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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Systems, insbesondere einer Lordosenstütze mit zumindest zwei Luftkissen, sowie ein System mit einer solchen Schaltungsanordnung.
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Zur Erhöhung des Sitzkomforts werden Systeme, sogenannte Lordosenstützen, die insbesondere pneumatisch verstellbar und in einen Sitz, beispielsweise einen Fahrzeugsitz in einem Kraftfahrzeug integriert sind, eingesetzt. Zur Verstellung der Rückenlehne des Sitzes umfasst das System mehrere Luftkissen, die mit Luft befüllt und wieder entleert werden können, um die Kontur des Sitzes bzw. der Rückenlehne zu ändern. Zur Belüftung oder Entlüftung sind die Luftkissen typischerweise über Versorgungsleitungen mit einer Pneumatikpumpe und mit der Atmosphäre verbunden, wobei in den Versorgungsleitungen jeweils Ventile zum Öffnen und Schließen angeordnet sind. Die Ventile selbst werden jeweils durch Aktuatoren verstellt, wobei üblicherweise Elektromagneten verwendet werden.
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Ferner werden Aktuatoren basierend auf Drähten aus Formgedächtnislegierungen, sogenannte SMA-Elemente (Shape Memory Alloy) eingesetzt, bei denen ein Stellelement des Aktuators durch Beaufschlagung des SMA-Elementes mit Strom betätigt wird. Wird an einen Aktuator bzw. dessen SMA-Element eine Versorgungsspannung angelegt, wird diesem Leistung zugeführt und der Aktuator wird aktiviert. Die zugeführte Leistung muss dabei in einem sehr eng definierten Bereich gehalten werden, um eine zuverlässige Aktivierung des Aktuators zu gewährleisten und dennoch eine thermische Überlastung und somit eine dauerhafte Schädigung des SMA-Elementes zu vermeiden. Dies ist im praktischen Einsatz jedoch oftmals problematisch, da die Versorgungsspannung, insbesondere bei einem Einsatz im Automobilbereich, großen Schwankungen unterworfen ist und bei direktem Anlegen an die SMA-Elemente eine zu große Leistung zugeführt wird. Ferner soll die zugeführte Leistung üblicherweise in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur variiert werden, sodass bei höherer Umgebungstemperatur eine niedrigere Leistung zugeführt wird als bei niedrigerer Umgebungstemperatur, um wiederum das SMA-Element nicht thermisch zu überlasten.
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Um eine zuverlässige Funktionalität der SMA-Elemente und der Aktuatoren zu gewährleisten, ist es beispielsweise bekannt, die Aktuatoren in eine Schaltungsanordnung zu integrieren, die eine Steuereinheit aufweist, welche verschiedenste Aufgaben übernimmt, insbesondere eine Messung der Versorgungsspannung und der Umgebungstemperatur mittels in der Steuereinheit integrierter Temperatursensoren. Eine Ansteuerung der SMA-Elemente erfolgt dabei mittels Pulsweitenmodulation, wobei in Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung und Temperatur der Duty-Cycle der Pulsweitenmodulation, also das Verhältnis von Pulsweite zu Periodendauer, eingestellt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine mittels einer Steuereinheit gesteuerte Stromquelle, um den durch die SMA-Elemente fließenden Strom einzustellen, oder temperaturabhängige Stromquellen einzusetzen, wobei pro Aktuator eine Stromquelle vorhanden sein muss.
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Die bekannten Schaltungsanordnungen bzw. Methoden sind daher insbesondere aufgrund der benötigten Komponenten wie Steuereinheit, Temperatursensoren oder Stromquellen aufwendig und teuer. Des Weiteren ist eine hohe Anzahl an Komponenten erforderlich, beispielsweise je eine Stromquelle pro Aktuator. Ferner ist aufgrund der entstehenden Verlustleistung in den Stromquellen, die notwendigerweise an die Umgebung abgegeben werden muss, um eine Überhitzung der Schaltung und deren Komponenten zu vermeiden, keine kompakte Bauweise möglich, die jedoch insbesondere bei einem Einsatz in einem Fahrzeugsitz wünschenswert ist.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Systems, insbesondere einer Lordosenstütze, sowie ein System mit einer solchen Schaltungsanordnung, vorzuschlagen, bei welchem die genannten Nachteile ohne eine Einschränkung der Funktionalität vermieden werden.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Systems, insbesondere einer Lordosenstütze mit zumindest zwei Luftkissen mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Die Schaltungsanordnung umfasst zumindest vier Aktuatoren mit jeweils zumindest einem Stellelement, wobei jedes Stellelement zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verstellbar ist. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung zumindest einen Versorgungsspannungspfad und einen Massepfad, die zumindest vier Strompfade zwischen sich ausbilden, wobei die zumindest vier Aktuatoren zur Betätigung des jeweiligen Stellelementes zwischen dem Versorgungsspannungspfad und dem Massepfad derart in einer Schaltung bzw. der Schaltungsanordnung integriert sind, dass jeweils zwei Aktuatoren paarweise in Reihe in einen der Strompfade schaltbar und mit Strom beaufschlagbar sind. Zur Deaktivierung aller möglichen Strompfade oder Aktivierung eines der Strompfade umfasst die Schaltungsanordnung elektronische Schaltelemente zur Beaufschlagung keines der Strompfade und/oder einen der jeweils zwei Aktuatoren in Reihe schaltenden Strompfade mit Strom.
