-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Trennen einer Spannungsquelle von mindestens einem Verbraucher. Eine einfache Lösung zum Trennen einer Spannungsquelle von einem Verbraucher stellen Schmelzsicherungen dar. Schmelzsicherungen allgemein basieren auf Kaltleitern (PTC, positive temperature coeffient), das heißt, bei normalen Betriebsbedingungen ist der Widerstand gering und bei hohen Strömen erwärmt sich das Material, womit bei dieser Materialklasse ein starker Widerstandsanstieg auftritt. Das Unterbrechen des Stromkreises erfolgt durch Aufschmelzen eines definierten Leiterstücks. Dabei ist die entstehende thermische Leistung entscheidend. Dieser Vorgang ist stark von der Umgebungstemperatur, der Zeit und dem Grad des Überstroms abhängig. Eine typische Absicherung von Steuerung und Verbraucher in Bordnetzen von Kraftfahrzeugen mit einer Schmelzsicherung ist in 1 dargestellt.
-
Für ein Multimedia-Gerät im Kraftfahrzeug ist beispielsweise eine in den Anschlussblock integrierte Schmelzsicherung (Mini ATO Fuse) mit einem Bemessungsstrom von 10 A oder 15 A üblich. Die 15 A-Sicherung hat beispielsweise ein Schmelzintegral von 240 A2s und löst bei einem Strom von 30 A nach circa einer Sekunde aus. Im Bereich von –40°C bis +90°C ändert sich der auslösende Strom von 110% bis 90%. Bei einer Überstrombedingung von 35% (z. B. 20,25A bei 15A Bemessungsstrom) kann die Auslösedauer zwischen 0,75 und 600 Sekunden betragen.
-
Für Geräte mit einer kleineren Stromaufnahme werden aus Platz- und Kostengründen manchmal SMD-Sicherungen verwendet. Diese Bauform hat dann zusätzlich das Problem, dass eine Art Vorschädigung beim Löten eintritt. Das äußert sich in einem noch unsichereren Auslöseverhalten.
-
Es werden damit also nur Fehlerfälle abgesichert, die weit über einem gegebenen Stromgrenzwert liegen. Damit ist kein wirksamer Geräteschutz realisierbar – lediglich ein Zuleitungsschutz.
-
Eine andere Möglichkeit zur Absicherung von elektronischen Steuergeräten und Multimediageräten, insbesondere in Bordnetzen, besteht in Folgendem: Elektronische Steuergeräten und Multimedia-Geräte haben eine recht genau bestimmbare maximal zulässige Stromaufnahme (z. B. 11A +/– 1A). Das heißt, bei einer Überschreitung um einen fixen Betrag von etwa 10% (hier 1,1 A) für eine relativ geringe Mindestzeit – nur um eingeprägte Impulse (Spikes) auszuschließen – kann von einem ungewollten Fehlerereignis ausgegangen werden. Es wird also eine präzise Strommessung benötigt und eine schnelle vollständige Abschaltung des fehlerhaften Zweiges (Gerätes). Dieser Forderung kann man durch die Anwendung einer elektronischen Sicherung nachkommen. Speziell sind Lösungen mit elektronischen Schaltelementen bekannt, die bei Überschreitung eines von einem Sensor gemessenen Stroms die Stromzufuhr mit Hilfe eines Feldeffekttransistors abschalten oder auch begrenzen. Diese neueren Lösungen werden im allgemeinen elektronische Sicherung oder Überstrom-Abschaltung genannt. Um zu verhindern, dass bei kurzen Stromspitzen die Geräte komplett abgeschaltet werden, ist es üblich, den gemessenen Strom über eine gewisse Zeit zu integrieren. Zum einen bilden die bekannten Lösungen mittels Integration über die Zeit letztlich das Verfahren einer Schmelzsicherung nach, wobei allerdings höhere Genauigkeiten und schnellere Reaktionszeiten erreicht werden. Zum anderen ist eine Begrenzung des Stroms keine geeignete Maßnahme für die weiter unten genannten kritischen Fehlerfälle. Eine prinzipielle Darstellung einer derartigen Sicherung mit einem elektronischen Abschaltelement ist in 2 gezeigt.
