DE102015214078A1

DE102015214078A1 - Schmitt-Triggerschaltung und Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102015214078A1
Application number: DE102015214078.4A
Authority: DE
Inventors: Yasutaka WAKASUGI; Takaaki Ishii
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2016-01-28
Anticipated expiration: 2035-07-25
Also published as: US20160028382A1; DE102015214078B4; US9673791B2; CN105306018B; CN105306018A; JP2016025617A

Abstract

Eine Schmitt-Triggerschaltung gemäß der Ausführungsform enthält Spannungsteiler-Schaltung, die so eingerichtet ist, dass sie eine Eingangsspannung teilt und eine geteilte Spannung ausgibt, sowie eine Basis-Schmitt-Triggerschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie einen Transistor als ein Strom-Steuerelement enthält und Strom, der durch eine Leuchtdiode (LED) fließt, die in einem externen Photokoppler enthalten ist, auf Basis einer Ausgangsspannung der Spannungsteiler-Schaltung proportional zu der Eingangsspannung steuert. Dabei weist die Spannungsteiler-Schaltung einen positiven Temperatur-Koeffizienten auf.

Description

Querverweise auf verwandte Anmeldung/en
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität der in Japan am 24. Juli 2014 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-150658 und bezieht deren gesamten Inhalt durch Verweis ein.
Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schmitt-Triggerschaltung sowie eine Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung.
2. Beschreibung der verwandten Technik
In den letzten Jahren haben Elektrofahrzeuge Verbreitung gefunden. Daher ist eine Konfiguration entwickelt worden, bei der elektrische Energie von einer Elektrofahrzeug-Batterie nach außen abgegeben wird, um die Energie für einen Notfall zu nutzen.
Um eine derartige Konfiguration umzusetzen, ist eine Energieversorgungs-Steuervorrichtung für Elektrofahrzeuge entwickelt worden. Eine derartige Energieversorgungs-Steuervorrichtung enthält ein mechanisches Relais, das eine Elektrofahrzeug-Batterie zum Antreiben eines Fahrzeugs elektrisch mit einer Steckdose bzw. buchse zum Ausgeben von Energie bzw. Strom verbindet.
Eine derartige Energieversorgungs-Steuervorrichtung hat eine Funktion zum Ausgeben von Spannung und eine Funktion zum Ausgeben von Strom und meldet eine Spannung oder einen Speisestrom der Fahrzeugbatterie an eine externe elektronische Steuereinheit (ECU), während die Energie über das mechanische Relais zugeführt wird. Herkömmliche Technologie wird beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2014-033533 beschrieben.
Eine Fahrzeugbatterie zum Antreiben eines Fahrzeugs ist auf eine relativ hohe Spannung (zum Beispiel 275 V bis 650 V) eingestellt und muss so gegenüber einer Ausgangs-Schaltung (einer Kommunikations-Schnittstelle) elektrisch isoliert werden, die bei einer relativ niedrigen Spannung (zum Beispiel 12 V) arbeitet und mit einer externen ECU kommuniziert.
Daher werden eine Schaltung relativ hoher Spannung und eine Schaltung relativ niedriger Spannung unter Verwendung eines Photokopplers elektrisch gegeneinander isoliert.
Des Weiteren kann ein Bereich, in dem Spannung einer Fahrzeugbatterie schwankt, groß sein und diese beispielsweise von 40 V bis 650 V schwanken. Des Weiteren wird, um stabilen Betrieb einer Energieversorgungs-Steuervorrichtung zu gewährleisten, eine Leuchtdiode (LED), die in einem Photokoppler enthalten ist, unter Verwendung einer Schmitt-Triggerschaltung angesteuert, die Hysterese aufweist, so dass bei einer gewissen Spannungsschwankung in einem bestimmten Spannungsbereich einer Fahrzeugbatterie, die Energie für einen Notfall zuführen kann, Überwachungsergebnisse nicht abweichen.
Dabei fließt ein Strom, der proportional zu einer erfassten Spannung ist, durch eine in einem Photokoppler enthaltene LED und eine externe ECU bestimmt einfach, ob eine Spannung erfasst wird, die genauso hoch ist wie oder höher als eine bestimmte Spannung. Angesichts der Lebensdauer der LED oder anderer Bedingungen ist es vorteilhaft, Strom zu begrenzen, wenn eine Spannung der Fahrzeugbatterie genauso hoch ist wie oder höher als die bestimmte Spannung. Verbesserung von Genauigkeit bei der Spannungsmessung ist ebenfalls angestrebt worden.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts des Obenstehenden schafft die vorliegende Erfindung eine Schmitt-Triggerschaltung, mit der die Genauigkeit von Spannungsmessung verbessert werden kann und gleichzeitig die Lebensdauer einer in einem Photokoppler enthaltenen LED verlängert werden kann, sowie eine Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung, bei der die Schmitt-Triggerschaltung eingesetzt wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Probleme bei der herkömmlichen Technologie wenigstens teilweise zu lösen.