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Mit Hilfe der elektronischen Schaltelemente erfolgt somit eine Auswahl des Strompfades, der mit Strom durchflossen werden soll, also eine Aktivierung eines Strompfades und ein Wechsel zwischen den mehreren Strompfaden. Je nachdem welcher der Strompfade aktiviert und somit von Strom durchflossen wird, werden zwei der Aktuatoren gemeinsam, mit anderen Worten gleichzeitig mit Strom beaufschlagt und deren Stellelemente werden jeweils aus ihrer ersten Stellung in ihre zweite Stellung bewegt. Durch Aktivierung unterschiedlicher Strompfade lassen sich somit jeweils zwei unterschiedliche Aktuatoren aktivieren und somit mehrere Schaltzustände des Systems realisieren. Sind alle Strompfade inaktiv, fließt also kein Strom durch die Schaltung, sind alle Aktuatoren inaktiv.
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Die Schaltung der Aktuatoren jeweils paarweise und flexibel in einen Strompfad erlaubt es, dass jeweils zwei der für die jeweilige Ansteuerung des Systems bzw. zur Ausführung einer Funktion des Systems erforderlichen Aktuatoren gleichzeitig aktivierbar sind, ohne dass eine Vielzahl an Komponenten benötigt werden.
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Die zumindest vier Strompfade werden vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass eine in der Schaltungsanordnung integrierte Schaltung eine zumindest zwei parallele Stränge aufweisende Parallelschaltung umfasst, wobei in jedem der zumindest zwei parallelen Stränge zumindest zwei Aktuatoren in Reihe angeordnet sind, und dass die zumindest zwei parallelen Stränge der Parallelschaltung über einen weiteren Strang miteinander derart verbindbar oder verbunden sind, dass ein in einem ersten parallelen Strang angeordneter Aktuator mit einem in einem zweiten parallelen Strang angeordneten Aktuator in Reihe schaltbar ist.
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Mit anderen Worten: Die beiden parallelen Stränge der Parallelschaltung bilden jeweils einen Strompfad mit jeweils zwei, einem ersten und einem zweiten in Reihe geschalteten Aktuator, also zwei Strompfade aus, die zwischen dem Versorgungsspannungspfad und dem Massepfad verlaufen. Der weitere Strang verbindet die beiden parallelen Stränge zwischen den jeweils zwei Aktuatoren derart, dass ein erster Aktuator des ersten parallelen Stranges mit einem zweiten Aktuator des zweiten parallelen Stranges zur Bildung eines dritten Strompfades und ein erster Aktuator des zweiten parallelen Stranges mit einem zweiten Aktuator des ersten parallelen Stranges zur Bildung eines vierten Strompfades gemeinsam in Reihe schaltbar sind. Die beiden Aktuatoren, die jeweils einen gemeinsamen Strompfad ausbilden sind gemeinsam mit Strom beaufschlagbar und somit gemeinsam aktivierbar.
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Ist das System eine Lordosenstütze mit zwei Luftkissen, sind zur Ausführung einer Funktion bzw. zur Verstellung einer Kontur des Sitzes durch die Lordosenstütze jeweils zwei Aktuatoren gleichzeitig aktiv, die jeweils einem der beiden Luftkissen bzw. einem zur Befüllung oder Entleerung des jeweiligen Luftkissen vorgesehenen Ventil zugeordnet sind. Beispielsweise werden bei der Funktion „VOR“ beide Luftkissen gleichzeitig befüllt und somit sind diejenigen zwei der Aktuatoren aktiv, die jeweils einen Eintritt von Luft in das Luftkissen ermöglichen, also jeweils demjenigen Ventil zugeordnet sind, welches in seiner Öffnungsstellung eine Zufuhr von Luft erlaubt. Bei der Funktion „ZURÜCK“ werden hingegen beide Luftkissen gleichzeitig entleert und somit sind diejenigen zwei der Aktuatoren aktiv, die einen Austritt von Luft aus dem Luftkissen erlauben, also jeweils demjenigen Ventil zugeordnet sind, welches in seiner Öffnungsstellung einen Austritt von Luft erlaubt. Bei der Funktion „AUF“ wird ein oberes Luftkissen befüllt und gleichzeitig wird ein unteres Luftkissen entleert. Es sind somit derjenige Aktuator, der einen Austritt von Luft aus dem unteren Luftkissen und gleichzeitig derjenige Aktuator, der einen Eintritt von Luft in das obere Luftkissen erlaubt, aktiv. Bei der Funktion „AB“ wird hingegen ein unteres Luftkissen befüllt und gleichzeitig ein oberes Luftkissen entleert. Entsprechend sind somit derjenige Aktuator, der einen Austritt von Luft aus dem oberen Luftkissen und derjenige Aktuator, der einen Eintritt von Luft in das untere Luftkissen erlaubt, gleichzeitig aktiv.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jedem Stellelement eines Aktuators zu dessen Betätigung in eine Hubrichtung ein SMA-Element zugeordnet, wobei die SMA-Elemente zur Betätigung des Stellelementes zwischen dem Versorgungsspannungspfad und dem Massepfad derart in der Schaltung integriert sind, dass jeweils zwei SMA-Elemente, also zwei Aktuatoren paarweise in Reihe in einen der Strompfade schaltbar und mit Strom beaufschlagbar sind. Es werden also von SMA-Elementen gesteuerte Aktuatoren in der Schaltungsanordnung integriert.
