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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
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Airbags in Fahrzeugen können unter Verwendung von Sicherheitshalbleitern ausgelöst werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung für eine Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug und eine Sicherheitsvorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Durch eine geeignete Ausführung einer beispielsweise als Sicherheitshalbleiter ausgeführten Vorrichtung zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung, beispielsweise zum Aktivieren eines Airbags, kann der Stromverbrauch der Vorrichtung sehr gering gehalten werden.
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Eine entsprechende Vorrichtung zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung, insbesondere einer limitierten, schaltbaren (high / low-impedant) Zünd-High-Side-Versorgungsspannung, für eine Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug weist die folgenden Merkmale auf:
- einen Versorgungsanschluss zum Anlegen eines ersten Versorgungsspannungspotenzials, einen Aktivierungsanschluss in Form eines Ausgangs zum Ausgeben der Aktivierungsspannung, Steueranschluss zum Einlesen eines Steuersignals und einen Masseanschluss für ein zweites Versorgungspotential, auch zweites Versorgungsspannungspotential oder Masse genannt;
- einen Durchgangsschalter mit einem Steuereingang, wobei der Durchgangsschalter zwischen den Versorgungsanschluss und den Aktivierungsanschluss geschaltet ist, und ausgebildet ist, um bei Anliegen eines ersten Signalpegels an dem Steuereingang eine leitfähige Verbindung zwischen dem oder den Versorgungsanschlüssen und dem Aktivierungsanschluss bereitzustellen und bei Anliegen eines zweiten Signalpegels an dem Steuereingang die leitfähige Verbindung zwischen dem oder den Versorgungsanschlüssen und den Aktivierungsanschluss zu sperren;
- einen ersten Steuerschalter mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Steuereingang, wobei der erste Anschluss mit dem Steuereingang des Durchgangsschalters, der zweite Anschluss mit dem Aktivierungsanschluss und der Steuereingang über einen ersten Widerstand mit dem Steuereingang des Durchgangsschalters verbunden ist;
- einen zweiten Steuerschalter mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Steuereingang, wobei der erste Anschluss über zumindest einen zweiten Widerstand mit dem Steuereingang des ersten Steuerschalters, der zweite Anschluss mit einem zweiten Versorgungsspannungspotenzial und der Steuereingang über zumindest einen dritten Widerstand mit dem Versorgungsanschluss und über eine Diode mit dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial verbunden ist; und
- einen dritten Steuerschalter mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Steuereingang, wobei der erste Anschluss mit dem Steuereingang des zweiten Steuerschalters, der zweite Anschluss mit dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial und der Steuereingang mit dem Steueranschluss verbunden ist.
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Die Vorrichtung kann als ein Sicherheitshalbleiter realisiert werden, die zwischen einer Energieversorgung des Fahrzeugs und der Sicherheitseinrichtung geschaltet werden kann. Bei dem ersten Versorgungsspannungspotenzial kann es sich um eine Versorgungsspannung und bei dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial um ein Massepotenzial handeln. Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Aktivierungsspannung bereitzustellen, wenn an dem Steueranschluss ein geeignetes Steuersignal anliegt. Durch die Verwendung der Steuerschalter kann zum einen der Stromverbrauch der Vorrichtung gesenkt werden und zum anderen eine zuverlässige Bereitstellung der Aktivierungsspannung gewährleistet werden. Zudem können Fehlauslösungen durch eine unerwünschte Bereitstellung der Aktivierungsspannung vermieden werden. Sind zwei Schaltungselemente miteinander „verbunden“ so kann dies bedeuten, dass sie direkt über eine Durchgangsleitung oder über zumindest ein weiteres Element, beispielsweise einen Widerstand, miteinander verbunden sind. Unter einem Durchgangsschalter kann gemäß einer Ausführungsform ein Begrenzer verstanden werden.
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Der zweite Steuerschalter kann so ausgeführt sein, dass der zweite Steuerschalter geöffnet ist, wenn der dritte Steuerschalter ansprechend auf das von dem Steueranschluss eingelesene Steuersignal geschlossen ist. Durch Öffnen des zweiten Steuerschalters kann der Durchgangsschalter / Begrenzer geschlossen und damit die niederohmige (low impedant) limitierte Aktivierungsspannung bereitgestellt werden.
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Die Vorrichtung kann zwei parallel geschaltete zweite Widerstände aufweisen. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Funktion der Vorrichtung auch dann gewährleistet werden, wenn einer der zwei zweiten Widerstände ausfällt.
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Ferner kann die Vorrichtung eine Serienschaltung aus einem ersten parallelgeschalteten Widerstandspaar einem zweiten parallelgeschalteten Widerstandspaar aufweisen. Dadurch wird eine Redundanz erreicht, durch die die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht wird.