Die oben aufgeführte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den im Folgenden beschriebenen Konfigurationen gelöst.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Schmitt-Triggerschaltung eine Spannungsteiler-Schaltung, die so eingerichtet ist, dass sie eine Eingangsspannung teilt und eine geteilte Spannung ausgibt, sowie eine Basis-Schmitt-Triggerschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie einen Transistor als ein Strom-Steuerelement enthält und Strom, der durch eine in einem externen Photokoppler enthaltene Leuchtdiode (LED) fließt auf Basis einer Ausgangsspannung der Spannungsteiler-Schaltung proportional zu der Eingangsspannung steuert. Dabei weist die Spannungsteiler-Schaltung einen positiven Temperatur-Koeffizienten auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Spannungsteiler-Schaltung eine Zener-Diode, die in einer Rückwärtsrichtung geschaltet ist, sowie einen Spannungsteiler-Widerstand, der mit einer Niedrigpotential-Seite der Zener-Diode verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat die Zener-Diode einen positiven Temperatur-Koeffizienten.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält die Basis-Schmitt-Triggerschaltung des Weiteren einen ersten npn-Transistor, der einen Basis-Anschluss enthält, der mit einem Ausgangsanschluss der Spannungsteiler-Schaltung verbunden ist, sowie einen zweiten npn-Transistor, der einen Basis-Anschluss enthält, der mit einem Kollektor-Anschluss des ersten npn-Transistors verbunden ist. Dabei weist die LED einen Kathoden-Anschluss auf, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor-Anschluss des ersten npn-Transistors und dem Basis-Anschluss des zweiten npn-Transistors verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält eine Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung eine Schmitt-Triggerschaltung, die eine erste Spannungsteiler-Schaltung enthält, die so eingerichtet ist, dass sie eine Eingangsspannung von einer externen Energieversorgung teilt und eine geteilte Spannung ausgibt, sowie eine Basis-Schmitt-Triggerschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie eine zweite Spannungsteiler-Schaltung, die einen positiven Temperatur-Koeffizienten hat und eine Ausgangsspannung der ersten Spannungsteiler-Schaltung teilt, sowie einen Transistor als ein Strom-Steuerelement enthält, und Strom, der durch eine in einem Photokoppler enthaltene Leuchtdiode (LED) fließt, auf Basis einer Ausgangsspannung der zweiten Spannungsteiler-Schaltung steuert, sowie eine Ausgangs-Schaltung, die so eingerichtet ist, dass sie einen Phototransistor enthält, der in dem Photokoppler enthalten ist, und Energiequellen-Überwachungsinformationen nach außen ausgibt.
Die oben beschriebenen und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile sowie technische und industrielle Bedeutung der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden ausführlichen Beschreibung gegenwärtig bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung bei Betrachtung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild eines allgemeinen Aufbaus einer Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Schema, das der Erläuterung eines beispielhaften Schaltungsaufbaus einer Schmitt-Triggerschaltung dient;
3 ist ein Schema, das der Erläuterung von Funktion der Schmitt-Triggerschaltung dient; und
4 ist ein Schema, das der Erläuterung eines weiteren beispielhaften Schaltungsaufbaus der Schmitt-Triggerschaltung dient.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
1 ist ein Blockschaltbild eines allgemeinen Aufbaus einer Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
Wenn eine Hauptbatterie BT1 als eine Fahrzeugbatterie zum Antreiben eines Fahrzeugs mit einer Ladebuchse OL als einem Energieversorgungsanschluss über ein Relais RL1 verbunden wird, erfasst eine Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung 10 einen Strom der Energieversorgung und gibt ihn an eine externe ECU (eine Fahrzeug-ECU) 60 aus und erfasst, während die Hauptbatterie BT1, die ein Hochspannungssystem ist, gegenüber der ECU 60 isoliert ist, die ein Niederspannungssystem ist, eine Spannung der Energieversorgung und gibt sie an die ECU 60 aus. In diesem Fall schließt und öffnet die Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung 10 das Relais RL1, das von der ECU 60 gesteuert wird.
Die Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung 10 enthält hauptsächlich eine Energieversorgungs-Schaltung 11, eine Stromerfassungs-Schaltung 12 sowie eine Spannungserfassungs-Schaltung 13. Die Energiezufuhr-Schaltung 11 stabilisiert (reguliert) von einer Zusatzeinheit-Batterie BT2 zum Ansteuern einer fahrzeuginternen Zusatzeinheit über das Relais RL2 zugeführte Energie und führt die Energie der gesamten Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung 10 zu. Die Stromerfassungs-Schaltung 12 ist mit einem Stromsensor CT zum Erfassen eines Energieversorgungs-Stroms der Hauptbatterie BT1 verbunden und gibt ein Stromerfassungs-Signal aus, das dem erfassten Strom entspricht. Die Spannungserfassungs-Schaltung 13 erfasst eine Spannung der Hauptbatterie BT1 über das Relais RL1 und gibt, während das Hochspannungssystem gegenüber dem Niederspannungssystem isoliert ist, ein Spannungserfassungs-Signal aus.
Die Stromerfassungs-Schaltung 12 enthält eine Stromsensor-Schnittstellenschaltung 21, eine Bezugsspannungs-Schaltung 22 sowie eine Schaltung 23 mit verstärktem Ausgang. Die Stromsensor-Schnittstellenschaltung 21 führt dem Stromsensor CT Energie zur Stromerfassung zu und verarbeitet ein durch den Stromsensor CT erfasstes Signal, um so das Signal als ein Stromerfassungs-Signal auszugeben. Die Bezugsspannungs-Schaltung 22 erzeugt ein Bezugsspannungs-Signal, das eine bestimmte Bezugsspannung hat und gibt es aus. Die Schaltung 23 mit verstärktem Ausgang vergleicht die Spannung des von der Stromsensor-Schnittstellenschaltung 21 ausgegebenen Stromerfassungs-Signals und des durch die Bezugsspannungs-Schaltung 22 ausgegebene Bezugsspannungs-Signal und gibt ein verstärktes Stromerfassungs-Signal an die ECU 60 aus.