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Die elektronischen Schaltelemente umfassen vorzugsweise eine mehrere Dioden aufweisende Diodenschaltung und/oder einen oder mehrere Transistoren, wobei jeweils einem Aktuator zumindest eine Diode zugeordnet ist. Die Aktivierung des jeweiligen Strompfades wird dabei vorwiegend von den elektronischen Schaltelementen, insbesondere der Diodenschaltung und den Transistoren gesteuert, sodass eine kostenintensive und einen großen Platzbedarf aufweisende Steuereinheit entfallen kann. Dabei sind jedem Aktuator insbesondere zumindest zwei Dioden zugeordnet.
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Um eine thermische Überlastung der Aktuatoren bzw. der SMA-Elemente zu vermeiden umfasst die Schaltungsanordnung bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Stromregelschaltung, die zwischen den jeweils paarweise in Reihe schaltbaren Aktuatoren in der Schaltung integriert ist.
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Die Stromregelschaltung umfasst insbesondere einen Pulsweitenmodulations-Generator (PWM), der ein pulsweiten-moduliertes Signal mit einer festen Frequenz und einem festen Duty-Cycle erzeugt, um den Stromfluss in dem jeweiligen aktiven Strompfad kontinuierlich ein und auszuschalten. Durch die thermische Trägheit und die schnelle Schaltfrequenz des PWM-Generators ist die dem SMA-Element zugeführte Leistung gleichwertig einer konstant zugeführten Leistung. Mit anderen Worten: Die dem SMA-Element zugeführte Leistung hat die gleiche thermische Leistung wie eine konstant zugeführte Leistung.
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Als kostengünstige Variante wird als Pulsweitenmodulations-Generator vorzugsweise ein astabiler Multivibrator eingesetzt.
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Insbesondere bei Verwendung eines astabilen Multivibrators mit konstantem Duty-Cycle als Pulsweitenmodulations-Generator umfasst die Stromregelschaltung zudem eine Stromquelle, insbesondere eine temperaturabhängige Stromquelle. Diese bewirkt, dass die dem SMA-Element zugeführte Leistung bei Änderungen in der Versorgungsspannung bzw. bei schwankender Versorgungsspannung konstant bleibt, sich aber bei Temperaturschwankungen ändert, also niedrigere Leistung bei höherer Temperatur und höhere Leistung bei niedrigerer Temperatur. Dadurch lässt sich insbesondere eine thermische Überlastung der SMA-Elemente zu vermeiden.
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Um ferner die Stromquelle thermisch zu entlasten und eine Überhitzung der elektronischen Bauteile der Stromquelle zu vermeiden, ist in der Stromregelschaltung eine Bypassschaltung für die Stromquelle integriert. Dadurch fließt nur ein Teil des gesamten Stroms durch die Stromquelle selbst, der andere Teil durch den Bypass. Dadurch wird die Verlustleistung in der Stromquelle reduziert, sodass kostengünstige elektronische Komponenten, wie beispielsweise kostengünstige und einfache Transistoren in der Stromquelle verwendet werden können. Die Bypassschaltung selbst benötigt im einfachsten Fall lediglich einen Widerstand als Bauelement und ist daher ebenfalls sehr kostengünstig (Bypasswiderstand).
