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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts. Die Schaltungsanordnung weist einen elektrischen Eingang zur Erfassung einer Eingangsgleichspannung und einen elektrischen Ausgang zur Ausgabe eines digitalen Schaltsignals auf, wenn die Eingangsgleichspannung einen vorgebbaren Schwellenspannungswert übersteigt oder unterschreitet. Hierzu weist ein mit dem Eingang verbundener erster Schaltungszweig ein spannungsabhängiges Schaltelement zur Festlegung des Schwellenspannungswerts zur Erzeugung des über den mit dem ersten Schaltungszweig gekoppelten elektrischen Ausgang auszugebenden digitalen Schaltsignals mittels eines ersten Stroms auf.
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Derartige Schaltungsanordnungen dienen beispielsweise der Erfassung von digitalen Schaltzuständen für elektronische Steuergeräte. Sie wandeln eine anliegende Eingangsgleichspannung in einen digitalen Ausgabewert, insbesondere in einen binären Ausgabewert, um. Typischerweise wird der binäre Ausgabewert durch eine logische „1“ (hierin auch als aktiver Zustand bezeichnet) oder eine logische „0“ (hierin auch als inaktiver Zustand bezeichnet) repräsentiert. Die maximalen Eingangsgleichspannungen liegen je nach Anwendungsfall zum Beispiel bei 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, 72 V oder 110 V. Die maximale Eingangsgleichspannung kann in besonderen Anwendungsfällen auch noch größer sein, zum Beispiel bis 400 V.
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Zur Realisierung einer Leitungsbrucherkennung kann dem Digitaleingang beispielsweise in seinem inaktiven Zustand oder auch dauerhaft ein vergleichsweise niedriger Test- bzw. Prüfstrom zugeführt werden. Dieser kann dem Digitaleingang beispielsweise über einen hochohmigen Widerstand, zum Beispiel etwa 500 kΩ, zugeführt werden, wobei ein hierdurch bewirkter geringer Stromfluss eine intakte Leitungsverbindung zur Schaltungsanordnung des Digitaleingangs anzeigt. Dieser Stromfluss wird bei einem Leitungsbruch erkennbar unterbrochen. Problematisch ist bei der Zuführung des Prüfstroms zum digitalen Eingang jedoch, dass der Prüfstrom unter Umständen zu einer nicht gewünschten Aktivierung des digitalen Eingangs führen kann.
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Der vorbeschriebene Nachteil kann darüber hinaus auch auftreten, wenn dem Digitaleingang ein durch eine äußere Beschaltungsanordnung des Digitaleingangs verursachter Leckstrom zugeführt wird, der im jeweiligen Anwendungsfall zum Beispiel nicht unterbunden werden kann.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts bereitzustellen, die eine ungewollte Aktivierung des Digitaleingangs sicher vermeidet, wenn diesem beispielsweise ein Test- bzw. Prüfstrom zur Leitungsbrucherkennung und/oder ein Leckstrom einer weiteren, den Digitaleingang umgebenden elektronischen Beschaltungsanordnung zugeführt wird. Des Weiteren soll die Schaltungsanordnung des Digitaleingangs eine geringe elektrische Verlustleistung aufweisen und insbesondere auch für einen weiten Eingangsspannungsbereich geeignet sein.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß weist eine Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts, zum Beispiel eines elektronischen Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs, einen elektrischen Eingang zur Erfassung einer Eingangsgleichspannung und einen elektrischen Ausgang zur Ausgabe eines digitalen Schaltsignals auf, wenn die Eingangsgleichspannung einen vorgebbaren Schwellenspannungswert übersteigt oder unterschreitet. Das digitale Schaltsignal ist hierbei insbesondere als binärer Ausgabewert zu interpretieren, der zum Beispiel durch eine logische „1“ (hierin auch als aktiver Zustand bezeichnet) oder eine logische „0“ (hierin auch als inaktiver Zustand bezeichnet) festgelegt ist.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist ferner einen mit dem Eingang verbundenen ersten Schaltungszweig auf, in dem ein spannungsabhängiges Schaltelement zur Festlegung des Schwellenspannungswerts angeordnet ist. Das Schaltelement ist eingerichtet und ausgelegt, einen Stromfluss eines ersten Stroms im ersten Schaltungszweig bei Überschreiten des Schwellenspannungswerts zuzulassen und ansonsten zu unterbinden oder umgekehrt. Das digitale Schaltsignal lässt sich dann mittels des ersten Stroms im ersten Schaltungszweig erzeugen und über den mit dem ersten Schaltungszweig gekoppelten Ausgang ausgeben. Der Schwellenspannungswert des Schaltelements kann in geeigneter Weise in Abhängigkeit von der der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung je nach Anwendungsfall zuzuführenden Eingangsgleichspannung festgelegt werden.
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Besonders bevorzugt liegen die der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung des Digitaleingangs zuführbaren maximalen Eingangsgleichspannungen je nach Anwendungsfall zum Beispiel bei 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, 72 V oder 110 V. Die maximale Eingangsgleichspannung kann in besonderen Anwendungsfällen auch noch größer sein, zum Beispiel bis 400 V.
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Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung einen ebenfalls mit dem Eingang verbundenen, zum ersten Schaltungszweig parallel geschalteten zweiten Schaltungszweig auf, in dem eine Stromsenke zum Einstellen eines in dem zweiten Schaltungszweig fließenden, konstanten zweiten Stroms angeordnet ist.
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Eine derartige Stromsenke zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann beispielsweise durch an sich bekannte Stromsenkenschaltungen mittels Bipolartransistoren, MOSFETs und dergleichen realisiert sein.