-
Mit der Verwendung einer schnellen und vollständigen Abschaltung ist bei vielen Anwendungsfällen aber eine wichtige Fehlerklasse noch nicht behoben. Die Absicherung beispielsweise einer Audio-Leistungsstufe (power amplifier) erfordert das Zulassen eines sehr hohen Stroms von ungefähr 10A (vier Kanäle à 20W bei 14V und 57% Wirkungsgrad). Wird dieser Strom nicht wie geplant von der Audio-Endstufe und den Lautsprechern verbraucht, sondern von einem defekten Bauteil an diesem Versorgungsnetz verursacht, wird diese Art der Sicherung nicht auslösen. Die von dem defekten Bauteil aufgenommene Leistung ist allerdings in diesem Moment brandgefährlich. Auch sind derartige Zwischenfälle auf Leiterplatten überraschend schnell und bei der heute üblichen Packungsdichte bereits in Strombereichen von 5 bis 8 A möglich (bei 14 V Versorgungsspannung und nach Durchzündung)
-
Aus der
US 9030794 B2 ist eine elektronische Sicherungseinrichtung mit einer langsam startenden (soft start) Abschalteinrichtung und einer Kurzschlusssicherung bekannt. Die Abschalteinrichtung ist mit einem Strommesser versehen, der bei Überstrom über eine elektronische Sicherung die Stromzufuhr zu dem Verbraucher abschaltet. Für den Fall, dass der Verbraucher einen Kurzschluss besitzt, schaltet die spezielle Kurzschlusssicherung zum Schutz der Last die Stromzufuhr über den elektronischen Schalter sofort ab, bevor die langsam startende Abschalteinrichtung wirksam wird. Nachteilig bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist es, dass bei dem langsamen Stromanstieg und fehlender Kurzschlussauslösung die Abschaltung des Verbrauchers erst bei einer festen Obergrenze erfolgt. Es kann also nicht unterschieden werden, ob der gesamte gemessene Strom von dem Verbraucher genutzt wird, oder ob es sich zumindest teilweise um einen Fehlerstrom handelt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung geht daher aus von einer Schaltungsanordnung und einem Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise 11 aus und hat sich die Aufgabe gestellt, eine Schaltung beziehungsweise ein Verfahren anzugeben, welche(s) hinsichtlich des Grenzwertes des Stroms, bei welchem der zur Last geführte Strom abgeschaltet wird, auch den gemessenen Zustand an der Last berücksichtigt. Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 11 aufgeführte Merkmalskombination gelöst. Kern der Erfindung ist es somit, dass es nicht eine einzige fixe Auslösegrenze gibt, sondern einen dynamisch angepassten Grenzwert, der je nach Betriebszustand und vorhandenen Sensoren (Messwertmeldern) beliebig komplex realisiert werden kann. Anders ausgedrückt, im Kern wird eine zusätzliche lokale Information durch Rückführung zum Sicherungselement zu einer Logik-Verknüpfung herangezogen, um den vom Sicherungselement überwachten Strom als zulässig oder unzulässig zu bewerten. Damit wird der Bereich unterhalb des zulässigen maximalen Stroms in Normalbetrieb mit in die Fehlerüberwachung einbezogen. Als Sicherungselement ist dabei eine Einheit definiert, die den elektronischen Schalter, den Strommesser und die Steuerlogik umfasst.
-
Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines zusätzlichen Sensors direkt an der vorgesehenen Last. Dies kann beispielsweise eine ohnehin vorhandene Unterspannungserkennung z. B. einer integrierten Leistungsendstufe sein. Hier wird tatsächlich in der Praxis die momentan anliegende Versorgungsspannung überwacht, um im Falle eines Zusammenbruchs schnell zu „muten“, das heißt den Lautsprecher lautlos zu stellen um damit sogenannte Plop-Geräusche zu vermeiden.