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein System, insbesondere eine pneumatisch verstellbare Lordosenstütze, mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Das System umfasst zumindest zwei Luftkissen, die zum Befüllen mit Luft jeweils über eine Versorgungsleitung mit einer Pumpe und zum Entleeren jeweils mit der Atmosphäre verbunden sind. Ferner umfasst das System Ventile, die in jeder Versorgungsleitung und/oder in einer Leitung zwischen dem Luftkissen und einem Atmosphärenanschluss bzw. einer Öffnung zur Atmosphäre angeordnet sind bzw. selbst die Öffnung zur Atmosphäre aufweisen, wobei jedes Ventil zwischen einer Öffnungsstellung, in welcher das Ventil die Versorgungsleitung öffnet oder den Atmosphärenanschluss freigibt, und einer Schließstellung, in welcher das Ventil die Versorgungsleitung oder den Atmosphärenanschluss verschließt, verstellbar ist. Das System umfasst ferner eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung der Ventile mit einer vorstehend beschriebenen Ausgestaltung, in welcher die Ventile bzw. die Ventile steuernde Aktuatoren integriert sind.
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Das System bzw. die Lordosenstütze ist insbesondere in einer Rückenlehne eines Sitzes, beispielsweise eines Fahrzeugsitzes in einem Kraftfahrzeug, integriert, um die Kontur der Rückenlehne zu verstellen bzw. einzustellen. Zur Verstellung der Lordosenstütze und somit zur Einstellung einer gewünschten Kontur des Sitzes werden die Luftkissen mit unterschiedlichen Luftvolumen befüllt oder zumindest teilweise entleert, was durch eine Ansteuerung der Ventile in der Schaltungsanordnung erreicht wird. Bei einem System mit zwei Luftkissen ergeben sich insgesamt vier aktive und eine inaktive Funktion, die durch die Schaltungsanordnung ausgeführt werden können. Bei der Funktion „AUF“ wird ein erstes, oberes Luftkissen befüllt und ein zweites, unteres Luftkissen entleert. Zur Befüllung des ersten, oberen Luftkissens wird hierzu ein dem ersten Luftkissen zugeordnetes, in der Versorgungsleitung zwischen dem ersten Luftkissen und der pneumatischen Pumpe angeordnetes Ventil geöffnet. Zur Entleerung des zweiten, unteren Luftkissens wird gleichzeitig ein dem zweiten Luftkissen zugeordnetes, zwischen dem zweiten Luftkissen und der Atmosphäre angeordnetes Ventil geöffnet. Die beiden weiteren Ventile, also das in der Versorgungsleitung zwischen dem ersten Luftkissen und der Atmosphäre angeordnete und das in der Versorgungsleitung zwischen dem zweiten Luftkissen und der pneumatischen Pumpe angeordnete Ventil bleiben währenddessen geschlossen. Die weiteren Funktionen „AB“, „VOR“ und „ZURÜCK“ werden in analoger Weise durch entsprechende paarweise Ansteuerung der jeweiligen Ventile bzw. den Ventilen jeweils zugeordneten Aktuatoren erreicht, wie nachfolgend anhand des Ausführungsbeispiels detaillierter dargelegt werden soll, wobei für alle vier aktiven Funktionen jeweils zwei der Ventile bzw. Aktuatoren in einen gemeinsamen Strompfad schaltbar und somit betätigt bzw. in ihrer aktiven Stellung sind.
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Jedem Ventil ist dabei insbesondere jeweils ein Aktuator mit einem Stellelement zugeordnet, wobei das Stellelement des Aktuators eine Ventilöffnung des Ventils in der ersten Stellung bzw. Schließstellung verschließt und die Ventilöffnung des Ventils in der zweiten Stellung bzw. Freigabestellung freigibt. Die Ventile bzw. Aktuatoren sind dabei in der Schaltungsanordnung des Systems in der vorstehend beschriebenen Weise integriert.
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Vorzugsweise sind jedem Luftkissen zumindest zwei Ventile bzw. zumindest zwei Aktuatoren der Schaltung zugeordnet, wobei insbesondere zwei einem ersten Luftkissen zugeordnete Ventile bzw. Aktuatoren und zwei einem zweiten Luftkissen zugeordnete Ventile bzw. Aktuatoren jeweils in einem parallelen Strang der Schaltung angeordnet sind. Dadurch lassen sich die üblicherweise vier aktiven Funktionen des Systems in kostengünstiger Weise und mit geringem Aufwand realisieren ohne jedoch nennenswerte funktionale Einschränkungen hinnehmen zu müssen.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
- 1 ein System, beispielhaft eine Lordosenstütze, mit zwei Luftkissen und vier Ventilen, die jeweils von einem Aktuator gesteuert werden,
- 2 einen Querschnitt eines Ventils mit einem Aktuator,
- 3A - 3E verschiedene Schaltzustände des Systems zur Einstellung der Lordosenstütze,
- 4 eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 5 ein Schaltbild eines astabilen Multivibrators,
- 6 ein Schaltbild einer Stromquelle.