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Die Vorrichtung kann einen Limitierungsschalter (Impedanzwandler, Auskoppeltransistor einer Zener-Spannung, ZD1) mit einem ersten Anschluss, einem zweiten Anschluss und einem Steuereingang aufweisen. Dabei kann der erste Anschluss mit dem Versorgungsanschluss, der zweite Anschluss über Vorwiderstände Rg1, Rg2 mit dem Steuereingang des Durchgangsschalters und der Steuereingang über zumindest einen vierten Widerstand mit dem Versorgungsanschluss und über eine präzise Zener-Diode mit dem zweiten Versorgungsspannungspotenzial verbunden sein. Über den Limitierungsschalter kann ein geeigneter Signalpegel an den Steuereingang des Durchgangsschalters angelegt werden.
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Die Schalter können als Transistoren ausgeführt sein. Dies ist eine kostengünstige und zuverlässige Realisierungsform. Dabei kann der Durchgangsschalter als ein Power-MOS-Transistor ausgeführt sein. Der erste Steuerschalter kann als Bipolar-Transistor ausgeführt sein. Der zweite Steuerschalter kann als NMOS-Transistor ausgeführt sein.
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Die Vorrichtung kann so ausgeführt sein, das die Vorrichtung für Sleep-Airbag-Steuergeräte geeignet ist, d.h. auch bei permanenter Versorgung an den Klemmen des Versorgungsanschlusses bis 16.5V kein Strom (<2µA @ 40°C) aufgenommen wird, sofern nicht der Kollisionsfall eintritt.
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Eine Sicherheitsvorrichtung für ein Fahrzeug weist die folgenden Merkmale auf:
- eine genannte Vorrichtung zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung für eine Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug;
- zumindest eine Fahrzeugbatterie, die die geschaltet oder permanent mit dem Versorgungsanschluss und dem Masseanschluss der Vorrichtung verbunden ist, um eine Batteriespannung als das erste Versorgungsspannungspotenzial gegen den Masseanschluss an dem Versorgungsanschluss bereitzustellen;
- eine Energiereserveeinrichtung, die mit dem Versorgungsanschluss der Vorrichtung verbunden ist, um eine Reservespannung als das erste Versorgungsspannungspotenzial an den Versorgungsanschluss bereitzustellen; und
- eine Sicherheitseinrichtung, die mit dem Aktivierungsanschluss der Vorrichtung verbunden ist, um durch die Aktivierungsspannung versorgt zu werden (hochohmig und Spannungsbegrenzt im Normalfall oder niederohmig und Spannungsbegrenzt im Kollisionsfall.
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Somit kann die genannte Vorrichtung als Sicherheitshalbleiter eingesetzt werden.
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Die Sicherheitsvorrichtung kann optional zumindest eine Fahrzeugbatterie aufweisen, die als permanente Versorgung mit dem Versorgungsanschluss, sowie als geschaltete Versorgung mit dem Versorgungsanschluss und dem Bezugspunkt (Masseanschluss) der Vorrichtung verbunden ist, um eine Batteriespannung als das erste Versorgungsspannungspotenzial gegen den Masseanschluss an dem Versorgungsanschluss bereitzustellen.
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Dabei kann die genannte Sicherheitseinrichtung ein Personenschutzmittel, beispielsweise ein Airbag oder ein Gurtstraffer sein.
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Ein Verfahren zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung für eine Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug unter Verwendung einer genannten Vorrichtung zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung umfasst die folgenden Schritte:
- Anlegen eines ersten Versorgungsspannungspotenzials an den Versorgungsanschluss der Vorrichtung; und
- Bereitstellen des Steuersignals an den Steueranschluss der Vorrichtung.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung für eine Sicherheitseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 3 ein Schaltbild einer Vorrichtung zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 102 zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung für eine Sicherheitseinrichtung 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Die Sicherheitseinrichtung 104 umfasst beispielhaft eine Schaltung „FLIC/S-ASIC“ und eine Zündeinrichtung, mit der beispielsweise ein Airbag ausgelöst werden kann, der ebenfalls Teil der Sicherheitseinrichtung 104 sein kann.
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Die Vorrichtung 102 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als ein Sicherheitshalbleiterbaustein (SH) ausgeführt und weist einen Versorgungsanschluss 110 zum Anlegen eines oder mehrerer erster Versorgungsspannungspotenziale, einen Aktivierungsanschluss 112 zum Ausgeben der Aktivierungsspannung und einen Steueranschluss 114 zum Einlesen eines Steuersignals auf. Ferner umfasst die Vorrichtung 102 einen Anschluss für ein zweites Versorgungsspannungspotenzial, hier einen Masseanschluss 115, auch Bezugspunkt oder Massebezugspunkt genannt.