Die Spannungserfassungs-Schaltung 13 enthält eine Hochspannungsteiler-Schaltung 31, eine Schmitt-Triggerschaltung 32 und eine Ausgangs-Schaltung 33. Die Hochspannungsteiler-Schaltung 31 dient als eine erste Spannungsteiler-Schaltung, die eine über das Relais RL1 angelegte Spannung der Hauptbatterie BT1 teilt und ausgibt. Die Schmitt-Triggerschaltung 32 gibt ein Spannungserfassungs-Signal CD mit ”H”-Pegel aus, wenn die durch die Hochspannungsteiler-Schaltung 31 geteilte Spannung höher ist als eine erste Schwellenspannung, und gibt ein Spannungserfassungs-Signal CD mit ”L”-Pegel über eine in einem Photokoppler FC enthaltene LED 48 aus, wenn die geteilte Spannung niedriger ist als eine zweite Schwellenspannung, die niedriger ist als die erste Schwellenspannung. Die Ausgangs-Schaltung 33 empfängt einen Eingang des Spannungserfassungs-Signals über die LED 48 und einen Phototransistor 61, die in dem Photokoppler FC enthalten sind, und gibt das empfangene Signal als ein Spannungserfassungs-Signal für ein Niederspannungssystem an die ECU 60 aus.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration besteht eine Funktion der Spannungserfassungs-Schaltung 13 darin, ein Spannungserfassungs-Signal mit ”H”-Pegel an die ECU 60 auszugeben, wenn das Relais RL1 normal schließt und die Spannung in der Lage ist, Energie zuzuführen.
Die ECU 60 kann auf Basis eines von der Spannungserfassungs-Schaltung 13 ausgegebenen Spannungserfassungs-Signals feststellen, ob das Relais RL1 normal arbeitet (schließt und öffnet) und führt verschiedene Steuervorgänge auf Basis des Spannungserfassungs-Signals sowie eines verstärkten Stromerfassungs-Signals durch, die von der Stromerfassungs-Schaltung 12 ausgegeben werden.
Im Folgenden wird die Schmitt-Triggerschaltung 32 detailliert erläutert.
2 ist ein Schema, das der Erläuterung eines beispielhaften Schaltungsaufbaus einer Schmitt-Triggerschaltung dient.
Die Schmitt-Triggerschaltung 32 enthält eine Spannungsteiler-Schaltung 41, einen ersten npn-Transistor 42, einen zweiten npn-Transistor 43 sowie einen Strombegrenzungs-Widerstand 44.
Die Spannungsteiler-Schaltung 41 dient als eine zweite Spannungsteiler-Schaltung, die die durch die Hochspannungsteiler-Schaltung 31 geteilte Spannung der Hauptbatterie BT1 weiter teilt. Der erste npn-Transistor 42 enthält einen Basis-Anschluss, an den die durch die Spannungsteiler-Schaltung 41 geteilte Spannung angelegt wird, sowie einen Emitter-Anschluss, der mit Erde verbunden ist. Der zweite npn-Transistor 43 enthält einen Basis-Anschluss, der mit dem Kollektor-Anschluss des ersten npn-Transistors 42 verbunden ist, sowie einen Emitter-Anschluss, der mit Erde und einem Ausgangsanschluss verbunden ist. Der Strombegrenzungs-Widerstand 44 ist an einem Ende mit einer Hochpotentialseiten-Ausgangsleitung L31H der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 verbunden und an dem anderen Ende mit der Spannungsteiler-Schaltung 41 verbunden.
Des Weiteren enthält die Schmitt-Triggerschaltung 32 Widerstände 45, 46 und 47 sowie die LED 48. Der Widerstand 45 ist an einem Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen der Spannungsteiler-Schaltung 41 und dem Strombegrenzungs-Widerstand 44 und an dem anderen Ende mit dem Kollektor-Anschluss des zweiten npn-Transistors 43 verbunden. Der Widerstand 46 ist an einem Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen der Spannungsteiler-Schaltung 41 und dem Strombegrenzungs-Widerstand 44 und an dem anderen Ende mit dem Kollektor-Anschluss des ersten npn-Transistors 42 verbunden. Der Widerstand 47 ist an einem Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 45 und dem zweiten npn-Transistor 43 verbunden. Die LED 48 enthält einen Anoden-Anschluss, der mit dem anderen Ende des Widerstandes 47 verbunden ist, sowie einen Kathoden-Anschluss, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten npn-Transistor 42 und dem zweiten npn-Transistor 43 verbunden ist, wobei die LED 48 in dem Photokoppler FC enthalten ist.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration bilden der erste npn-Transistor 42, der zweite npn-Transistor 43, der Widerstand 45 und der Widerstand 46 eine Basis-Schnitt-Triggerschaltung.
Es ist anzumerken, dass der Widerstand 47 und die LED 48 nicht in einer eigentlichen Schmitt-Triggerschaltung enthalten sind und in einer externen Schaltung enthalten sind, die mit einem Ausgang von der Schmitt-Triggerschaltung arbeitet. Um jedoch die Erläuterung dieser Konfiguration zu vereinfachen, werden der Widerstand 47 und die LED 48 als ein Teil der Schmitt-Triggerschaltung beschrieben.