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Das in 1 dargestellte System 2 ist eine pneumatisch verstellbare Lordosenstütze, die zur Einstellung der Kontur einer Rückenlehne eines Fahrzeugsitzes (nicht gezeigt) in diesem untergebracht ist. Das System 2 weist mehrere Luftkissen, beispielhaft zwei Luftkissen, nämlich ein erstes, oberes Luftkissen 4 und ein zweites, unteres Luftkissen 6 auf. Die Luftkissen 4, 6 sind jeweils über eine Versorgungsleitung 18a, 20a mit einer Pumpe 16 verbunden, um die Luftkissen 4, 6 mit Luft zu befüllen. In den Versorgungsleitungen 18a, 20a ist zwischen der Pumpe 16 und dem Luftkissen 4, 6 jeweils ein Ventil 12a, 14a angeordnet, welches vorzugsweise als 2/2-Wegeventil ausgestaltet ist. Zum Entleeren der Luftkissen 4, 6 sind diese über Leitungen und Ventile 12b, 14b mit einem Atmosphärenanschluss 18b, 20b bzw. über eine Öffnung mit der Atmosphäre verbunden, wobei die Ventile 12b, 14b wiederum vorzugsweise als 2/2-Wegeventile ausgebildet sind. In einer jeweiligen Schließstellung der Ventile 12a, 12b, 14a, 14b sind die Versorgungsleitungen 18a, 20a, bzw. die Atmosphärenanschlüsse 18b, 20b jeweils geschlossen, sodass ein in den Luftkissen 4, 6 vorhandenes Luftvolumen gasdicht eingeschlossen ist. In einer jeweiligen Freigabestellung der Ventile 12a, 12b, 14a, 14b ist die jeweilige Versorgungsleitung 18a, 20a bzw. der jeweilige Atmosphärenanschluss 18b, 20b geöffnet und die Luftkissen 4, 6 können mit Luft befüllt oder entleert werden.
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Je nach Befüllgrad der beiden Luftkissen 4, 6 kann die Lordosenstütze und somit Kontur der Rückenlehne verstellt werden. Das erste, obere Luftkissen 4 wird dabei durch Öffnen des Ventils 12a gegen Vordruck befüllt und durch Öffnen des Ventils 12b gegen Atmosphäre entleert. Das zweite, untere Luftkissen 6 wird durch Öffnen des Ventils 14a gegen Vordruck befüllt und durch Öffnen des Ventils 14b gegen Atmosphäre entleert.
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Die Ventile 12a, 12b, 14a, 14b werden jeweils von einem Aktuator 8a, 8b, 10a, 10b betätigt, wie in 2 beispielhaft anhand des Ventils 12a prinzipiell dargestellt ist. Die weiteren Ventile 12b, 14a, 14b und Aktuatoren 8b, 10a, 10b sind entsprechend ausgestaltet. Zur Ansteuerung der Ventile 12a, 12b, 14a, 14b bzw. der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b umfasst das System 2 eine Schaltungsanordnung, die nachfolgend genauer beschrieben wird, und in welche die Ventile 12a, 12b, 14a, 14b bzw. die Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b integriert sind. Jedem Luftkissen 4, 6 sind dabei zwei Ventile 12a, 12b, 14a, 14b bzw. zwei Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b zugeordnet, wobei die zwei dem ersten Luftkissen 4 zugeordneten Ventile 12a, 12b bzw. Aktuatoren 8a, 8b und die zwei dem zweiten Luftkissen 6 zugeordneten Ventile 14a, 14b bzw. Aktuatoren 10a, 10b jeweils in einem parallelen Strang der Schaltung angeordnet sind.
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Das Ventil 12a umfasst gemäß 2 ein druckdichtes Ventilgehäuse 22 mit einer Ventilöffnung 24 und einem - nicht dargestellten - Medienanschluss zum Anschließen eines Luftkissens 4, 6 sowie einem - nicht dargestellten - Druckanschluss zum Anschließen der pneumatischen Pumpe oder einen - nicht dargestellten - Atmosphärenanschluss bzw. eine Öffnung. Innerhalb des Ventilgehäuses 22 ist der Aktuator 8a angeordnet, welcher ein Stellelement 26 aufweist, das senkrecht zu einer Leiterplatte 28 bewegbar ist. Das Stellelement 26 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist an seinem oberen Ende ein Dichtelement 30 zum Abdichten der Ventilöffnung 24 auf. Zur Führung des Stellelementes 26, insbesondere dessen oberen Endabschnittes ist eine Führung 38 vorgesehen. Ein unterer Endabschnitt des Stellelementes 26 kann zusätzlich innerhalb einer Bohrung (nicht gezeigt) der Leiterplatte 28 geführt sein. Zur Betätigung des Stellelementes 26 weist der Aktuator 8a ein drahtförmiges SMA-Element 32 auf, das in einem mittleren Abschnitt an dem Stellelement 26 und mit seinen beiden Enden an der Leiterplatte 28 fixiert ist. Im stromlosen Zustand weist das SMA-Element 32 seine größte Länge auf. Bei Beaufschlagung des SMA-Elementes 32 mit Strom verkürzt sich dieses, das Stellelement 26 wird in Hubrichtung 34 in seine zweite Stellung bewegt und die Ventilöffnung 24 wird freigegeben. Ist das SMA-Element 32 nicht mehr mit Strom beaufschlagt, kühlt dieses ab, bis es sich bei Unterschreiten der Umwandlungstemperatur von der Austenitphase in die Martensitphase umwandelt und sich somit wieder verlängert. Dadurch übt das SMA-Element 32 keine Kraft mehr auf das Stellelement 26 aus, dieses wird entgegengesetzt zur Hubrichtung in Rückstellrichtung in seine erste Stellung bewegt und die Ventilöffnung 24 wird durch das Dichtelement 30 wieder verschlossen. Zur Rückstellung des Stellelementes 26 ist an diesem ein Rückstellelement 36 angebracht, das in diesem Beispiel eine Feder ist, die das Stellelement 26 konzentrisch umschließt.
