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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von mit einer Versorgungsspannungsquelle über eine Verbindungsleitung verbundenen Lasten vor einer Überspannung auf der Verbindungsleitung, bei der die Lasten über ein abhängig von der Höhe der Spannung auf der Verbindungsleitung schaltbares Schaltelement mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden sind.
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In Kraftfahrzeugen ist die Versorgungsspannungsquelle üblicherweise ein durch den Verbrennungsmotor angetriebener Generator, der in Personenkraftfahrzeugen eine Spannung von etwa 12V bis 14V und in Lastkraftfahrzeugen meist von etwa 24V bis 28V liefert. An den Generator ist im Kraftfahrzeugbordnetz eine Starterbatterie mit entsprechender Nennspannung angeschlossen, die vor allem als Energiequelle für einen Anlasser zum Starten des Verbrennungsmotors dient, da bei nicht laufendem Verbrennungsmotor der Generator keine Energie liefern kann. Der Anschluss am Pluspol der Starterbatterie wird dabei als Dauerplus oder Klemme 30 bezeichnet. Manche Geräte im Kraftfahrzeug liegen nicht ständig an diesem Dauerplus sondern werden erst durch das Betätigen eines Zündschlosses mit dem Pluspol der Starterbatterie bzw. des Generators verbunden. Der Anschluss des Zündschlosses wird dabei als Zündungsplus oder Klemme 15 bezeichnet. Im Betrieb bei betätigtem Zündschloss sind die Spannungen an den beiden Anschlüssen nahezu gleich groß.
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An das durch den Generator und die Starterbatterie mit Energie versorgte Bordnetz sind neben einer Vielzahl von Steuergeräten auch Sensoren und Leistungsendstufen angeschlossen, die empfindlich gegen Überspannungen sind. Solche Überspannungen können jedoch auftreten, wenn große Lasten abgeschaltet werden, da der Generator in dieser Situation häufig nicht schnell genug zurück geregelt werden kann, so dass Überspannungswerte erreicht werden, die die Sensoren oder Leistungsendstufen zerstören können.
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Diese Bauteile werden daher zumeist über ein Steuergerät, beispielsweise das Motorsteuergerät, mit dem Bordnetz verbunden, wobei das Steuergerät die Spannung auf der Verbindungsleitung überwacht und sich im Falle einer Überspannung abschaltet, um die angeschlossenen Bauteile zu schützen. Wenn die Spannung dann wieder einen akzeptablen Wert erreicht hat, wird das Steuergerät wieder neu gestartet. Dabei vergehen einige 100ms, in der das Steuergerät nicht arbeiten kann. Im Falle einer Motorsteuerung führt dies zu einer spürbaren Auswirkung auf den Verbrennungsmotor.
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Die
EP 3 062 408 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Begrenzung der an eine Last angelegten Spannung, bei der die Eingangswechselspannung gleichgerichtet und gemessen und abhängig von deren Höhe ein die Wechselspannung mit der Last verbindendes Schaltelement betätigt wird. Eingangsseitig ist ein Wechselspannungs-EMI-Filter zur Verzögerung von Spannungsspitzen vorgesehen, so dass das Schaltmittel rechtzeitig auf Spannungsspitzen reagieren kann.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Probleme des Standes der Technik zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz von mit einer Versorgungsspannungsquelle über eine Verbindungsleitung verbundenen Lasten vor einer Überspannung auf der Verbindungsleitung, bei der die Lasten über ein abhängig von der Höhe der Spannung auf der Verbindungsleitung schaltbares Schaltelement mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden sind, ist die Verbindungsleitung mit dem Eingang eines schnellen A/D-Wandlers und dessen Ausgang mit einem Eingang eines Mikroprozessors verbunden. Ein Ausgang des Mikroprozessors ist mit einem Steueranschluss des Schaltelements verbunden. Ein Versorgungsausgang einer Spannungsversorgungseinheit ist mit dem Spannungsversorgungseingang des Mikroprozessors verbunden, wobei ein Versorgungseingang der Spannungsversorgungseinheit mit der Verbindungsleitung zwischen der Versorgungsspannungsquelle und dem Schaltelement verbunden ist. Zwischen der Verbindungsleitung und der Spannungsversorgungseinheit ist eine ein- und ausschaltbare Spannungsbegrenzungsschaltung angeordnet. Außerdem ist die Spannungsbegrenzungsschaltung eingerichtet, durch ein Signal von Zündungsplus (Klemme 15) oder ein Signal auf einem CAN-Bus eingeschaltet zu werden.