Die Spannungsteiler-Schaltung 41 enthält eine Zener-Diode 51 und einen Widerstand 52. Die Zener-Diode 51 weist einen Kathoden-Anschluss, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Strombegrenzungs-Widerstand 44 und dem Widerstand 45 verbunden ist, sowie einen Anoden-Anschluss auf, der mit dem Basis-Anschluss des ersten npn-Transistors 42 verbunden ist. Der Widerstand 52 ist an einem Ende mit dem Anoden-Anschluss der Zener-Diode 51 und am anderen Ende mit Erde verbunden.
Bei der oben beschriebenen Konfiguration ist die Zener-Diode 51 hinsichtlich des Temperaturverhaltens so ausgewählt worden, dass sie einen positiven Temperatur-Koeffizienten hat. Das heißt, es ist eine Zener-Diode ausgewählt worden, die sich dadurch auszeichnet, dass der Widerstand abnimmt, wenn die Temperatur steigt. Bei dieser Konfiguration entspricht das Temperaturverhalten einer Anoden-Kathoden-Spannung beispielsweise 4,4 mV/°C.
Im Unterschied dazu hat der erste npn-Transistor 42 hinsichtlich des Temperaturverhaltens einen negativen Temperatur-Koeffizienten. Das heißt, der erste npn-Transistor 42 verhält sich so, dass der Widerstand zunimmt, wenn die Temperatur steigt. Beispielsweise entspricht das Temperaturverhalten einer Basis-Emitter-Spannung (Vbe) –2,2 mV/°C.
Daher wird die Schwankung des Emitter-Korrektor-Stroms aufgrund der Schwankung der Umgebungstemperatur teilweise aufgehoben und so durch das Temperaturverhalten der Zener-Diode 51 verringert, womit die Genauigkeit der durch die Spannungserfassungs-Schaltung 13 durchgeführten Messung verbessert wird.
Im Folgenden wird der in der Ausführungsform durchgeführte Prozess erläutert.
3 ist ein Schema, das der Erläuterung der Funktion der Schmitt-Triggerschaltung dient.
In der folgenden Erläuterung ist Hysterese der Schmitt-Triggerschaltung 32 realisiert worden, indem eine Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 eine erste Schwellenspannung Vth1, bei der Strom durch die LED 48 zu fließen beginnt, die stromlos ist, und eine zweite Schwellenspannung Vth2 (< Vth1) festgelegt werden, bei der Strom aufhört, durch die LED 48 zu fließen, die Strom führt.
Die Hysterese entsteht, da Werte von Strömen, die durch die Schmitt-Triggerschaltung 32 fließen, zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Öffnender des ersten npn-Transistors 42 und dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Sperren des ersten npn-Transistors 42, verschieden sind und sich damit eine AN-Schwellenspannung Vth_on zum Öffnen des ersten npn-Transistors 42 von einer AUS-Schwellenspannung Vth_off zum Sperren des ersten npn-Transistors 42 unterscheidet.
Der Grund dafür, dass sich die Ströme, die durch die Schmitt-Triggerschaltung 32 fließen, zwischen dem Zeitpunkt vor dem Öffnen des ersten npn-Transistors 42 und dem Zeitpunkt unmittelbar nach dem Sperren des ersten npn-Transistors 42, verschieden sind, liegt darin, dass sich Wege der Ströme trotz der Tatsache unterscheiden, dass die Ausgangsspannungen der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 unmittelbar vor dem Öffnen des Transistors 42 und unmittelbar vor dem Sperren des Transistors 42, im Wesentlichen die gleichen sind.
Das heißt, der Stromweg (ein Stromwert I1) unmittelbar vor dem Öffnen des ersten npn-Transistors 42 verläuft über den Widerstand 44, den Widerstand 45 und den zweiten npn-Transistor 43, und der Stromweg (ein Stromwert I2) unmittelbar vor dem Sperren des ersten npn-Transistors 42 verläuft über den Widerstand 44, den Widerstand 45, den Widerstand 47, die Diode (LED) 48 und den Transistor 42.
In diesem Fall sind, wenn die Spannung über die Spannungsteiler-Schaltung 41, das heißt, die Ausgangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 unmittelbar vor dem Öffnen des ersten npn-Transistors 42 und die Ausgangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 unmittelbar vor dem Sperren des ersten npn-Transistors 42 als VX definiert wird und der Widerstandswert des Widerstandes 44 als R44, die AN-Schwellenspannung Vth_on und die AUS-Schwellenspannung Vth_off durch die folgenden Ausdrücke gegeben: Vth_on = R44 × I1 VX, Vth_off = R44 × I2 VX, wobei der Stromwert I1 = (die Ausgangsspannung VX – eine gesättigte Kollektor-Emitter-Spannung des zweiten npn-Transistors 43)/der Widerstandswert des Widerstandes 45, der Stromwert I2 = (die Ausgangsspannung VX – ein Spannungsabfall VF der LED 48 – eine gesättigte Kollektor-Emitter-Spannung des ersten npn-Transistors 42)/der Widerstandswert des Widerstandes 45 + der Widerstandswert des Widerstandes 47), und der Stromwert I1 > der Stromwert I2.
Die Berechnungen ergeben die AN-Schwellenspannung Vth_on und die AUS-Schwellenspannung Vth_off, die sich um den folgenden Wert unterscheiden, der durch den folgenden Ausdruck gegeben ist: Vth_on – Vth_off = R44 × (I1 – I2) > 0, ∵ I1 > I2, und daher Vth_on = Vth_off + {R44 × (I1 – I2)}
Auf Basis der Differenz entsteht die Hysterese.