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Der Versorgungsanschluss 110 umfasst beispielhaft drei Kontakte über die die Vorrichtung mit drei unterschiedlichen verpolgeschützten Spannungspotenzialen in Form einer Batteriespannung KL30 (permanent), einer Batteriespannung KL15/KL15R (schaltbar) und einer Energiereservespannung VER < 40V (im aktiven Betrieb) der Energiereserveeinrichtung 116 versorgt werden für den Aktivierungsfall. Zur Bereitstellung der Spannungs-Limitirungsgrenze der Aktivierungsspannung VH wird über einen beispielhaft vierten Kontakt (230) im Versorgungsanschluss (110), die nicht verpolgeschützte Energiereservespannung VER der Energiereserveeinrichtung 116 verwendet. Über den Steueranschluss 114 kann das auch als P_SH oder P_SVR bezeichnete Steuersignal eingelesen werden. Die Vorrichtung 102 ist ausgebildet, um die Aktivierungsspannung, die auch als VH bezeichnet wird, abhängig von einem Signalzustand des Steuersignals in einen niederohmigen spannungslimitierten Zustand in Bezug auf die Versorgungsspannungen (220,224,228) zu schalten, bzw. in einen sperrenden Zustand in Bezug auf die Versorgungsspannungen (220,224,228), sowie in einen hochohmigen spannungslimitierten Zustand in Bezug auf die Versorgungsspannung VER (230). Ferner ist die Vorrichtung 102 ausgebildet, um eine Limitierung der Spannung VH vorzunehmen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Funktion der Vorrichtung 102 so, dass die Vorrichtung 102 sperrt (hochohmig ≈ 1.21KOhm und die Spannung limitiert). Im „gesperrten“ (= T_P gesperrt) Zustand der Vorrichtung 102 gilt für die Aktivierungsspannung VH=VH_HZ ≈ VH_lim*(Rb2_1 II Rb2)/(Rb2_1 II Rb2+Rg1+Rg2)+0.1V sofern IVH=0, wenn das Steuersignal den Signalzustand high Z oder Low aufweist und leitet (niederohmig ≈ 5Ω...50mΩ und die Spannung limitiert), wenn das Steuersignal den Zustand High aufweist. Im leitenden Zustand der Vorrichtung 102 gilt für die Aktivierungsspannung VH =VH_LZ <= VH_lim-VGth.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Vorrichtung 102 um einen Sicherheitshalbleiter für eine Zündung aus einer Batterie und einer Energiereserve 116 ohne Stromaufnahme im sogenannten Schlaf-Zustand.
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Die Vorrichtung 102 wird im folgenden beispielhaft anhand eines Airbag-Systems beschrieben, das an eine Dauerversorgung (KL30) gelegt werden kann. Über eine Bus-Kommunikation, beispielsweise einer CAN/FlexRay-Kommunikation, und/oder einer Aufwachleitung, einer sogenannten Wake-Leitung, wird das System hochgefahren oder schlafen gelegt.
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Gefordert ist dabei die Einhaltung eines geringen System-Versorgungsstromes im Schlaf-Zustand. Die Vorrichtung 102 in Form eines Sicherheitshalbleiters ist dabei beispielhaft als ein unabhängiges Bauteil in Serie mit den Zündkreis High- und Low-Side-Endstufen geschaltet. Die Vorrichtung 102 kann sowohl mit dem Versorgungsanschluss 110 verbundenen Batterieleitungen als auch eine Energiereserveleitung zu der Energiereserveeinrichtung 116 abschalten und im Kollisionsfall gezielt die Energiezufuhr aus Energiereserve 116 und/oder Batterie freigeben.
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Darüber hinaus wird die an dem Aktivierungsanschluss 112 bereitgestellte Ausgangsspannung geregelt und/oder limitiert, um die Verlustleistung während der der Zündung optimal auf die Zündkreisbauelemente zu verteilen.
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Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung 102 die Dauerversorgung (KL30) benutzen, ohne dabei die Grenzwerte für den System-Versorgungsstrom im Schlaf-Zustand (= Sleep-Current) zu überschreiten.
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Beispielsweise kann der Versorgungsstrom der Vorrichtung 102 weniger als 2µA betragen, wobei die Robustheit gegen Feuchtigkeit oder das sichere Blockieren und/oder Freigeben der Energiezufuhr aus KL30 bzw. Energiereserve 116 gegeben ist.
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Durch die Vorrichtung 102 ist es möglich, die Anforderungen an Airbag-Systeme mit Schlaf-Funktion in weiteren Versorgungsfällen zu erfüllen. Insbesondere wird es ermöglicht, den Schlaf-Strom von <=100µA für das Gesamtsystem einzuhalten, auch wenn als Forderung die KL30 (Dauerplus) und nicht ausschließlich die KL15 (Zündung) als Eingangsgröße für die Vorrichtung 102 verwendet wird.