-
Eine besondere Vereinfachung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich in Weiterbildung der Erfindung durch Anwendung der Merkmale nach Anspruch 2. Außer der Messung von Strom oder Spannung hinsichtlich einer Last sind im Rahmen der Erfindung aber auch andere gemessene Zustände des Verbrauchers mit einer am oder einer nahe dem Verbrauch angeordneten Messeinrichtung auswertbar, wie beispielsweise Wärme, Verfärbung, akustische Signale oder mechanische Veränderungen. Die Messung des Stroms oder der Spannung an dem Verbraucher ist aber besonders zweckmäßig, da einerseits die Spannung sich leicht in Stromwerte umrechnen lässt und andererseits durch den Strommesser ohnedies der Gesamtstrom gemessen wird. Die Steuerlogik kann somit vergleichsweise recht einfach ausgestaltet werden, indem man die im Zusammenhang mit Anspruch 3 aufgeführten Merkmale vorteilhaft angewendet. Im übrigen sind Strom oder Spannung messende Sensoren in den gebräuchlichen Schaltungen der Verbraucher ohnehin weit verbreitet, so dass diese zusätzlich noch zur Fehlerstrombewertung ausgenutzt werden können.
-
Zur Reduzierung des benötigten Platzes und der Leistungsaufnahme der Schaltungsanordnung ist die Anwendung der Merkmale gemäß Anspruch 4 besonders zweckmäßig. Mit Integration ist hier die Einbeziehung der Plausibilisierungslogik und die Bereitstellung der zugehörigen Eingänge gemeint, aber auch alle bordnetzseitigen Überwachungen und möglicherweise die Kombination mehrerer Lastschalter in einem Bauteil und damit die ausgangsseitige Stromüberwachung. Hierzu ist es besonders wichtig, die Verteilung der Eingangs-Speise-Energie in die Überwachung mit einzubeziehen, die ungesichert eine Gefahrenstelle ist. Anders ausgedrückt, auf einer Leiterplatte mit vielen Lagen sind die Isolationsschichten inzwischen extrem dünn. Wenn nun die ungesicherte Bord-Stromversorgung weit über diese Leiterplatte verteilt werden muss, steigt das Brandrisiko.
-
In Weiterbildung der Erfindung kann der elektronische Schalter entsprechend den Merkmalen nach Anspruch 5 mit einem oder mehreren Transistoren und/oder FET's und/oder FinFET's in Leistungsausführung und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen versehen sein. Bevorzugt wird die Steuerlogik als hardwaremäßig integrierte Schaltung aufgebaut. Gleichwohl kann es sich in Weiterbildung der Erfindung empfehlen, die Steuerlogik programmierbar aufzubauen, wie es mit den Merkmalen nach Anspruch 6 vorgeschlagen wird. Hierdurch lässt sich die Schaltungsanordnung leichter an unterschiedliche Verbraucher und/oder Gefahrensituationen anpassen.
-
Da in komplexen Verbrauchern ohnehin vielfach eine große Anzahl von Sensoren vorgesehen sind empfiehlt sich in Weiterbildung der Erfindung die Verwendung der Merkmale nach Anspruch 7. Das gilt nicht nur für die Anwendung der Erfindung auf Audio-Endstufen. Moderne Infotaiment-Geräte sind hochkomplex und haben viele interne Diagnose-Funktionen. Ein High-End-Prozessor kann auch problemlos maximal 15W verbrauchen. Die Steuerlogik im Sicherungselement sollte software-unabhängig eine plausibilisierende und dynamisch anpassende Logikeinheit bekommen, um die Sensordaten aus den verschiedenen Lastzweigen berücksichtigen zu können. Hinsichtlich der Merkmale von Anspruch 7 wird vorgeschlagen, jedem Verbraucher beziehungsweise Teil eines Verbrauchers einen eigenen Strommesser zuzuordnen. Es ist aber auch denkbar, die Ströme in den einzelnen Verbrauchern (oder die aus Spannungsmessungen umgerechneten Ströme) zu addieren und die Größe des Summenstroms mit dem Gesamtstrom in der Steuerlogik zu vergleichen, welcher von einem einzigen Gesamtstrom-Strommesser gemessen wurde.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 8. Hinsichtlich einer Audio-Endstufe ist die Erfindung besonders wirksam, da die geforderte maximale Leistung der Endstufe vergleichsweise hoch und gleichzeitig stark veränderbar ist. Das gilt allerdings auch für in dieser Hinsicht vergleichbare Bauelemente beziehungsweise Baugruppen. Hinzu kommt, dass bei der Audio-Endstufe auf elegante Weise das Problem gelöst wird, dass dessen Leistung immer aus dem Fahrzeug-Bord-Netz bereitgestellt werden muss und die dortige Absicherung immer nur für den in der Summe maximalen Strom erfolgt. Steuergeräte und Unterhaltungselektronik im Kraftfahrzeug werden üblicherweise direkt aus dem 12 V-Bordnetz (24 V für Lkw) mit Strom versorgt. Die Stromaufnahmen dieser Geräte schwanken typischerweise um Größenordnungen, abhängig von ihrem aktuellen Betriebszustand.