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Zur Beaufschlagung des Aktuators 8a, genauer des SMA-Elementes 32 mit Strom ist dieser in der Schaltungsanordnung untergebracht. Über eine Schnittstelle 42 sind die für den Betrieb erforderlichen Strom- und Signalleitungen an das Ventil 12a angeschlossen.
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Ein in 1 dargestelltes System 2 mit vier Ventilen 12a, 12b, 14a, 14b, die jeweils von einem Aktuator 8a, 8b, 10a, 10b betätigt werden und somit deren jeweilige Ventilöffnung von dem jeweiligen Stellelement des Aktuators 8a, 8b, 10a, 10b freigegeben oder verschlossen wird, hat üblicherweise vier aktive und einen inaktiven Schaltzustand, die in den 3A bis 3E schematisch dargestellt sind. Im inaktiven Schaltzustand ( 3A) ist keines der Ventile 12a, 12b, 14a, 14b bzw. keiner der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b betätigt bzw. keiner der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b von Strom durchflossen, sodass alle Ventilöffnungen geschlossen sind. Dadurch bleibt das in beiden Luftkissen 4, 6 vorhandene Luftvolumen unverändert.
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Bei dem in 3B dargestellten Schaltzustand sind die Aktuatoren 8a, 10b betätigt und somit die Ventile 12a, 14b geöffnet. Wird das System 2 derart angesteuert, wird die Funktion „AUF“ realisiert, d.h. das erste, obere Luftkissen 4 wird befüllt und das zweite, untere Luftkissen 6 wird entleert. Hierfür wird ein die Aktuatoren 8a, 10b in Reihe schaltender Strompfad 11a der Schaltungsanordnung aktiviert und mit Strom durchflossen, sodass die Stellelemente der Aktuatoren 8a, 10b betätigt werden.
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Bei dem in 3C dargestellten Schaltzustand sind die Aktuatoren 8a, 10a betätigt und somit die Ventile 12a, 14a geöffnet, um die Funktion „VOR“ auszuführen, d.h. sowohl das erste, obere Luftkissen 4 als auch das zweite, untere Luftkissen 6 werden mit Luft befüllt. Hierfür wird ein die Aktuatoren 8a, 10a in Reihe schaltender Strompfad 11b geschlossen und mit Strom durchflossen, sodass die Stellelemente der Aktuatoren 8a, 10a betätigt werden.
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3D zeigt den Schaltzustand für die Funktion „AB“, bei der ein die Aktuatoren 8b, 10a in Reihe schaltender Strompfad 11c geschlossen und somit die Ventile 12b, 14a geöffnet werden, um das erste, obere Luftkissen 4 zu entleeren und das zweite, untere Luftkissen 6 zu befüllen.
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Bei dem in 3E dargestellten Schaltzustand sind die Aktuatoren 8b, 10b betätigt und somit die Ventile 12b, 14b geöffnet. Hierfür wird ein die Aktuatoren 8b, 10b in Reihe schaltender Strompfad 11d aktiviert und mit Strom durchflossen, sodass die Stellelemente der Aktuatoren 8b, 10b betätigt werden. Dadurch wir Funktion „ZURÜCK“ realisiert, d.h. beide Luftkissen 4, 6 werden entleert.
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Die vier Strompfade 11a, 11b, 11c, 11d werden in der Schaltungsanordnung dadurch ausgebildet, dass die Schaltung eine zwei parallele Stränge aufweisende Parallelschaltung umfasst, wobei in jedem der zumindest zwei parallelen Stränge zumindest zwei Aktuatoren 8a, 8b bzw. 10a, 10b in Reihe angeordnet sind, und zwar die dem ersten Luftkissen 4 zugeordneten Aktuatoren 8a, 8b in einem ersten parallelen Strang und die dem zweiten Luftkissen 6 zugeordneten Aktuatoren 10a, 10b in einem zweiten parallelen Strang. Durch Beaufschlagung eines der durch einen der parallelen Stränge gebildeten Strompfades 11b, 11d können die Funktionen „VOR“ und „ZURÜCK“ ausgeführt werden. Ferner sind die zumindest zwei parallelen Stränge der Parallelschaltung über einen weiteren Strang derart miteinander verbindbar oder verbunden, dass ein in einem ersten parallelen Strang angeordneter Aktuator 8a, 8b mit einem in einem zweiten parallelen Strang angeordneten Aktuator 10a, 10b in Reihe schaltbar ist, dargestellt durch die Strompfade 11a, 11c, um die Funktionen „AUF“ und „AB“ ausführen zu können.