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Im Weiteren ist eine hohe Robustheit gegen Leckagen, z.B. Feuchtigkeit gegeben, ohne dass der Stromverbrauch im Schlaf-Fall weiter steigt. Ebenso können Maßnahmen eingeführt werden, damit Bestück-Fehler in der Produktion in Ihrer Auswirkung weiter eingegrenzt werden und zusätzliche Prüfmaßnahmen entfallen können. Dies kann durch einen gezielten Einsatz von Redundanz und Diversität erreicht werden.
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Ein Durchgangsschalter in Form eines Power-MOSFET-Transistors kann als wesentliches Teil des Designs der Vorrichtung 102 verwendet werden. Die zur Zündung vorgesehenen Spannungsversorgungen, hier die Spannungen KL15, KL30 sowie die Spannung der Energiereserve 116, werden verpolgeschützt der Vorrichtung 102 zugeführt. Die Vorrichtung 102 wird mittels einer Treiberstufe freigegeben oder blockiert. Die Blockierung wird bei Vorhandensein einer relevanten Eingangsspannung an der Vorrichtung 102 wirksam sein, noch bevor im Start des Airbag-Systems die internen Versorgungsspannungen aufgebaut werden können.
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Die Vorrichtung 102 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel durch einen Standard I/O-Anschluss eines Mikroprozessors mit I/O-Spannungen von 5V oder 3.3V sicher steuerbar. Im RESET-Zustand wird die Vorrichtung 102 ebenfalls sicher blockieren.
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Wird die Vorrichtung 102 als Power N-MOS Transistor ausgeführt lässt sich durch geeignete Gate-Spannungsvorgabe die Ausgangsspannung im Ansteuerfall (Crash) limitieren und damit die Verlustleistung zwischen der Vorrichtung und Airbag-High-Side-Endstufe aufteilen.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung für eine Sicherheitseinrichtung für ein Fahrzeug. Dazu kann eine Vorrichtung verwendet werden, wie sie beispielsweise anhand der 1 und 3 beschrieben ist. In einem Schritt 201 wird ein erstes Versorgungsspannungspotenzials an den Versorgungsanschluss der Vorrichtung angelegt. In einem Schritt 203 wird ein Steuersignal an den Steueranschluss der Vorrichtung bereitgestellt. Durch das Steuersignal wird die Vorrichtung so angesteuert, das die Vorrichtung die Aktivierungsspannung unter Verwendung des ersten Versorgungsspannungspotenzials bereitstellt.
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3 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung 102 zum Bereitstellen einer Aktivierungsspannung VH gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um ein Ausführungsbeispiel der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung handeln.
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Ein erster Kontakt 220 des ersten Versorgungsanschluss 110 der Vorrichtung 102 ist über eine Diode mit einer ersten Fahrzeugbatterie 222 zum Bereitstellen einer Spannung KL30 verbunden. Ein zweiter Kontakt 224 des ersten Versorgungsanschluss 110 ist über eine Diode mit einer zweiten Fahrzeugbatterie 226 zum Bereitstellen einer geschalteten Spannung KL15 verbunden.
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In der Regel handelt es sich nur um eine Fahrzeugbatterie mit Generatorpufferung diese ist über ein Verpolschutz (Diode) mit dem Anschluss 220 des Versorgungsanschluss-Blocks 110 permanent verbunden und über einen geschalteten Strang ist die gleiche Fahrzeugspannung (Fahrzeugbatterie mit Generatorpufferung) ebenfalls über einen Verpolschutz (Diode) mit dem 2ten Anschluss 224 des Versorgungsanschluss-Blocks 110 geschaltet verbunden. Der Schalter wird mit Zündung/Ignition ein (Bezeichnung KL15) oder mit Stellung Radio/Accessory ein (Bezeichnung KL15R) geschlossen.
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Ein dritter Kontakt 228 des ersten Versorgungsanschluss 110 ist über einen Verpolschutz (Diode) mit einer Energiereserveeinrichtung 116 zum Bereitstellen einer verpolgeschützten Energiereserve-Spannung verbunden. Ein vierter Kontakt 230 des ersten Versorgungsanschluss 110 ist ohne Verpolschutz ebenfalls mit der Energiereserveeinrichtung 116 verbunden.
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Die als Sicherheitshalbleiter SH ausgeführte Vorrichtung 102 umfasst eine Einrichtung 240 zum Bereitstellen einer stabilisierten VH-Limitierungsspannung VH_lim auf, die eingangsseitig mit dem vierten Kontakt 230 verbunden ist.
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Ferner weist die Vorrichtung 102 einen Durchgangsschalter T_p, einen ersten Steuerschalter T_D1, einen zweiten Steuerschalter T_D2 und einen dritten Steuerschalter T_D3 auf.