-
Um den Vorteil der vorliegenden Erfindung bei ihrer Anwendung auf Bordnetze von Kraftfahrzeugen hinreichend würdigen zu können, muss man Folgendes in Betracht ziehen: Fast alle elektronischen Geräte im Kraftfahrzeug sind heute permanent mit der Bord-Stromversorgung verbunden und benötigen mindestens eine hohe Stromversorgung. Das bedeutet, dass permanent Teile des Gerätes unter Bord-Netz-Spannung stehen und betrieben werden. Folglich gibt es auf den Leiterplatten Bereiche und Pfade, die im Falle des Versagens eines Bauteils (z. B. Bruch eines Keramik-Kondensators, Halbleiterdefekte) oder beim Eindringen von Wasser oder leitenden Fremdkörpern möglicherweise einem Kurzschlussstrom ausgesetzt werden. Um diese genannten Fehlerfälle und weitere noch schwerer wiegende Folgen wie Brände oder Rauchbildung zu vermeiden, werden nach heutigem Stand der Technik Schmelzsicherungen in den Hauptstrompfad eingefügt, die aber nur bedingt hilfreich sind, wie weiter oben schon erläutert wurde.
-
Daneben gibt es für spezielle Anwendungen – insbesondere kleinere Leistungen – selbst rückstellende Sicherungen, so genannte PPTC, die sich nach Entfallen des den Überstrom verursachenden Fehlers und Abkühlung wieder in den Normalbetrieb zurückbegeben. Diese sind allerdings beschränkt auf Anwendungen, bei welchen eine vollständige Trennung nicht erforderlich ist und bei denen mit einem von außen eingeprägten Fehler gerechnet wird, der auch wieder verschwinden kann. Für die im letzten Absatz genannten Fälle ist allerdings nicht mit einer Selbstreparatur zu rechnen, und der auftretende Kurzschlussstrom kann leicht 10A und mehr betragen, was einer mehr als ausreichenden Fehlerstellenleistung entspricht, um einen Brand zu verursachen. 1 zeigt die grundsätzliche Lösung nach dem heutigen Stand der Technik.
-
Um die Plausibilität des Abschaltvorgangs im Falle eines Fehlerstroms zu verbessern, empfiehlt sich die Anwendung der Merkmale nach Anspruch 9. Wenn der Spannungsmonitor, der die Spannung an der Spannungsquelle überwacht, eine Unterspannung feststellt, dann ist es folgerichtig, dass auch an dem Verbraucher eine Unterspannung herrschen muss. In diesem Falle wird also der Verbraucher trotz gemessener Unterspannung am Verbraucher nicht von dem Netz abgetrennt. Umgekehrt kann eine an der Spannungsquelle festgestellte Überspannung zu einem früheren Abschalten des Verbrauchers führen als das bei Normalspannung an der Spannungsquelle vorgesehen ist. Durch die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale lassen sich also eine größere Sicherheit und die Vermeidung einer unnötigen Abschaltung erreichen.