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Es werden also durch das Schaltelement lediglich die empfindlichen Sensoren und Leistungsschalter von der eine Überspannung aufweisenden Verbindungsleitung getrennt, indem die Überspannung durch den schnellen A/D-Wandler erkannt und von dem Mikroprozessors programmgesteuert und damit auf einfache Weise konfigurierbar das Schaltelement nicht-leitend angesteuert wird. Dies hat auch den Vorteil, dass das Schaltelement bei einem Absinken der Spannung auf ein zulässiges Niveau schnell wieder leitend angesteuert werden kann.
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Dabei muss der Mikroprozessor eingeschaltet bleiben, also mit einer Versorgungsspannung versorgt werden, was in erfindungsgemäßer Weise durch eine Spannungsversorgungseinheit erfolgt, die über eine Spannungsbegrenzungsschaltung mit der Verbindungsleitung verbunden ist. Die Spannungsbegrenzungsschaltung sorgt also im Falle einer Überspannung an der Verbindungsleitung dafür, dass die Spannungsversorgungseinheit nur bei ihrer Nennspannung betrieben wird.
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Durch eine bei der Spannungsbegrenzungsschaltung einfach zu realisierende Einschaltfunktion kann der Mikroprozessor / -controller durch verschiedene Signale aus einem ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand gebracht werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung sind der A/D-Wandler und der Mikroprozessor Teil eines Mikrocontrollers. Damit können Bestandteile des Mikrocontrollers in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Spannungsbegrenzungsschaltung mit einem Linearregler gebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematischer Schaltungstopologie einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 2 ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer Spannungsbegrenzungsschaltung.
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1 zeigt die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Weise. Die Anschlussklemmen K130 und K131 versinnbildlichen die Anschlüsse einer Versorgungsspannungsquelle, die in einem Fahrzeug durch eine Starterbatterie und einen dieser parallel geschalteten Generator realisiert sind. Der Anschluss K130 wird häufig als Klemme 30 bzw. Dauerplus bezeichnet und kennzeichnet den Pluspol der Starterbatterie. Die Klemme 30 KL30 ist über eine Verpolschutzschaltung, die mit einem ersten Transistor T1 und einer in Flussrichtung gepolten Substratdiode gebildet ist, mit einer Verbindungsleitung VL verbunden. Der erste Transistor T1 wird über eine erste Ansteuerschaltung S1 an seinem Gateanschluss angesteuert, wobei die Ansteuerschaltung S1 ihrerseits ein Ansteuersignal VGBHI zugeführt wird.
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Die Verbindungsleitung VL ist über eine Überspannungsschutzschaltung, die mit einem Transistor T2 gebildet ist, der eine in Sperrrichtung gepolte Substratdiode aufweist, und über eine Filterschaltung F mit schematisch angedeuteten Sensoren und Leistungsschaltern S/L verbunden. Der zweite Transistor T2 wird an seinem Gateanschluss von einer zweiten Ansteuerschaltung S2 angesteuert, insbesondere kann er bei Auftreten einer Überspannung auf der Versorgungsleitung VL sperrend geschaltet werden, um die Sensoren und Leistungsschalter S/L zu schützen.
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Zwischen der Versorgungsleitung VL und dem Masseanschluss K131 ist über einen vierten Transistor T4 ein Spannungsteiler mit einem ersten Widerstand R21 und einem zweiten Widerstand R22 verschaltet. Der vierte Transistor T4 wird ebenfalls von dem Signal VGBHI angesteuert. Der Mittenabgriff des Spannungsteilers R21, R22 ist mit dem Eingang eines schnellen A/D-Wandlers ADC verbunden, der Bestandteil eines Mikrocontrollers µC ist. Ein Ausgang des Mikrocontrollers µC ist mit einem Eingang der zweiten Ansteuerschaltung S2 verbunden. Der Mikrocontroller µC enthält einen Mikroprozessor µP, der die Signale des A/D-Wandlers ADC verarbeitet.