Bei dieser Konfiguration sind die erste Schwellenspannung Vth1 und die zweite Schwellenspannung Vth2 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 als Spannungen definiert, die jeweils einer Durchbruchspannung (zum Beispiel 8,2 V) der Zener-Diode 51 entsprechen. Das heißt, wenn die Ausgangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 bei Spannungsanstieg genauso hoch ist wie oder höher als die erste Schwellenspannung Vth1, wird eine Spannung, die der Durchbruchspannung entspricht, zwischen der Anode und der Kathode der Zener-Diode 51 angelegt, und wenn die Ausgangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 bei Spannungsabfall genauso hoch ist wie oder höher als die zweite Schwellenspannung Vth2, wird eine Spannung, die der Durchbruchspannung entspricht, zwischen der Anode und der Kathode der Zener-Diode 51 angelegt.
Der Maximalwert, der für die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 angenommen wird, ist, wie in (a) in 3 dargestellt, eine Maximalspannung Vmax. Ein Strom, der fließt, wenn die Spannung bei Spannungsanstieg genauso hoch ist wie oder höher als die erste Schwellenspannung Vth1, und ein Strom, der fließt, wenn die Spannung bei Spannungsabfall genauso hoch ist wie oder höher als die zweite Schwellenspannung Vth2, liegen innerhalb des Bereiches eines maximalen Stroms ILEDmax, der unter Berücksichtigung der Lebensdauer der LED 48 festgelegt worden ist, und der für den Erfassungsvorgang der Spannungserfassungs-Schaltung 13 ausreicht.
Die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 sollte eine Spannung sein, die proportional zu der Spannung der Hauptbatterie BT1 ist. Um jedoch das Verständnis der Gesamtfunktion zu erleichtern, wird im Folgenden ein Fall erläutert, in dem die Eingangsspannung Vin (proportional zu der Spannung der Hauptbatterie BT1) der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 mit einer konstanten Anstiegsgeschwindigkeit auf die Maximalspannung Vmax so steigt und dann mit einer konstanten Abfallgeschwindigkeit auf 0 V abfällt. In einem Anfangszustand beträgt die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 0 V, und die LED 48 führt keinen Strom.
1) Wenn die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 niedriger ist als die erste Schwellenspannung Vth1 (ein Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1)
Zunächst wird ein Fall erläutert, in dem die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 die erste Schwellenspannung Vth1 nicht überstiegen hat und niedriger ist als die erste Schwellenspannung Vth1.
In diesem Fall wird die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 über den Widerstand 44 und den Widerstand 46 als eine Spannung (Vbe > Transistor-Durchlassspannung = 0,6 V) zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten npn-Transistors 43 angelegt. Dann fließt ein bestimmter Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter des zweiten npn-Transistors 43.
Dabei wird keine Spannung, die genauso hoch ist wie oder höher als eine Durchbruchspannung (zum Beispiel 8,2 V) an die Zener-Diode 51 angelegt, und daher sperrt der ersten npn-Transistor 42.
Folglich fließt, wenn die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 niedriger ist als die erste Schwellenspannung Vth1, wie dies in 3 in (a) dargestellt ist, nur eine sehr geringe Strommenge, die über die Widerstände 44, 45 und 47 zugeführt wird und zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 43 fließt, durch die in dem Photokoppler enthaltene LED 48 wie dies 3 in (b) dargestellt ist. Daher emittiert die LED 48 kein Licht.
Dadurch hat ein Ausgangssignal der Ausgangs-Schaltung 33, wie in 3 in (c) dargestellt, ”L”-Pegel, was darauf hinweist, dass sich die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 in einem Zustand befindet, in dem sie nicht in der Lage ist, Energie zuzuführen (in diesem Fall ist die Ausgangsspannung Vout niedriger als die erste Schwellenspannung Vth1).
In diesem Fall stellt die ECU fest, dass sich das Relais RL1 in offenem Zustand befindet, da sich die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 in einem Zustand befindet, in dem sie nicht in der Lage ist, Energie zuzuführen. Wenn ein Ausgangssignal der Ausgangs-Schaltung 33 auf ”L”-Pegel ist, nachdem eine bestimmte Zeit nach Ausgabe einer Anweisung zum Schließen des Relais RL1 verstrichen ist, stellt die ECU 60 fest, dass sich das Relais RL1 in einem Störungszustand befindet, in dem das Relais RL1 nicht schließen kann. Die ECU 60 führt dann vorgegebene Steuerung hinsichtlich der Störung durch und bewirkt, dass eine Mitteilung an einen Benutzer über den Fehler des Relais RL1 gesendet wird.
Die ECU 60 stellt fest, dass sich das Relais RL1 in normalem Zustand befindet, wenn keine Anweisung zum Schließen des Relais RL1 ausgegeben worden ist oder eine Anweisung zum Öffnen des Relais RL1 ausgegeben worden ist.
2) Wenn die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 bei Spannungsanstieg genauso hoch ist wie oder höher als die erste Schwellenspannung Vth1 und bei Spannungsabfall genauso hoch ist wie oder höher als die zweite Schwellenspannung Vth2 (der Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2)
Im Folgenden wird ein Fall erläutert, in dem die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 bei Spannungsanstieg genauso hoch ist wie oder höher als die erste Schwellenspannung Vth1 und bei Spannungsabfall genauso hoch ist wie oder höher als die zweite Schwellenspannung Vth2.