-
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung geben die Merkmale nach Anspruch 10 an. Weiter oben war schon erläutert worden, dass in der Schaltungsanordnung die Stromversorgung abschaltende Bauelemente (PPTC) verwendet werden können, die gegebenenfalls selbsttätig die Stromversorgung wieder einschalten. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Möglichkeit der Wiedereinschaltung erst dann gegeben ist, wenn die Ursache der Fehlerströme beseitigt ist.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen in den Figuren (bzw. Abbildungen)
-
1 eine vorbekannte, mit einer Schmelzsicherung versehene Schaltungsanordnung,
-
2 eine vorbekannte, mit einem elektronischen Schalter versehene Schaltungsanordnung,
-
3 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
-
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
-
5 ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
-
6 einen viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
In 1 ist eine Spannung Ubat einer Fahrzeugbatterie über die Anschlüsse 6 und 12 an eine Schmelzsicherung 13 angeschlossen, über die über ein Bordnetzfilter 14 Strom zu einem Verbraucher 15 durchleitbar ist. Die mit Bordnetzfilter bezeichnete Einheit umfasst Filter zum Glätten von Spannungs- beziehungsweise Stromspitzen und ein Netzwerk 4, welches zum Verteilen des Stroms über den Filter und zu dem Verbraucher 5 dient. Aufgabe, Arbeitsweise und Nachteile der Schmelzsicherung 13 wurden eingangs der vorliegenden Beschreibung ausführlich erläutert.
-
2 zeigt das Prinzip einer an sich bekannten Schaltungsanordnung mit einem elektronischen Schalter. Die Bezugszeichen 6 und 12 bezeichnen wiederum die Anschlüsse einer Fahrzeugbatterie Ubat eines Kraftfahrzeugs, wobei der von dem Bordnetz abgegebene Strom anstatt über eine Schmelzsicherung 13 wie in 1 über einen elektronischen Schalter 1 zu dem Verbraucher 5 geführt ist. In 2 ist noch ein Netzwerk 4 symbolisch angedeutet, welches die zu dem Verbraucher hinführenden Leitungen, aber auch das innerhalb der Schaltungsanordnung verlaufende Leitungssystem symbolisieren soll.
-
Die bekannte Schaltungsanordnung nach 2 ist mit einem Strommesser 2 versehen, nachfolgend vielfach als Stromsensor 2 bezeichnet. Mit dem Stromsensor wird der bei durchgeschaltetem elektronischen Schalter 1 über das Netzwerk 4 zu dem Verbraucher fließende Strom gemessen. Das Messsignal des Stromsensors 2 wird einer Steuerlogik 3 zugeführt, die in Abhängigkeit von dem Messsignal den elektronischen Schalter 1 betätigt. Die Arbeitsweise einer derartigen, in 2 gezeigten Überstrom-Abschaltung und deren Nachteile sind weiter oben ausführlich erläutert. Aufgabe der Steuerlogik ist es, zu vermeiden, dass der elektronische Schalter 1 unmittelbar betätigt wird, wenn der durch den Stromsensor fließende Strom den vorgesehenen Grenzwert überschreitet. Vielmehr soll mittels der Steuerlogik 3 die Abschaltung des Stroms an die in der Praxis erforderlichen Bedingungen angepasst werden. Das bedeutet beispielsweise, dass bei kurzen Spannungsspitzen der elektronische Schalter 1 nicht sofort durchschaltet, sondern erst dann, wenn der von dem Strommesser gemessene Strom hinreichend lang den Grenzwert überschreitet. Ein Mittel, diesen Zustand festzustellen kann beispielsweise in der Integration der gemessenen Stromwerte über einen bestimmten Zeitraum bestehen. Insofern bildet die Steuerlogik in 2 hinsichtlich des elektronischen Schalters 1 das Verhalten einer Schmelzsicherung nach.
-
Wenn auch der Einsatz eines elektronischen Schalters gemäß 2 gegenüber einer Schmelzsicherung in 1 erhebliche Vorteile bringt, so kann mit einem derartigen elektronischen Schalter eine wichtige Fehlerklasse nicht berücksichtigt werden. Es handelt sich dabei um Fehlerströme, die im wesentlichen zwischen dem Ausgang des Stromsensors 2 und dem Eingang des Verbrauchers 5, also vorzugsweise in dem Netzwerk 4, auftreten können. Dies gilt insbesondere für Verbraucher, die voraussetzungsgemäß in ihrer Leistungsaufnahme stark schwanken können beziehungsweise veränderbar sind, und deren maximale Leistungsaufnahme recht hoch ist. Wird beispielsweise von dem Stromsensor 2 ein relativ hoher, aber unterhalb des zulässigen Grenzwertes liegender Strom gemessen, so kann es durchaus sein, dass ein Teil des hohen Stromes nicht über den Verbraucher (der gerade auf den Verbrauch einer niedrigeren Leistung eingestellt ist), sondern als Fehlerstrom über einen (in 3 symbolisch dargestellten) Kurzschlusswiderstand 9 zur Masse fließt. Wie weiter oben schon ausführlich erläutert wurde, können derartige Fehlerströme durchaus einen Brand im Gerät auslösen. Es ist daher eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Auftreten derartige Fehlerströme ein Abschalten der Stromversorgung des Verbrauchers, sowie auch des Sicherungselementes 10 (siehe die im Zusammenhang mit Anspruch 1 angegebene Definition) selbst, für den Fall zu ermöglichen, dass der aktuell gemessene Strom des Stromsensors 2 noch unterhalb seines Grenzwertes liegt.