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Während der Spannungsteiler R21, R22 über den vierten Transistor T4 aktiv geschaltet ist, wird über den schnellen Analog-Digital-Wandler ADC eine Überspannung auf der Verbindungsleitung VL erkannt und über den Mikroprozessor µP mittels eines konfigurierbaren Programmes die zweite Ansteuerschaltung S2 angesteuert, die den zweiten und den dritten Transistor T2 sperrend schaltet.
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Durch diese erfindungsgemäße Ansteuerung der Überspannungsschutzschaltung T2 über einen Mikrocontroller µC kann bei einer vorgegebenen Überspannung auf der Verbindungsleitung VL die Überspannungsschutzschaltung schnell aktiviert werden, aber auch bei einem Abfall der Spannung auf der Verbindungsleitung VL über den Mikrocontroller µC schnell wieder deaktiviert werden, sodass die Sensoren und Leistungsschaltung S/L wieder aktiv geschaltet sind.
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Hierfür muss jedoch auch im Falle der Aktivierung des Überspannungsschutzes der Mikrocontroller µC eingeschaltet bleiben, wozu er in erfindungsgemäßer Weise von einer Versorgungsspannungsschaltung PS mit den Versorgungsspannungen VDD5/3/1 versorgt wird. Die Versorgungsspannungsschaltung PS ist ihrerseits über eine schaltbare Begrenzerschaltung B mit der Verbindungsleitung VL und damit mit der Klemme 30 K130 bzw. Dauerplus der Starterbatterie verbunden.
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Die Begrenzerschaltung B hat Eingänge, die mit dem Zündungsplusanschluss K115 verbunden ist und außerdem mit einem Ausgangssignal CAN_INH eines CAN-Bus-Transceivers CBT sowie dem Signal VGBHI angesteuert werden können. Wenn eines dieser Signale einen ausreichend großen positiven Wert annimmt, wird die Begrenzerschaltung B aktiviert. Auch die Versorgungsspannungsschaltung PS hat Anschlüsse, die mit dem Zündungsplusanschluss K115 verbunden sind bzw. mit dem Ausgangssignal CAN_INH des CAN-Bus-Transceivers CBT angesteuert werden bzw. vom Mikrocontroller µC ansteuerbar sind. Am Ausgang der Versorgungsspannungsschaltung PS stehen einerseits die Versorgungsspannungen für den Mikrocontroller VDD5/3/1 als auch das Signal VGBHI sowie weitere Signale bzw. Spannungen V12, VS/2 zur Verfügung.
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Die Vorrichtung gemäß 1 weist außerdem eine Überspannungserkennungsschaltung OVD auf, die mit der Verbindungsleitung VL verbunden ist und deren Ausgang über eine erste Diode D21 mit dem CAN-Bus-Transceiver CBT verbunden ist, der an seinem Ausgang einerseits das Signal CAN_INH zur Ansteuerung der Begrenzerschaltung B und der Versorgungsspannungsschaltung PS bereitstellt und außerdem die CAN-Bus-Signale TxD/Rxd zur Verfügung stellt.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Vorrichtung bleibt der Mikrocontroller µC und damit das ihn enthaltende Steuergerät ständig aktiv und kann sowohl Aktoren ansteuern als auch Sensorsignale einlesen. Außerdem werden, da die Überspannung auf der Verbindungsleitung VL über Software erkannt wird, fehlerhafte Diagnoseeinträge der abgeschalteten Sensoren unterdrückt. Außerdem ist das Steuergerät ständig auf den Datenbussen aktiv und führt bei anderen an diese Datenbusse angeschlossenen Steuergeräten nicht zum Fehlereintrag. Der Schutz des ständig aktiven Mikrocontrollers µC erfolgt über die Begrenzerschaltung B und die von dieser angesteuerten Versorgungsspannungsschaltung PS.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Begrenzerschaltung B ist in 2 dargestellt. Die Begrenzerschaltung B ist zwischen der Versorgungsleitung VL und der Spannungsversorgungsschaltung PS verschaltet, wobei der Anschluss der Versorgungsspannungsschaltung PS mit UB_LIM bezeichnet ist. Zwischen der Verbindungsleitung VL und dem Anschluss UB_LIM ist ein selbstsperrender fünfter MOSFET Transistor T5 verschaltet, dessen Durchlasswiderstand geregelt wird, sodass die Spannung am Anschluss UB_LIM auf einen akzeptablen Wert begrenzt wird.
