsse zu den Versorgungsspannungspotentialen sowie Unterbrechung einer Verbindungsleitung der Last zu einem Schaltelement muss insbesondere auch ein Kurzschluss über der Last detektiert werden können.
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Ein solcher Kurzschluss über der Last wird derzeit detektiert, indem die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes in einem Zeitintervall ermittelt wird, also ermittelt wird, wie lange der Strom braucht, um einen bestimmten Wert zu erreichen, und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird, und bei Überschreiten des Schwellwerts auf einen Kurzschluss geschlossen wird.
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Da die Induktivitäten solcher geschalteter Lasten, beispielsweise von Magnetaktoren, im Verhältnis zu Leitungsinduktivitäten relativ groß sind, führt dies beim Betätigen dieser Magnetaktoren durch Schließen des oder der zugeordneten Schaltelemente zu einem verlangsamten Anstieg des Stromes. Liegt jedoch ein Kurzschluss über der Last vor, wird der Strom nicht durch die Induktivität der Last gebremst, sondern lediglich durch die sehr viel geringere Induktivität der Leitungen, was dazu führt, dass der Strom deutlich schneller ansteigt, was in der beschriebenen Weise detektiert werden kann.
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Allerdings kann diese Überprüfung mit geringem Aufwand nur zu Beginn der Ansteuerung der Last erfolgen, da dann der Stromanstieg für eine einfache Messung lange genug dauert. Dies ist in der 6 dargestellt. Am Beginn der Ansteuerung, wenn das Schaltelement geschlossen wird und der Stromfluss durch die Last beginnt, wird dieser durch die Induktivität der Last gebremst, d. h. er steigt nur verhältnismäßig langsam an und wird schließlich in der beschriebenen Art und Weise mittels eines Zweipunktreglers auf einen konstanten Mittelwert geregelt.
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Zu einem bestimmten Zeitpunkt soll nun ein Kurzschluss über der Last auftreten, wodurch aufgrund des Wegfalls der Induktivität der Last im Strompfad der Anstieg und der Abfall des Stromes deutlich schneller erfolgen und während der weitergehenden Regelung daher während eines bestimmten Zeitabschnittes deutlich mehr Ein- und Ausschaltvorgänge erfolgen, bis die Last endgültig von der Versorgungsspannung durch Öffnen des Schaltelements getrennt wird. Erst bei einer Kontrolle in einem darauffolgenden Zyklus wird aufgrund des schnelleren aber trotzdem lange genug dauernden Anstiegs des Stromes erkannt, dass ein Kurzschluss über der Last vorliegt. Durch die schnell aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge kann es zu einer Zerstörung der Schaltelemente und auch einer nachteiligen Beeinflussung anderer Bauteile im Gesamtsystem kommen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu vermeiden. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2.
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Demgemäß weist eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Kurzschlusses über einer Last Anschlussklemmen zum Anschließen einer Last, zumindest einen steuerbaren Schalter zum Anlegen einer Versorgungsspannung an die Anschlussklemmen mittels einer den steuerbaren Schalter durch Zweipunktregelung ansteuernden Regelschaltung und eine Strommesseinrichtung zum Detektieren des Stromes durch die angeschlossene Last auf. In erfindungsgemäßer Weise ist weiterhin eine Frequenzmesseinrichtung zum Ermitteln der Frequenz des detektierten Stromes durch die angeschlossene Last und eine Vergleichseinrichtung vorgesehen, wobei ein Eingang der Vergleichseinrichtung mit einer Referenzfrequenzquelle und deren anderer Eingang mit der Frequenzmesseinrichtung verbunden ist, und die eingerichtet ist, an einem Ausgang ein Fehlersignal auszugeben, wenn die ermittelte Frequenz höher als die Referenzfrequenz ist.
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Es kann also in vorteilhafter Weise mittels der Frequenzmesseinrichtung die bei einem Kurzschluss auftretende deutlich höhere Frequenz des gepulsten Stromes durch die Last ermittelt werden und durch Vergleich mit einer Referenzfrequenz, die beispielsweise ein Maß für die normale Frequenz aufgrund der Zweipunktregelung bei nicht kurz geschlossener Last ist, erkannt werden, ob ein Kurzschluss vorliegt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Regelschaltung eingangsseitig mit dem Ausgang der Vergleichseinrichtung und ausgangsseitig mit einem Steuereingang des steuerbaren Schalters verbunden und eingerichtet, diesen öffnend anzusteuern, wenn ein Fehlersignal vorliegt.
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Hierdurch kann in vorteilhafter Weise nicht nur ein Kurzschluss erkannt, sondern auch ein zu hoher, schädigender Strom durch Öffnen des Stromkreises unterbrochen werden.