-
3 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 100, die in Form eines Steuergerätes von dem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs betrieben wird. Die Versorgungsspannung (Bordnetz) wird am Anschlusskasten mit den beiden Anschlüssen 6 und 12 an das Steuergerät angeschlossen. Unmittelbar dahinter, so kurz wie möglich angebunden, folgt ein elektronischer Schalter 1, welcher vorteilhaft durch einen Feldeffekt-Transistor ausgebildet ist. Dieser ist so angeschlossen, dass er in der Lage ist, die Versorgung des Steuergerätes komplett abzutrennen.
-
In einer möglichen Variante können verschiedene Teile des Steuergerätes auch jeweils über ein separates Abschaltelement versorgt werden, wie dies im einzelnen im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen nach 5 und 6 beschrieben ist.
-
Die Ansteuerung des Feldeffekttransistors als elektronischer Schalter 1 erfordert Hilfseinrichtungen, wie z. B. eine permanente Spannungsbegrenzung zum Ansteuern der Gate-Elektrode. Diese von der Ausführung abhängigen Hilfseinrichtungen sind nicht gesondert dargestellt und sinngemäß mit im Block der Steuerlogik 3 enthalten.
-
Für die Realisierung der Grundaufgabe ist ein Strommesser 2 erforderlich, welcher den aktuellen, über den elektronischen Schalter 1 bezogenen Versorgungsstrom misst und diese Messgröße der Steuerlogik 3 zuführt. In der bekannten und im Zusammenhang mit 2 erläuterten Weise wird in der Steuerlogik 3 mittels eines Integrators und eines Schwellwertkomparators das Überschreiten eines maximalen Stroms durch den Sensor 2 für eine gewisse Mindestzeit detektiert und daraufhin der Schalter 1 in den geöffneten – nicht leitenden – Zustand gesteuert, bis beispielsweise eine Trennung von dem Bordnetz erfolgt. In der Schaltung nach 3 können Einrichtungen für alternative Wiedereinschaltversuche implementiert sein. Diese Wiedereinschaltversuche sollten allerdings vermieden werden, wenn ein schwerwiegender Defekt vorliegt, der eventuell doch noch zu Folgeschäden führen kann. Eine Voraussetzung dafür ist das sichere Detektieren eines solchen Defekts. In den meisten Fällen liegen zwischen dem Schaltelement und dem tatsächlichen Stromverbraucher 5 weitere Stromverteilelemente -mindestens Leiterbahnenstücke auf einer Leiterplatte-, die in 3 als Netzwerk 4 symbolisch gezeigt sind. Hier können auch Abzweigungen zu weiteren Teilverbrauchern vorhanden sein. Tritt nun in diesem kontrollierten Verteilernetz beziehungsweise Netzwerk 4 ein Kurzschluss auf (in 3 als Kurzschlusswiderstand 9 symbolisch dargestellt), so kann der entstehende Kurzschlussstrom sehr wohl noch unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes für die Überstrom-Abschaltung liegen, die fehlerhafte Wärmeentwicklung kann dabei aber beträchtlich sein.