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Der fünfte Transistor T5 kann dabei entweder über das Signal an Zündungsplus KL15, das Ausgangssignal CAN_INH des CAN-Bus-Transceivers CBT oder das Signal VGBHI aktiviert werden. Hierzu ist das Ausgangssignal CAN_INH des CAN-Bus-Transceivers CBT über eine erste Diode D1 mit einem Knotenpunkt K verbunden. Der Zündungsplusanschluss K115 ist über einen Widerstand R1 und eine zweite Diode D2 mit dem Knotenpunkt K verbunden, wobei der Verbindungspunkt des Widerstands R1 und der zweiten Diode D2 über eine erste Zenerdiode Z1 mit Masse GND verbunden ist. Das Signal VGBHI wird einerseits über einen ersten Kondensator C1 nach Masse gepuffert und andererseits über eine dritte Diode D3 an den Knotenpunkt K angelegt.
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Der Knotenpunkt K ist über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Sourceanschluss des fünften Transistors T5 und über einen dritten Widerstand R3 mit dem Gateanschluss des fünften Transistors T5 verbunden. Der Gateanschluss des fünften Transistors T5 ist über eine zweite Zenerdiode Z2 mit dessen Sourceanschluss verbunden. Der zweiten Zenerdiode Z2 ist ein zweiter Kondensator C2 parallel geschaltet.
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Der Gateanschluss des fünften Transistors T5 kann über einen elften Widerstand R11 und die Emitter-Kollektorstrecke eines sechsten Bipolar-Transistors T6 mit Masse verbunden werden, sodass der fünfte Transistor T5 sperrend geschaltet wird, wenn die Spannung an der Verbindungsleitung VL so groß wird, dass die Spannung am Anschluss UB_LIM an der Source des fünften Transistors T5 einen einstellbaren Wert überschreitet. In diesem Fall wird der sechste Transistor T6 leitend geschaltet, sodass der Gateanschluss des fünften Transistors T5 über den elften Widerstand R11 mit dem Masseanschluss GND verbunden wird. Der Basisanschluss des sechsten Transistors T6 wird hierzu von einem Komparator OP1 über einen Spannungsteiler aus einem neunten Widerstand R9 und einem zehnten Widerstand R10 verbunden. Der Ausgang des Komparators OT1 ist außerdem über einen achten Widerstand R8 mit einer Spannung V12 verbunden.
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Zwischen dieser Spannung V12, die auch den Komparator OP1 versorgt, ist ein Spannungsteiler aus einem vierten und einem fünften Widerstand R4, R5 verschaltet, wobei dem fünften Widerstand R5 eine dritte Zenerdiode Z3 parallel geschaltet ist. Der Mittenabgriff dieses Spannungsteilers R4, R5 ist mit dem invertierenden Eingang des Komparators OP1 verbunden. Zwischen dem Anschluss UB_LIM an der Source des fünften Transistors T5 ist ein weiterer Spannungsteiler aus einem sechsten Widerstand R6 und einem siebten Widerstand R7 verschaltet, dessen Mittenabgriff mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators OP1 verbunden ist. Dieser nicht invertierende Eingang des Komparators OP1 ist außerdem über einen dritten Kondensator C3 mit dem Masseanschluss GND verbunden.
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Falls die Spannung am Anschluss UB_LIM einen über die Spannung V12 und die Widerstände R4, R5, R6, R7 eingestellten Wert überschreitet, schaltet der Komparator OP1 seinen Ausgang auf High, wodurch der sechste Transistor T6 leitend geschaltet wird und den Gateanschluss des fünften Transistors T5 über den elften Widerstand R11 mit dem Masseanschluss GND verbindet.