In diesem Fall wird eine Spannung, die einer Durchbruchspannung (zum Beispiel 8,2 V) gleich ist, an die Zener-Diode 51 angelegt und ein Strom proportional zu der Eingangsspannung Vin fließt durch die Zener-Diode 51.
Dann öffnet der erste npn-Transistor 42 und es fließt, wie in 3 in (b) dargestellt, ein im Wesentlichen konstanter Strom = ILEDmax durch die LED 48.
Im Folgenden wird der Grund dafür erläutert, dass der Strom ILEDmax im Wesentlichen konstant ist.
Der Strom ILEDmax ist mit dem folgenden Ausdruck gegeben: ILEDmax = (Va – ein Spannungsabfall der LED 48 – eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce im Durchlasszustand des ersten npn-Transistors 42)/(der Widerstandswert des Widerstandes 45 + der Widerstandswert des Widerstandes 47) wobei Va eine Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 44 und dem Widerstand 45 ist.
In einem Betriebsbereich der Zener-Diode 51 ist, wenn die Eingangsspannung genauso hoch ist wie oder höher als eine Durchbruchspannung, die Spannung Va im Wesentlichen konstant.
So ergibt der oben beschriebene Ausdruck den Strom ILEDmax, der im Wesentlichen konstant ist.
Die Formulierung ”im Wesentlichen konstant” wird verwendet, da der mit dem oben stehenden Ausdruck gegebene Strom ILEDmax geringfügig zunimmt. Diese Zunahme wird auf folgende Weise verursacht: Nach Durchbruch der Zener-Diode 51 nimmt, wenn die Ausgangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 weiter zunimmt, die Spannung über die Zener-Diode 51 geringfügig zu (zum Beispiel +0,1 V), wodurch der Basis-Strom des Transistors 42 zunimmt, und nimmt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 42 geringfügig zu (zum Beispiel +0,1 V), so dass die Spannung Va geringfügig zunimmt (zum Beispiel 9,0 V).
Sofern jedoch erwartete Schwankung der Eingangsspannung der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 innerhalb des Bereiches zwischen der ersten Schwellenspannung Vth1 (oder der zweiten Schwellenspannung Vth2) und der Spannung Vmax liegt, liegt die Schwankung der Basis-Emitter-Spannung des ersten npn-Transistors 42 aufgrund der Schwankung des durch den Widerstand 52 fließenden Stroms innerhalb eines Bereiches, der, makroskopisch gesehen, keine starke Schwankung des durch die LED 48 fließenden Stroms verursacht.
Das Spannungsteilungsverhältnis der Spannungsteiler-Schaltung 41 ist beispielsweise so definiert, dass es 14,6:1 beträgt. Das heißt, wenn die Durchbruchspannung der Zener-Diode 51 8,2 V beträgt, beträgt die Spannung über den Widerstand 52 ungefähr 0,6 V. Durch ein derartiges Spannungsteilungsverhältnis kann das Spannungsteilungsverhältnis an der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 verringert werden und lässt Verwendung eines niedrigeren Widerstandswertes für einen in der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 enthaltenen Spannungsteilungs-Widerstand zu, so dass Wärmeerzeugung verringert wird und genauere Messung ermöglicht wird.
Wenn der erste npn-Transistor 42 öffnet, werden dabei die Basis und der Emitter des zweiten npn-Transistors 43 kurzgeschlossen. So sperrt der zweite npn-Transistor 43, und kein Strom fließt zwischen dem Kollektor und dem Emitter des zweiten npn-Transistors 43.
Das Ausgangssignal der Ausgangs-Schaltung 33 hat, wie in 3 in (c) dargestellt, ”H”-Pegel, was darauf hindeutet, dass sich die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 in einem Zustand befindet, in dem sie in der Lage ist, Energie zuzuführen (in diesem Fall ist die Ausgangsspannung Vout genauso hoch wie oder höher als die erste Schwellenspannung Vth1).
Da das Ausgangssignal der Ausgangs-Schaltung 33 ”H”-Pegel hat, das heißt, dass sich die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 in einem Zustand befindet, in dem sie in der Lage ist, Energie zuzuführen (in diesem Fall genauso hoch wie oder höher als die erste Schwellenspannung Vth1) stellt die ECU 60 fest, dass das Relais geschlossen ist.
Wenn ein Ausgangssignal der Ausgangs-Schaltung 33 ”H”-Pegel hat, nachdem eine bestimmte Zeit seit einer Ausgabe einer Anweisung zum Schließen des Relais RL1 verstrichen ist, stellt die ECU 60 fest, dass sich das Relais RL1 in einem normalen Zustand befindet, in dem das Relais RL1 normal geschlossen hat. In diesem Fall führt ECU 60 Steuerung durch, indem sie auf Basis eines von der Schaltung 23 mit verstärktem Ausgang der Stromerfassungs-Schaltung 12 ausgegebenen verstärkten Stromerfassungs-Signals feststellt, ob Strom normal fließt.
Die ECU 60 stellt fest, dass sich das Relais RL1 in einem Störungszustand befindet, in dem das Relais RL1 nicht öffnen kann (z. B. verschweißt ist), wenn keine Anweisung zum Schließen des Relais RL1 ausgegeben worden ist oder eine Anweisung zum Öffnen des Relais RL1 ausgegeben worden ist. Die ECU 60 führt dann vorgegebene Steuerung bezüglich der Störung durch und bewirkt, dass eine Benachrichtigung über den Fehler des Relais RL1 an einen Benutzer gesendet wird.