-
Als Folge eines Fehlerstroms über den Kurzschlusswiderstand 9 in dem Netzwerk 4 fließt ein großer Teil des durch den Strommesser 2 gemessenen Stroms durch den Kurzschlusswiderstand 9, und es kommt dadurch zu einem Zusammenbrechen der Versorgungsspannung an dem Verbraucher 5. Die lokale Spannungsüberwachung 7 am Verbraucher 5 detektiert diese Unterspannung und signalisiert dies an die Steuerlogik 3 des Sicherungselementes 10. Durch die logische Verknüpfung eines Mindeststroms durch den Sensor 2 oberhalb Null und unterhalb des zulässigen maximalen Stroms bei gleichzeitiger Unterspannungsmeldung durch den Sensor 7, ergibt sich ein neues zusätzliches Kriterium für eine Sicherheitsabschaltung.
-
Eine einfache Fallgestaltung kann so aussehen. Bei einem höheren Strom am Stromsensor 2, der oberhalb einer eingestellten Schwelle liegt, wird immer abgeschaltet, wenn die Unterspannungserkennung Unterspannung erkennt, wobei die Schwelle unterhalb des maximal zulässigen Stroms liegt. Es wird in diesem Fall davon ausgegangen, dass in der Regel der Fehlerstrom relativ groß ist, so das die Spannung am Verbraucher 5 zusammenbricht und die Unterspannungserkennung 7 anspricht. Diese einfache Fallgestaltung ist für den Aufbau einer integrierten Schaltung gut geeignet, bei der in der Steuerlogik 3 nur bestimmte Schwellen hinsichtlich der Ausgangssignale für den Stromsensor und die Unterspannungserkennung festgelegt werden. Da in vielen Geräten (beispielsweise für die Endstufe eines Audioverstärkers) ohnehin eine Unterspannungserkennung vorgesehen ist (z. B. um den Lautsprecher bei Unterspannung lautlos zu schalten) lässt sich die Erfindung mit einer vergleichsweise einfachen integrierten Schaltung rein hardwaremäßig verwirklichen, indem der elektronische Schalter 1 aufgetrennt wird, wenn bei dem Strommesser 2 und der Unterspannungserkennung 7 die entsprechenden Schwellen überschritten beziehungsweise unterschritten werden.
-
Eine höhere Sicherheit lässt sich durch die dynamische Anpassung des Auftrennvorgangs des elektronischen Schalters 1 an die Ausgangssignale von Stromsensor 2 und Unterspannungserkennung 7 erreichen. Das kann sich darin äußern, dass bei höherem gemessenen Strom durch den Strommesser 2 auch bei einer höheren Spannung als der Unterspannung am Verbraucher 5 durch die Steuerlogik 3 auf Fehlerstrom erkannt wird und der elektronische Schalter 1 aufgetrennt wird. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass der Fehlerstrom im Wesentlichen durch die Differenz zwischen dem vom Strommesser 2 gemessenen Strom und dem durch den Verbraucher 5 fließenden Strom bestimmt ist. Versetzt man also die Steuerlogik 3 in die Lage, die Auftrennung des elektronischen Schalters 1 in Abhängigkeit von den augenblicklichen Werten der durch den Stromsensor 2 und den Verbraucher 5 fließenden Ströme betätigen zu können, so ist eine Fehlerstrom-Abschaltung auch dann möglich, wenn an dem Verbraucher 5 noch keine Unterspannung erreicht ist. Für den Durchschnittsfachmann dürfte es keine erheblichen technischen Schwierigkeiten bereiten, die Spannung am Verstärker 5 in Stromstärke umzurechnen und die Steuerlogik 3 in die Lage zu versetzen, bei einer hinreichend großen Differenz der aktuell durch den Strommesser 2 und den Verbraucher 5 fließenden Ströme den elektronischen Schalter 1 aufzutrennen. Eine größere Flexibilität lässt sich zusätzlich noch dadurch erzielen, dass die Steuerlogik 3 mit Tabellen versehen ist, die beschreiben, bei welcher Kombination der Stromwerte des Sensors 2 beziehungsweise Spannungswerte am Verbraucher 5 der elektronische Schalter 1 aufgetrennt werden muss.