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Der Durchgangsschalter T_p ist zwischen die Kontakte 220, 224, 228 des Versorgungsanschluss 110 und den Aktivierungsanschluss 112 geschaltet. Der Durchgangsschalter T_p weist einen Steuereingang auf. Wenn an dem Steuereingang ein erster Signalpegel anliegt ist der Durchgangsschalter T_p geschlossen und wenn an dem Steuereingang ein zweiter Signalpegel anliegt ist der Durchgangsschalter T_p geöffnet.
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Ein erster Anschluss des ersten Steuerschalters T_D1 ist mit dem Steuereingang des Durchgangsschalters T_p und ein zweiter Anschluss des Durchgangsschalters T_p mit dem Aktivierungsanschluss 112 verbunden. Der Steuereingang des ersten Steuerschalters T_D1 ist über einen Widerstand Rc mit dem Steuereingang des Durchgangsschalters T_p verbunden.
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Ein erster Anschluss des zweiten Steuerschalters T_D2 ist beispielhaft über zwei Widerstände Rb2, Rb2_1 mit dem Steuereingang des ersten Steuerschalters T_D1 verbunden und ein zweiter Anschluss des zweiten Steuerschalters T_D2 ist mit Masse 115 verbunden. Der Steuereingang des zweiten Steuerschalters T_D2 ist beispielhaft über vier Widerstände Rp1, Rp2, Rp3, Rp4 mit den Kontakten 220, 224, 228 des Versorgungsanschluss 110 verbunden. Dabei sind die Widerstände Rp1, Rp3 parallel geschaltet und die Widerstände Rp2, Rp4 ebenfalls parallel geschaltet. Erste Anschlüsse der Widerstände Rp1, Rp3 sind mit den mit den Kontakten 220, 224, 228, zweite Anschlüsse der Widerstände Rp1, Rp3 mit ersten Anschlüssen der Widerstände Rp2, Rp4 und zweite Anschlüssen der Widerstände Rp2, Rp4 mit dem Steuereingang des zweiten Steuerschalters T_D2 verbunden. Der Steuereingang des zweiten Steuerschalters T_D2 ist ferner über eine Diode ZD2 mit Masse 115 verbunden.
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Ein erster Anschluss des dritten Steuerschalters T_D3 ist mit dem Steuereingang des zweiten Steuerschalters T_D2 verbunden und ein zweiter Anschluss des dritten Steuerschalters T_D3 ist mit Masse 115 verbunden. Ein Steuereingang des dritten Steuerschalters T_D3 ist mit dem Steueranschluss 114 verbunden. Beispielhaft ist dabei ein Widerstand Rb zwischen den Steueranschluss 114 und den Steuereingang des dritten Steuerschalters T_D3 geschaltet. Zudem ist der Steueranschluss 114 über einen Widerstand Rbel mit Masse 115 verbunden.
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Der Aktivierungsanschluss 112 ist beispielhaft über Kondensatoren Cout, Cout_1 und eine Diode Dout mit Masse 115 verbunden.
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Die Einrichtung 240 weist einen Limitierungsschalter (Impedanzwandler) T_kop auf. Ein erster Anschluss (Kollektor, Drain) des Limitierungsschalter T_kop ist mit dem Anfang der Serienschaltung der Vorwiderstände gebildet aus Rvl, Rv2 verbunden und zusätzlich mit dem Kontakt 230 des Versorgungsanschluss 110. Ein zweiter Anschluss (Emitter, Source) des Limitierungsschalter T_kop ist über eine Diode D1 mit einem Ausgang der Einrichtung 240 verbunden, an dem durch die Einrichtung 240 die Spannung VH_lim bereitgestellt wird. Ein Steuereingang (Basis, Gate) des Limitierungs-schalter (Basis)T_kop ist an die Kathode der Zenerdiode ZD1 angeschlossen, welcher ebenso mit einem Ende der Serienschaltung aus Rvl, Rv2 verbunden ist. Durch Wahl der geeigneten Zener-Spannung der Diode ZD1 lässt sich die Spannung VH_lim so anpassen, dass diese für die Sicherheitseinrichtung 104 optimal geeignet ist. Die Anode der Zenerdiode ZD1 ist mit Masse 115 verbunden.
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Beispielhaft ist der Ausgang der Einrichtung 240, über den die Spannung VH_lim bereitgestellt wird, über eine Serienschaltung aus zwei Widerständen RG1, RG2 mit dem Steuereingang (Gate) des Durchgangsschalters T_p verbunden. Der Steuereingang des Durchgangsschalters T_p ist ferner beispielhaft über zwei parallelgeschaltete Kondensatoren Cg1, Cg2 mit Masse 115 verbunden.