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In 4 ist eine Schaltungsanordnung 100 zur Ansteuerung des Systems 2, beispielhaft eine pneumatisch verstellbare Lordosenstütze mit zwei Luftkissen 4, 6 gemäß der vorliegenden Erfindung detailliert dargestellt. Die Schaltungsanordnung 100 umfasst wie bereits beschrieben vier Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b mit jeweils zumindest einem Stellelement 26, welches jeweils zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung verstellbar ist, um eine Ventilöffnung zu öffnen oder zu verschließen. Die vier Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b sind zwischen Versorgungsspannungspfaden 44a, 44b, 44c, 44d und einem Massepfad 46, die die vier möglichen Strompfade 11a, 11b, 11c, 11d zwischen sich ausbilden, in der Schaltung integriert. Zur Ausführung einer der Funktionen werden jeweils zwei der zumindest vier Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b entsprechend der in den 3B bis 3E dargestellten Weise paarweise und in Reihe in einen der Strompfade 11a, 11b, 11c, 11d geschalten und mit Strom beaufschlagt. Mit anderen Worten: Zur Ausführung einer gewünschten Funktion werden zwei der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b aktiviert, indem der der jeweiligen Funktion zugeordnete Strompfad 11a, 11b, 11c, 11d von Strom durchflossen bzw. aktiviert wird.
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Die Auswahl bzw. Aktivierung des jeweiligen Strompfades 11a, 11b, 11c, 11d und somit der zwei Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b, die betätigt werden sollen, um die jeweils zugeordneten Ventile 12a, 12b, 14a, 14b zu öffnen, erfolgt dabei durch elektronische Schaltelemente, die in die Schaltungsanordnung 100 integriert sind. Jedem Stellelement 26 eines jeden Aktuators 8a, 8b, 10a, 10b ist zu dessen Betätigung in eine Hubrichtung ein SMA-Element 32 zugeordnet (vgl. 2), wobei die SMA-Elemente 32 zur Betätigung des Stellelementes 26 zwischen dem Versorgungsspannungspfad 44a, 44b, 44c, 44d und dem Massepfad 46 in der Schaltung integriert und mit Strom beaufschlagbar sind.
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Die elektronischen Schaltelemente umfassen zum Aktivieren bzw. Schließen eines der Strompfade 11a, 11b, 11c, 11d eine Diodenschaltung 48 mit mehreren Dioden 50, vorliegend acht Dioden 50, wobei jedem Aktuator 8a, 8b, 10a, 10b zwei Dioden zugeordnet sind. Ferner umfassen die elektronischen Schaltelemente mehrere Transistoren 52, vorliegend zwei Transistoren 52. Die Aktivierung eines der Strompfade 11a, 11b, 11c, 11d somit allein durch die elektronischen Schaltelemente 48, 50, 52, eine zusätzliche Steuereinheit ist somit nicht notwendig, sodass Kosten gespart werden.
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Um eine thermische Überlastung der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b bzw. deren SMA-Elemente durch Zuführung einer zu hohen Leistung aufgrund schwankender Versorgungsspannung zu vermeiden, weist die Schaltungsanordnung 100 eine Stromregelschaltung 54 auf, die zwischen den jeweils paarweise in Reihe schaltbaren Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b bzw. zwischen den dem ersten, oberen Luftkissen 4 zugeordneten Aktuatoren 8a, 8b und den dem zweiten, unteren Luftkissen 6 zugeordneten Aktuatoren 10a, 10b in der Schaltung integriert ist.
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Die Stromregelschaltung 54 umfasst einen Pulsweitenmodulations-Generator, vorliegend einen astabilen Multivibrator 56, sowie eine temperaturabhängige Stromquelle 58. Ferner ist in der Stromregelschaltung eine Bypassschaltung 60 mit einem ohmschen Widerstand R_Bypass integriert, um die Stromquelle 58 selbst thermisch zu entlasten.