-
4 zeigt gegenüber 3 eine etwas abgeänderte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausprägung der Erfindung ist zusätzlich an den Anschlüssen 6, 12 der Bordnetzspannung Ubat ein Spannungsmonitor 11 angeschlossen, dessen Ausgang zu der Steuerlogik 3 geführt ist. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine zusätzliche Plausibilisierung der Kriterien für die Abschaltung durch den elektronischen Schalter 1 möglich. Wird nämlich festgestellt, dass das Bordnetz selbst eine Unterspannung besitzt, so ist auch zu erwarten, dass an dem Verbraucher eine Unterspannung anliegt. Wird nun tatsächlich durch die Unterspannungserkennung 7 eine Unterspannung festgestellt, so wird diese durch die Unterspannung an den Anschlüssen 6, 12 des Bordnetzes begründet sein. Dementsprechend ist bei dieser Fallgestaltung ein Abschalten durch den elektronischen Schalter 1 unzweckmäßig, da mit sehr großer Wahrscheinlichkeit in diesem Fall kein Fehlerstrom vorhanden ist. Im übrigen ist die Ausgestaltung der Erfindung nach 4 zu der nach 3 weitgehend identisch, so dass auch die dort beschriebenen Vorgänge gültig bleiben.
-
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der mehrere Stromsensoren 2 dazu verwendet werden, die Ströme für mehrere Teile eines Verbrauchers 5 oder mehrere Verbraucher 5 zu überwachen. Dabei können die einzelnen Ströme der Verbraucher 5 auf unterschiedliche Schwellwerte überwacht werden, was zu einer höheren Genauigkeit bei der Fehlererkennung führt. Die Ausführungsform der Erfindung nach 5 besteht im Prinzip darin, dass das im Zusammenhang mit 4 beschriebene Verfahren mehrfach und quasi parallel angewendet wird. Die Steuerlogik 3 ist derart aufgebaut, dass sie mittels des elektronischen Schalters 1 alle Verbraucher und das Sicherungselement 10 selbst vom Bordnetz abtrennt, sobald hinsichtlich zumindest eines der Verbraucher 5 ein Fehlerstrom erkennbar ist. Die in 5 gezeigte Ausführungsform der Erfindung ist besonders für komplexe Schaltungen mit mehreren Verbrauchern 5 geeignet, insbesondere wenn diese Verbraucher einen recht hohen maximalen Stromverbrauch haben und unabhängig voneinander in ihrer Leistungsaufnahme verstellt werden können. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist auch dann besonders wirksam, wenn die Verbraucher alle auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet sind, da bei einem hinreichenden Fehlerstrom in der Nähe nur eines einzigen Verbrauchers die gesamte Leiterplatte unbrauchbar gemacht werden kann. Insbesondere gibt der Aufbau der Schaltungsanordnung nach 5 die Möglichkeit, die Lage des Fehlerstroms einzugrenzen, indem in der Steuerlogik 3 erkennbar gemacht wird, durch welchen der einzelnen Verbraucher 5 die Abschaltung durch Fehlerstrom ausgelöst wurde. Die im Zusammenhang mit 3 beschriebene Auslösung des elektronischen Schalters 1 durch die Bewertung der durch die jeweiligen Verbraucher und Stromsensoren fließenden Ströme durch die Steuerlogik 3 kann auch bei der Ausgestaltung nach 5 wiederum angewendet werden.
-
Das Ausführungsbeispiel nach 6 zeigt in Ergänzung zur Ausgestaltung nach 4 detailliert die Möglichkeit, die Steuerlogik 3 aufgrund des durch den Verbraucher 5 fließenden Stroms zu steuern. Insofern gelten die hierzu im Zusammenhang mit 4 gemachten Ausführungen, so dass auch die vergleichsweise einfach ausführbare Messung des Differenzstroms von Stromsensor 5 und Verbraucher-Strommesser 8 anwendbar ist. Es können also grundsätzlich die Rückmeldungssensoren durch lokale Stromsensoren realisiert werden, wobei dann einfach die Differenzbildung der Messwerte des Stromsensors 2 und des Sensors 8 an der Last 5 den Wert eines Fehlerstroms ergibt und somit ein Sicherungsauslösekriterium. Dabei können (1. Kirchhoff'sches Gesetz) mehrere lokal gemessene Ströme aufsummiert und mit dem Wert von Sensor 2 verglichen werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