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In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Regelschaltung eingerichtet, den steuerbaren Schalter nach einer vorgegebenen Anzahl von Schaltzyklen mit hoher Frequenz öffnend anzusteuern. Hierdurch kann auf einfache Weise verhindert werden, dass kurzzeitige Schwankungen der Frequenz zu einem Abschalten führen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Kurzschlusses über einer Last, bei dem eine Versorgungsspannung mittels eines Zweipunktstromreglers an Anschlussklemmen der Last angelegt wird und die Frequenz des hierdurch durch die Last fließenden Stroms ermittelt und mit einer Referenzfrequenz verglichen wird und auf einen Kurzschluss erkannt wird, wenn die ermittelte Frequenz höher als die Referenzfrequenz ist.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, einen Kurzschluss sofort zu erkennen und sofort oder nach einer vorgebbaren Anzahl von Perioden mit hoher Frequenz oder kurzer Periodendauer geeignete Gegenmaßnahmen einzuleiten, ohne dass hochpräzise Messeinrichtungen nötig sind, während eine Kurzschlusserkennung aufgrund des schnelleren Anstieg des Stroms bei einem Kurzschluss mit geringem Aufwand und ausreichender Sicherheit nur während des ersten Einschaltens bei einer Bestromungsphase einer Last mit induktivem Anteil möglich ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 eine Vorrichtung zum Ansteuern einer induktiven Last mit einem High-Side-Schalter nach dem Stand der Technik,
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2 eine Vorrichtung zum Ansteuern einer induktiven Last nach dem Stand der Technik mit einem Low-Side-Schalter,
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3 eine Vorrichtung zum Ansteuern einer induktiven Last nach dem Stand der Technik mit einer Halbbrückenschaltung,
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4 den Stromverlauf bei einer Zweipunktregelung bei Vorrichtungen gemäß der 1 bis 3,
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5 den Stromverlauf beim Einschalten einer induktiven Last über der ein Kurzschluss besteht,
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6 die Kurzschlusserkennung aufgrund des Stromverlaufs gemäß dem Stand der Technik,
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7 den Stromverlauf bei einem Kurzschluss bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren und
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8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Kurzschlusses über einer Last gemäß einer Ausführung der Erfindung.
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8 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Kurzschlusses über einer Last RL, LL in einer Ausführung mit einem Schaltelement S2, das als Low-Side-Schalter betrieben wird und zwischen der Last RL, LL, die mit einem Anschluss mit dem positiven Potential der Versorgungsspannung VBAT verbunden ist, und dem niederen Potential der Versorgungsspannung, das im dargestellten Beispiel als Masseanschluss ausgebildet ist, angeordnet ist.
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Zwischen dem Schaltelement S2 und dem Masseanschluss ist außerdem ein Strommesswiderstand Rm verschaltet, an dem aufgrund des Stromes IL durch die Last RL, LL und den Schalter S2 sowie den Strommesswiderstand Rm eine Spannung abfällt, die ein Maß für den Strom IL ist. Die Last hat einen ohmschen Anteil RL sowie einen induktiven Anteil LL und kann beispielsweise der Magnetaktor eines Einspritzventils für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug oder eines sonstigen magnetischen Betätigungsmittels sein. Der Last ist eine Diode D parallel geschaltet, die für einen Freilauf in bekannter Weise sorgt.
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Die Anschlüsse des Strommesswiderstands Rm sind mit einer Strommesseinrichtung MS verbunden, die den Spannungsabfall am Strommesswiderstand Rm ermittelt und an eine Regelschaltung RS liefert, die in bekannter Weise mittels einer Zweipunktregelung den Schalter S2 derart öffnend und schließend ansteuert, dass sich ein etwa konstanter Mittelwert des Stromes IL durch die Last RL, LL ergibt.
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In erfindungsgemäßer Weise ist eine Frequenzmessschaltung FM vorgesehen, die die Frequenz fm der am Strommesswiderstand Rm erfassten Spannung, die einen gepulsten Verlauf hat, erfasst und einer Vergleichseinrichtung zuführt, an deren anderem Eingang eine Referenzfrequenz fref anliegt. Wenn die ermittelte Frequenz fm der Spannung am Strommesswiderstand Rm bzw. des durch den Messwiderstand Rm fließenden Stromes IL die Referenzfrequenz fref überschreitet, gibt die Vergleichseinrichtung ein Signal an die Regelschaltung RS ab, das einerseits anzeigt, dass ein Kurzschluss über der Last RL, LL vorliegt und andererseits in einer Weiterbildung der Erfindung die Regelschaltung RS veranlasst, den Schalter S2 öffnend anzusteuern, so dass der Strom IL durch die kurzgeschlossene Last RL, LL unterbrochen wird. Diese Unterbrechung kann auch erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Schaltzyklen, nachdem die erhöhte Frequenz und damit der Kurzschluss festgestellt wurde, erfolgen.
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Der bei einem solchen Kurzschluss über der Last RL, LL auftretende Verlauf des Stromes IL ist in 7 dargestellt. Dort wird zu einem Zeitpunkt t0 aufgrund des Schließens des Schalters S2 durch die Regelschaltung RS die Last RL, LL bestromt und der Strom IL beginnt aufgrund der Induktivität IL mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu steigen. Beim Erreichen eines ersten hohen Stromschwellwerts I1 wird durch die Regelschaltung RS das Schaltelement S2 öffnend angesteuert, so dass der Strom IL durch die Last RL, LL aufgrund des in der Induktivität IL der Last gespeicherten magnetischen Energie mit einer gewissen Geschwindigkeit abfällt, bis er einen zweiten, niederen Schwellwert I2 erreicht, woraufhin der Schalter S2 wieder geschlossen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich üblicherweise während einer vorgegebenen Zeitdauer für einen Schaltzyklus der zu betätigenden Last RL, LL.
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Tritt jedoch zum Zeitpunkt t1 ein Kurzschluss über der Last auf, ist die den Stromanstieg bzw. -abfall bremsende Induktivität LL im Stromkreis nicht mehr vorhanden, so dass der Strom IL deutlich schneller ansteigt und wieder abfällt, da nur noch die Induktivitäten der Zuleitungen wirksam sind.
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Dies wird in erfindungsgemäßer Weise durch die Frequenzmessschaltung FM gemäß 8 erkannt und nach einer vorgegebenen Anzahl von Frequenzperioden bzw. Schaltzyklen wird durch die Regelschaltung RS das Schaltelement S2 öffnend angesteuert, so dass ein weiterer Stromfluss durch die Last RL, LL unterbunden wird, um eine Zerstörung beispielsweise durch Überhitzung des Schaltelements oder auch des Kabelbaums sowie weiterer Schaltelemente zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008035325 A1 [0007]