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In einer Airbag-Anwendung ist eine verpolgeschützte Hochstrom-Anbindung an die Energiereservespannung VER der Energiereserve-kapazität C_ER vorhanden, welche durch eine Lade- / Entlade-Einrichtung 116 auf die für die Betriebsphasen geeignete Spannung gebracht wird.
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Je nach Applikationsanforderung werden weitere Hochstrom-Anbindungen zu Fahrzeugspannungen KL15, KL30 vorgesehen. Die Hochstromeingänge werden in der Vorrichtung 102 als „verdrahtetes Oder“ verbunden zur Eingangsspannung SH_IN der Vorrichtung 102, auch als erstes Versorgungspotenzial bezeichnet. Die verdrahtete Oder-Verbindung stellt sicher, dass im Zündfalle, falls vorhanden, die Energiereservespannung VER durch die Batteriespannung KL15, KL30 gestützt wird. Damit sind auch Zündkreis-Aktivierungen bei nicht ausreichender Energiereserve oder bei ER-Elko-Abriss möglich.
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Die nicht verpolgeschützte Energiereservespannung VER wird als Ansteuerspannung für die Vorrichtung 102 benutzt. Dies dient zum einen der Sicherheit wodurch erreicht wird, dass im Augenblick der Einschaltung der Fahrzeugspannung KL15 als Eingangsspannung der Vorrichtung 102 noch keine Ansteuerspannung des Power-MOS Transistors T_p der Vorrichtung 102 vorhanden ist. Diese wird erst nach vollständiger Kontrolle, beispielsweise durch einen System-Controller, durch langsamen Aufbau der Energiereservespannung VER mittels des Mikrocontroller-steuerbaren Laders / Entladers für die Energiereserveeinrichtung 116 aufgebaut. Ebenso verhält es sich, wenn in Schlaf-Systemen die Fahrzeug-Spannung KL30 als Eingangsspannung der Vorrichtung 102 in abgestellten Fahrzeugen verbleibt. In diesem Falle ist nach Ablauf der Autarkiezeit und einer folgenden aktiven Entladung durch die Entlade-Einrichtung 116 mit finaler passiver Entladung der Energiereserve in einem Airbag-System keine Ansteuerspannung für den Power-MOS Transistor T_p der Vorrichtung 102 mehr vorhanden.
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Zur Steuerung der Vorrichtung 102 ist ein Eingang in Form des Steuereingangs 114 vorhanden (Input) der beispielhaft an einen I/O Port des Airbag-Mikrocontrollers anschließbar ist. Die Steuerung kann durch 3.3V I/O oder 5V I/O erfolgen. Die Steuerung dient dem verstärkten aktiven Sperren der Vorrichtung 102 oder dem Aktivieren, einem sogenannten leitend Steuern, des Power-MOSFET Transistors T_p zu Testzwecken oder im Kollisionsfall.
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Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Power-MOS Transistor T_p, auch als T_power_nmos bezeichnet, durch den Bipolar Transistor T_D1 gesteuert. Befindet sich ein Airbag-Steuergerät im Schlaf-Zustand so kann im schlimmsten Fall die Spannung KL30 verpolgeschützt am Eingang der Vorrichtung 102 anliegen. Sonst sind keine weiteren Spannungen mehr vorhanden, da das Fahrzeug unbenutzt ist. In einem solchen Fall ist die Energiereserve bereits nach wenigen 100ms nach Ausschalten des Fahrzeugs abgebaut (durch Energie-Entnahme für Autarkyzeit System-Versorgung und weiteres aktives und passives Entladen (Einrichtung 116).
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In diesem Schlaf-Falle sind hohe Anforderungen an den Stromverbrauch der KL30 versorgten Steuergeräte, hier der Vorrichtung 102, gestellt. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist ein weiterer Signal-Transistor T_D2 als NMOS in die Schaltung der Vorrichtung 102 eingefügt. Dieser Transistor T_D2 weist eine möglichst geringe Gate-Threshold Spannung auf, damit selbst die kleinste vorhandene KL30 Spannung genutzt werden kann, um eine sichere Sperrung der Power-MOS Endstufe T_p zu gewährleisten.
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Der Transistor T_D2 wird über die redundanten Widerstände Rp1, Rp2, Rp3, Rp4 angesteuert. Die 4-Widerstands-Strucktur Widerstände Rp1, Rp2, Rp3, Rp4 stellt sicher, dass auch bei Ausfall eines Widerstandes Rp1, Rp2, Rp3, Rp4, beispielsweise aufgrund einer Unterbrechung oder eines Kurzschluss, kein unzulässiger Zustand entstehen kann. Im Weiteren ist eine Dimensionierung der Widerstände Rp1, Rp2, Rp3, Rp4 unter Einhaltung sehr robuster Designregeln, beispielsweise weniger als 100KOhm und Feuchte, möglich, ohne die Schlaf-Strom-Anforderungen heutiger Sicherheitshalbleiterschaltungen zu verletzen.