Des Weiteren führt die ECU verschiedene Steuervorgänge auf Basis eines von der Spannungserfassungs-Schaltung 13 ausgegebenen Spannungserfassungs-Signals sowie eines von der Stromerfassungs-Schaltung 12 ausgegebenen verstärkten Stromerfassungs-Signals durch.
3) Wenn die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 von einer Spannung, die genauso hoch ist wie oder höher als die zweite Schwellenspannung Vth2 (nach dem Zeitpunkt t2), unter die zweite Schwellenspannung Vth2 gefallen ist
Wenn die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 von einer Spannung, die genauso hoch ist wie oder höher als die zweite Schwellenspannung Vth2 unter die zweite Schwellenspannung Vth2 gefallen ist, wird die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 über den Widerstand 44 und den Widerstand 46 als eine Spannung (Vbe) zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten npn-Transistors 43 angelegt. Dann fließt ein bestimmter Strom zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 43.
Die an die Zener-Diode 51 angelegt Spannung fällt dabei wieder unter die Durchbruchspannung (zum Beispiel 8,2 V), und der erste npn-Transistor 42 sperrt erneut. Folglich fließt, wenn die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31, wie in 3 in (a) dargestellt, niedriger ist als die zweite Schwellenspannung Vth2, nur ein geringes Maß an Strom, der zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 43 fließt, wie in 3 in (b) dargestellt, durch die in dem Photokoppler enthaltene LED 48. Die LED 48 emittiert daher kein Licht.
Daher hat, wie in 3 in (c) dargestellt, das Ausgangssignal der Ausgangs-Schaltung 33 ”L”-Pegel, was darauf hindeutet, dass sich die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 wieder in einem Zustand befindet, in dem sie nicht in der Lage ist, Energie zuzuführen (in diesem Fall ist die Ausgangsspannung Vout niedriger als die zweite Schwellenspannung Vth2).
Daher stellt die ECU 60 fest, dass sich das Relais RL1 in geöffnetem Zustand befindet, da sich die Eingangsspannung Vin der Hochspannungsteiler-Schaltung 31 in einem Zustand befindet, in dem sie nicht in der Lage ist, Energie zuzuführen.
In der oben stehenden Beschreibung variiert die Ausgangsspannung. Wenn die ECU 60 die Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung so steuert, dass sie das Relais RL1 normal schließt, und die Energie der Hauptbatterie BT1 ausreicht, sollte zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 ein sofortiger Übergang zu dem oben beschriebenen Zustand stattfinden, so dass die ECU 60 feststellen kann, dass das Relais RL1 normal geschlossen hat. Im Unterschied dazu sollte, wenn die ECU 60 die Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung so steuert, dass das Relais RL1, das geschlossen ist, normal öffnet, nach dem Zeitpunkt t2 ein sofortiger Übergang zu dem oben beschriebenen Zustand erfolgen, so dass die ECU 60 feststellen kann, dass das Relais RL1 normal geöffnet hat.
Wenn das Relais RL1 nicht in einen geeigneten Steuerzustand übergehen kann, stellt die ECU 60 fest, dass sich das Relais RL1 in einem Störungszustand befindet, führt vorgegebene Steuerung für die Störung durch und bewirkt, dass eine Mitteilung über den Fehler des Relais RL1 zu einem Benutzer gesendet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, der Strom, der durch eine LED fließt, die in einem Photokoppler zum Isolieren eines Hochspannungssystems gegenüber einem Niederspannungssystem enthalten ist, auf einen Strom begrenzt werden, der genauso stark ist oder schwächer als der bestimmte maximal zulässige Strom (in der vorliegenden Ausführungsform ILEDmax), und daher kann die Lebensdauer der in dem Photokoppler enthaltenen LED verlängert werden.
Des Weiteren wird eine in der Rückwärtsrichtung geschaltete Zener-Diode 51 als Spannungsteiler-Widerstand eingesetzt, der in einer Spannungsteiler-Schaltung an einer Eingangsstufe der Schmitt-Triggerschaltung 32 enthalten ist. Die Zener-Diode 51 wird so ausgewählt, dass sie hinsichtlich des Temperaturverhaltens einen positiven Temperatur-Koeffizienten aufweist, der entgegengesetzt zu dem Temperaturverhalten (negativer Temperatur-Koeffizienten) eines Transistors ist, der den Basis-Anschluss enthält, an dem eine durch Spannungsteiler-Schaltung geteilte Spannung angelegt wird. Mit dieser Konfiguration kann die Genauigkeit der Spannungsmessung verbessert werden.
Das heißt, wenn die Maximalspannung Vmax, die der Maximalwert der Eingangsspannung Vin ist, auf 300 V festgelegt wird und ein Betriebstemperatur-Bereich, der auf –30°C bis 85°C festgelegt wird, beträgt ein Ist-Spannungserfassungsfehler ±3 V in Bezug auf die erste Schwellenspannung Vth1 oder die zweite Schwellenspannung Vth2, die ein Bezugswert sind. Dies führt dazu, dass die Genauigkeit der Spannungserfassung im praktischen Einsatz unproblematisch ist.
Im Folgenden wird eine Abwandlung der Ausführungsform erläutert.
4 ist ein Schema, das der Erläuterung eines weiteren beispielhaften Schaltungsaufbaus der Schmitt-Triggerschaltung dient.