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5 zeigt ein Schaltbild des astabilen Multivibrators 56, der vorliegend als PWM-Generator verwendet wird, da dieser eine kostengünstige Variante darstellt. Der PWM-Generator erzeugt ein pulsweiten-moduliertes Signal, mit einer festen Frequenz und einem festen Duty-Cycle. Damit wird der Stromfluss kontinuierlich ein und ausgeschaltet. Bei einem Duty-Cycle von beispielsweise 25% bedeutet dies, dass der Strom für 25% ein und für 75% der Zeit ausgeschaltet wird. Die Frequenz und der Duty-Cycle des astabilen Multivibrators 56 werden durch die Dimensionierung der verwendeten Widerstände R1, R2, R3 und R4 sowie die verwendeten Kondensatoren C1 und C2 fest eingestellt. Durch die Pulsweitenmodulation wird die mittlere den SMA-Elementen zugeführte Leistung verringert und somit eine thermische Überlastung der SMA-Elemente verhindert.
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Um auch Schwankungen der Versorgungsspannung zu berücksichtigen, wird wie bereits erwähnt zusätzlich eine temperaturabhängige Stromquelle 58 in der Stromregelschaltung 54 integriert, die eine dem in 6 dargestellte Schaltbild entsprechende Ausgestaltung aufweist. Der Transistor Q1 ist im Verstärkerbetrieb, d.h. er wird nur so weit geöffnet, bis der durch einen Widerstand R_mess fließende Strom ISMA einen Spannungsabfall erzeugt, der so groß ist wie eine (Vorwärts-)Durchlassspannung eines Transistors Q2. Dadurch beginnt der Transistor Q2 zu leiten und koppelt über Q3 gegen, sodass sich ein bestimmter Strom ISMA einstellt. Somit lässt sich über die Dimensionierung von R_mess der Strom ISMA bei gleichbleibender Umgebungstemperatur weitgehend konstant einstellen. R2 wird hierzu sehr hochohmig gewählt. Da die Durchlassspannung des Transistors Q2 temperaturabhängig ist, kann durch entsprechende Auswahl des Transistors Q2 auch eine temperaturabhängige Einstellung des Stroms ISMA erreicht.
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Würde der gesamte Strom ISMA durch den Transistor Q1 fließen, würde sich dieser aufgrund der entstehenden Verlustleitung sehr stark erhitzen. Dies könnte beispielsweise dadurch vermieden werden, dass das Gehäuse des Transistors Q1 entsprechend groß ausgebildet wird, um die entstehende Verlustleistung an die Umgebung abzuführen. Da gerade in einem Fahrzeugsitz jedoch eine platzsparende Bauweise wünschenswert ist und solche hitzeresistenten Transistoren zudem teuer sind, wird vorliegend eine Bypassschaltung 60 in die Stromregelschaltung 54 integriert. Durch Parallelschaltung von R_Bypass zu der Stromquelle 58 wird erreicht, dass nur ein Teil des Stroms ISMA durch den Transistor Q1 fließt. Der andere Teil des Stroms ISMA fließt durch die Bypassschaltung 60, sodass auch ein Teil der entstehenden Verlustleistung über den Widerstand R_Bypass abgeführt wird. Dadurch wird die Verlustleistung des Transistors Q1 reduziert und für diesen kann eine platzsparende und kostengünstige Transistor-Variante gewählt werden.
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Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Schaltungsanordnung 100 durch die Kombination aus „H-Anordnung“ der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b sowie der eingesetzten Stromregelschaltung 54, mit wenigen und kostengünstigen Bauteilen, wie Dioden, Transistoren, Widerständen und Kondensatoren aufbauen lässt, ohne dass Einschränkungen in der Funktionalität auftreten. Die Schaltungsanordnung 100 kann unabhängig von der Größe der Versorgungsspannung verwendet werden. Zudem lässt sich ein genau definierter Strom ISMA , der durch die Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b fließt, und somit eine temperaturunabhängige Leistung der Aktuatoren 8a, 8b, 10a, 10b einstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- System
- 4
- erstes, oberes Luftkissen
- 6
- zweites, unteres Luftkissen
- 8, 8a, 8b
- Aktuatoren erstes, oberes Luftkissen
- 10, 10a, 10b
- Aktuatoren zweites, unteres Luftkissen
- 11a, 11b, 11c, 11d
- Strompfad
- 12, 12a, 12b
- Ventile
- 12, 14a, 14b
- Ventile
- 16
- Pumpe
- 18a, 20a
- Versorgungsleitung
- 18b, 20b
- Atmosphäre
- 22
- Ventilgehäuse
- 24
- Ventilöffnung
- 26
- Stellelement
- 28
- Leiterplatte
- 30
- Dichtelement
- 32
- SMA-Element
- 34
- Hubrichtung
- 36
- Rückstellelement
- 38
- Führung
- 42
- Schnittstelle
- 44a, b, c, d
- Versorgungsspannungspfad
- 46
- Massepfad
- 48
- elektronische Schalterelemente
- 50
- Diode
- 52
- Transistor
- 54
- Stromregelschaltung
- 56
- astabiler Multivibrator
- 58
- Stromquelle
- 60
- Bypass
- 100
- Schaltungsanordnung