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Um sicherzustellen, dass bei Jump-Start Bedingungen keine unzulässigen Spannungen den Transistor T_D2 schädigen, ist eine Gate-Klammer Diode ZD2 mit z.B. 18V Klammerspannung vorgesehen. Die ist notwendig, da Standard Signal-MOS-FETS nicht mit Gate-Spannungen über 20V belastet werden dürfen. Eine entsprechende Klammerstruktur ist dabei in der Regel im MOSFETintegriert, sollte aber zusätzlich extern redundant vorgesehen werden, hier in Form der Diode ZD2. Im Schlaf-Falle hat dies keine Auswirkung auf den Schlaf-Strom der Vorrichtung 102, da die Fahrzeugspannung (KL30) bei parkenden (no operation) Fahrzeugen nicht durch den Generator sondern durch die Fahrzeugbatterie 222 bereitgestellt wird. Diese Spannung ist aber in der Regel nicht über 13.8V, im Falle eines Blei-Akkus, wodurch kein Klammerstrom in die Diode ZD2 abgeführt wird.
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Im Betriebsfall (Airbag in Operation) ist bei einer Energiereservespannung von 33V und einem wirksamen Pull-Up-Widerstand Rp1 II Rp3=42.85k und Rp2 II Rp4 = 43.25k = in Summe 86.1k mit passiver oder aktiver Verriegelung durch P_SVR=high Z/low mit einer statischen Stromentnahme für IRp<=[33V(VER)-18V (ZD2)]/86.1k=0.174mA aus der Energiereserve 116 zu rechnen.
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Der Transistor T_D2 der durch die Pull-Up-Widerstände Rp1, Rp2, Rp3, Rp4 angesteuert wird, ermöglicht über die Widerstände Rb2, Rb2_1 einen Emitter-Basisstrom im PNP Bipolar Gate-Source Transistor T_D1.
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Der Transistor T_D1 sorgt über die leitende Emitter-Kollektor Strecke für ein Sperren des Power NMOS Transistors T_p.
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Es sind zwei Basiswiderstände Rb2, Rb2_1 in Verwendung, um bei Unterbrechung eines Widerstandes Rb2, Rb2_1 nach wie vor sicher den Transistor T_D1 anzusteuern und den Power_NMOS-Transistor T_p aktiv zu verriegeln.
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Die Widerstände Rb2, Rb2_1 können außerdem unterschiedlich ausgeführt werden um in der Fertigung aus zwei verschiedenen Tapes bestückt zu werden. Dies erhöht die Robustheit gegen Fehler (falsches Tape, etc.) in der Fertigung ohne eine sicherheitsrelevante oder systematische Auswirkung zu haben. Diese Methode ist grundsätzlich in dieser sicherheitsrelevanten Schaltung angewendet worden wo nötig (Rp1≠RP3≠RP2≠RP4; Rg1≠Rg2; Rv1≠Rv2; Rb2≠Rb2_1).
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Der Widerstand Rc sorgt im Kollisionsfall oder Testfall der Vorrichtung 102 für eine rasche Ansteuerung durch Ausräumen der Emitter-Basis Strecke des Transistors T_D1.
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Die der Vorrichtung 102 direkt zugeführte Spannung VER der Energiereserve-Einrichtung 116 wird über die Widerstände Rvl, Rv2 und die Zenerdiode ZD1 auf einen gewünschten Limitierungswert geklammert. Zum Beispiel auf 27V. Über den Auskoppel-Transistor Tkop und der Diode D1 wird diese Spannung rückwirkungsfrei, zumindest im wesentlichen rückwirkungsfrei, und verpolgeschützt der Vorrichtung 102 als Limitierungsbezugsgröße für die an dem Aktivierungsanschluss 112 bereitgestellte Ausgangsspannung bei einer Kollision oder im Testfall vorgegeben. Durch geeignete Wahl der Klammerspannung der Zenerdiode ZD1 lässt sich jede gewünschte Spannung VH_lim im Ansteuerfall erzielen.
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Durch ein Ansteuersignal P_SVR=High, das am Steueranschluss 114 eingelesen wird, wird der Bipolar Transistor T_D3 angesteuert und der NMOS_FET T_D2 gesperrt ebenso wie der PNP Transitor T_D1. Dadurch steht dem Power_NMOS T_p die limitierte Spannung VH_lim über die Widerstände Rg1, Rg2 zur Verfügung.
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Die Wiederstände Rg1, Rg2 dienen der Strombegrenzung der Spannung VH_lim im Sperrzustand der Vorrichtung 102 im Falle eines Kurzschlusses an der Vorrichtung 102 nach Masse 115 bzw. in der nachfolgenden Schaltung 104. Die Redundanz sichert diese Funktion auch im Kurzschlussfall eines der Widerstände Rg1, Rg2.