Die in 4 dargestellte Schmitt-Triggerschaltung unterscheidet sich von der in 2 dargestellten dadurch, dass eine Spannungsteiler-Schaltung 41A, die die Spannungsteiler-Schaltung 41 ersetzt, einen dritten npn-Transistor 53 enthält, der an einem Verbindungspunkt zwischen der Zener-Diode 51 und dem Widerstand 52 eingesetzt wird.
Das heißt, die in 4 dargestellte Schmitt-Triggerschaltung unterscheidet sich dadurch, dass der dritte npn-Transistor 53 vorhanden ist, der einen mit dem Anoden-Anschluss der Zener-Diode verbundenen Basis-Anschluss einen mit einem Ende des Widerstandes 52 verbundenen Emitter-Anschluss und einen Kollektor-Anschluss enthält, der offen bleibt.
Der dritte npn-Transistor 53 erfüllt effektiv die Funktion einer Diode mit geringerem Spannungsabfall, so dass ein geringes Maß an Basis-Strom fließen kann.
Hinsichtlich des Temperaturverhaltens haben, wie oben beschrieben, wenn die Zener-Diode 51 so ausgewählt wird, dass sie einen positiven Temperatur-Koeffizienten hat und das Temperaturverhalten der Anoden-Kathoden-Spannung beispielsweise 4,4 mV/°C entspricht, der erste npn-Transistor 42 und der dritte npn-Transistor 53 negative Temperatur-Koeffizienten. Das Temperaturverhalten der Basis-Emitter-Spannung (Vbe) entspricht beispielsweise –2,2 mV/°C.
Folglich wird die Schwankung des Emitter-Korrektor-Stroms des ersten npn-Transistors 42 aufgrund der Schwankung der Umgebungstemperatur durch das Temperaturverhalten der Zener-Diode 51 und das Temperaturverhalten des dritten npn-Transistors 53 weitergehend aufgehoben und damit verringert als in dem Fall der in 2 dargestellten Schmitt-Triggerschaltung, so dass die Genauigkeit von durch die Spannungserfassungs-Schaltung 13 durchgeführter Messung verbessert wird.
Die vorliegende Erfindung weist vorteilhafte Effekte auf, mit denen die Genauigkeit von Spannungsmessung verbessert werden kann und gleichzeitig die Lebensdauer einer in einem Photokoppler enthaltenen LED verlängert werden kann.
Obwohl die Erfindung im Sinne einer vollständigen und eindeutigen Offenbarung in Bezug auf konkrete Ausführungsformen beschrieben worden ist, sind die beigefügten Patentansprüche nicht darauf beschränkt, sondern sind so zu verstehen, dass sie alle Abwandlungen und alternativen Konstruktionen einschließen, die sich möglicherweise für einen Fachmann ergeben und unter die hier dargelegten Lehren fallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-150658 [0001]
JP 2014-033533 [0005]

Claims

Schmitt-Triggerschaltung, die umfasst: eine Spannungsteiler-Schaltung, die so eingerichtet ist, dass sie eine Eingangsspannung teilt und eine geteilte Spannung ausgibt; und eine Basis-Schmitt-Triggerschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie einen Transistor als ein Strom-Steuerelement enthält und Strom, der durch eine in einem externen Photokoppler enthaltene Leuchtdiode (LED) fließt, auf Basis einer Ausgangsspannung der Spannungsteiler-Schaltung proportional zu der Eingangsspannung steuert, wobei die Spannungsteiler-Schaltung einen positiven Temperatur-Koeffizienten aufweist.
Schmitt-Triggerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsteiler-Schaltung enthält: eine Zener-Diode, die in einer Rückwärtsrichtung geschaltet ist, sowie einen Spannungsteiler-Widerstand, der mit einer Niedrigpotential-Seite der Zener-Diode verbunden ist.
Schmitt-Triggerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zener-Diode einen positiven Temperatur-Koeffizienten hat.
Schmitt-Triggerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Basis-Schmitt-Triggerschaltung des Weiteren enthält: einen ersten npn-Transistor, der einen Basis-Anschluss enthält, der mit einem Ausgangsanschluss der Spannungsteiler-Schaltung verbunden ist, und einen zweiten npn-Transistor, der einen Basis-Anschluss enthält, der mit einem Kollektor-Anschluss des ersten npn-Transistors verbunden ist, und die LED einen Kathoden-Anschluss umfasst, der mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor-Anschluss des ersten npn-Transistors und dem Basis-Anschluss des zweiten npn-Transistors verbunden ist.
Energieversorgungs-Überwachungsvorrichtung, die umfasst: eine Schmitt-Triggerschaltung, die enthält: eine erste Spannungsteiler-Schaltung enthält, die so eingerichtet ist, dass sie eine Eingangsspannung von einer externen Energieversorgung teilt und eine geteilte Spannung ausgibt, sowie eine Basis-Schmitt-Triggerschaltung, die so eingerichtet ist, dass sie eine zweite Spannungsteiler-Schaltung, die einen positiven Temperatur-Koeffizienten hat und eine Ausgangsspannung der ersten Spannungsteiler-Schaltung teilt, sowie einen Transistor als ein Strom-Steuerelement enthält, und Strom, der durch eine in einem Photokoppler enthaltene Leuchtdiode (LED) fließt, auf Basis einer Ausgangsspannung der zweiten Spannungsteiler-Schaltung steuert, und eine Ausgangs-Schaltung, die so eingerichtet ist, dass sie einen Phototransistor enthält, der in dem Photokoppler enthalten ist, und Energiequellen-Überwachungsinformationen nach außen ausgibt.