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Die Kapazitäten Cg1, Cg2 verhindern Gate-Spannungsschwankungen im Falle von Schwankungen der Spannung VER der Energiereserve 116, beispielsweise verursacht durch hohe dynamische Stromentnahmen während der Zündkreisaktivierung.
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Am als Ausgang der Vorrichtung 102 dienenden Aktivierungsanschluss 112 stellt sich im gesperrten Zustand eine stromlimitierte Spannung ein, gebildet aus der Spannung VH_lim und dem Teiler-Verhältnis [Rb2*Rb2_1/Rb2+Rb2_1]/ {[Rb2*Rb2_1/Rb2+Rb2_1]+Rg1+rg2} der Widerstände Rg1, Rg2, Rb2, Rb2_1. Dies lässt sich zu Testzwecken über eine Spannungsmessung der Spannung VH, beispielsweise in einem angeschlossenen System-ASIC/ FLIC prüfen. Wird die Vorrichtung 102 angesteuert, beispielsweise im Kollisionsfall, stellt sich am Aktivierungsanschluss 112 die Aktivierungsspannung VH < VH_lim-VGth(IVH) ein. Auch dies lässt sich zu Testzwecken durch Messung der Spannung VH prüfen.
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Die Ausgangskapazitäten Cout, Cout_1 an dem Aktivierungsanschluss 112 dienen zum einen der Energie limitierten Hochstromprüfung, beispielsweise von nachgeschalteten FLIC High-Side-Endstufen, als auch der Unterdrückung von in die Spannung VH eingekoppelten Transienten. Die Diode Dout dient dem Freilauf induktiver Stromspitzen, wie beispielsweise Layout-Induktivitäten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Diode Dout als Schottky Diode ausgeführt.
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Die Vorrichtung 102 zeichnet sich durch sehr geringe Leckströme im Schlaf-Zustand aus. Zudem wird gemäß einem Ausführungsbeispiel auf die Verwendung spezifischer diversitärer und redundanter Komponenten, beispielsweise der Widerständen geachtet, um die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit der Vorrichtung 102 zu erhöhen.
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Die Vorrichtung 102 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel so ausgeführt, dass die Vorrichtung 102 für Sleep-Airbag-Steuergeräte geeignet ist, d.h. auch bei permanenter Versorgung an den Klemmen 220, 224 des Versorgungsanschlusses 110 bis 16.5V kein Strom (<2µA @ 40°C) aufgenommen wird, sofern nicht der Kollisionsfall eintritt.
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Bei der Vorrichtung 102 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der Durchgangsschalter (T_p) ausgebildet, um eine definiert hochohmige Verbindung zwischen den Elementen (110; 230; T_kop, Dl, Rg2, Rg1 und T_D1 und VH) zu Testzwecken bereitzustellen.
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Die Vorrichtung 102 umfasst gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Ausgangsschutzdiode (Kathode) am Ausgang VH, Anode am Masseanschluss 115 zum Freilauf induktiver Transienten verursacht durch Schaltvorgänge in der Sicherheitseinrichtung 104 bzw. durch induktive Puls-Injektion in Zündkreisen von der Sicherheitseinrichtung 104 im Crashfalle.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 102 mittels Überwachung der VH Spannung in Ihrer Funktion gesperrt d.h. VH level high impedant (P_SVR=0 oder high Z) kann folgendermaßen geprüft werden:
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VH_HZ ≈ VH_lim* (Rb2_1 II Rb2)/(Rb2_1 II Rb2+Rg1+Rg2)+0.1V - IVH_HZ*(Rb2_1 II Rb2)*(Rg1+Rg2) / (Rb2_1 II Rb2+Rg1+Rg2), z.B. VH_lim*8.57k/9.78k+0.1-IVH_HZ*1.06k IVH_HZ Versorgungsstrom der Sicherheitseinrichtung im Normalfall (keine Kollision) bzw. IVH_HZ_TEST (keine Kollision aber Teststromaufnahme an VH der Sicherheitseinrichtung 104.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 102 mittels Überwachung der VH Spannung in Ihrer Funktion leitend d.h. VH level low impedant (P_SVR=0 oder high Z) geprüft werden kann: VH_LZ ≈ VH_lim-VGSth_T_P - 0* IVH_LZ_TEST ohne messbare Abhängigkeit einer Teststromaufnahme an VH.
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In der Regel werden die Spannungen 222, 226 aus einer Fahrzeugbatterie gebildet, die durch einen Generator gepuffert wird. Die Klemme 15 / 15 R wird dabei über einen Schalter angelegt. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel ist ein entsprechender Schalter in einer das Element 226 mit dem Anschluss 224 verbindenden Leitung angeordnet, beispielsweise zwischen dem Element 226 und der in 3 gezeigten Diode.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