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Die mit dem Eingang der Schaltungsanordnung verbundene Stromsenke im zweiten Schaltungszweig ist hierbei derart eingerichtet und ausgebildet, dass sie einen niederohmigen Pfad für Leckströme und/oder einen Teststrom einer Leitungsbruchüberwachung darstellt, der parallel zum ersten Schaltungszweig geschaltet ist, in dem das auszugebende digitale Schaltsignal abhängig von der am Eingang der Schaltungsanordnung anliegenden Eingangsgleichspannung erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß ist die Stromsenke im zweiten Schaltungszweig weiterhin eingerichtet und ausgebildet, im zweiten Schaltungszweig im Wesentlichen stets einen konstanten zweiten Strom einzustellen, das heißt unabhängig von der am Eingang anliegenden Eingangsgleichspannung. Folglich ist der Innenwiderstand der Stromsenke nicht konstant, sondern hängt von der Höhe der Eingangsgleichspannung am Eingang der Schaltungsanordnung ab, wobei ihr Innenwiderstand mit steigender Größe der Eingangsgleichspannung ebenfalls zunimmt. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die im zweiten Schaltungszweig erzeugte elektrische Verlustleistung nicht quadratisch zur Eingangsgleichspannung zunimmt, wie es bei einem konstanten ohmschen Widerstand anstelle der Stromsenke im zweiten Schaltungszweig der Fall wäre, denn die in einem konstanten ohmschen Widerstand R umgesetzte elektrische Leistung P bei an diesem anliegender elektrischer Spannung U beträgt in bekannter Weise P = U2/R.
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Da die Stromsenke im zweiten Schaltungszweig jedoch einen konstanten zweiten Strom I2const unabhängig von der an ihr anliegenden elektrischen Spannung U einstellt, verhält sich die in ihr umgesetzte elektrische Leistung P lediglich entsprechend P = U*I2const und ist entsprechend gegenüber der Verwendung eines konstanten ohmschen Widerstands im zweiten Schaltungszweig deutlich kleiner. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich somit in besonderer Weise für einen weiten Eingangsspannungsbereich, wie er vorstehend bereits beispielhaft angegeben wurde.
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Außerdem nimmt der Innenwiderstand der Stromsenke im zweiten Schaltungszweig für kleine Ströme (Leck- und/oder Testströme) seinen kleinsten Wert an, wodurch derartige Ströme besonders niederohmig gegen Masse abgeleitet werden und somit sicher nicht zu einer Aktivierung des digitalen Eingangs führen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Ausgang mit dem ersten Schaltungszweig über einen Optokoppler mit einer eingangsseitigen Leuchtdiode und einem ausgangsseitigen photosensitiven Schaltelement zur galvanischen Trennung gekoppelt ist, wobei die Leuchtdiode in dem ersten Schaltungszweig in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltelement geschaltet ist und das photosensitive Schaltelement das am Ausgang auszugebende digitale Schaltsignal in Abhängigkeit von einer Aktivierung der Leuchtiode durch den durch den ersten Schaltungszweig fließenden ersten Strom bereitstellt. Anstelle eines Optokopplers zur galvanischen Trennung kann auch ein Solid-State-Relais bzw. Halbleiterrelais in ähnlicher Weise verwendet werden.
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Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Ausgang mit dem ersten Schaltungszweig über einen in dem ersten Schaltungszweig in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltelement geschalteten ohmschen Widerstand gekoppelt ist, wobei der am Widerstand durch den durch diesen fließenden ersten Strom hervorgerufene Spannungsabfall das am Ausgang auszugebende digitale Schaltsignal bereitstellt.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Stromsenke im zweiten Schaltungszweig derart eingerichtet und ausgebildet, dass sich ihr Innenwiderstand proportional zur Eingangsspannung einstellt. Somit verhält sich die in ihr umgesetzte elektrische Verlustleistung im Wesentlichen lediglich linear zur am Eingang der Schaltungsanordnung anliegenden Eingangsgleichspannung.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in dem ersten Schaltungszweig eine zweite Stromsenke zum Einstellen einer konstanten Stromstärke des in dem ersten Schaltungszweig fließenden ersten Stroms in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltelement geschaltet ist. Die zweite Stromsenke kann im Wesentlichen ähnlich der im zweiten Schaltungszweig vorgesehenen Stromsenke ausgebildet sein, jedenfalls in Bezug auf ihre Fähigkeit, ihren Innenwiderstand abhängig von einer an ihr anliegenden elektrischen Spannung derart zu verändern, bevorzugt proportional zur anliegenden Spannung zu verändern, dass der durch die zweite Stromsenke im ersten Schaltungszweig fließende erste Strom auf einem vorgebbaren Stromwert konstant gehalten wird. Auf diese Weise lässt sich bei Vorsehen des Optokopplers im ersten Schaltungszweig die Leuchtdiode vor einer elektrischen Überlastung schützen, ebenso der konstante ohmsche Widerstand im Falle seines Vorsehens im ersten Schaltungszweig zur Erzeugung des digitalen Ausgangsschaltsignals.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das spannungsabhängige Schaltelement im ersten Schaltungszweig eine Z-Diode (oder auch Zener-Diode). Eine derartige Diode wird beispielsweise dauerhaft in Sperrrichtung im Bereich ihrer Durchbruchspannung betrieben, wobei sie bei Überschreiten ihrer Durchbruchspannung infolge einer dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zugeführten, entsprechend großen Eingangsgleichspannung elektrisch leitend wird. Hierdurch lässt sich das digitale Schaltsignal im ersten Schaltungszweig mittels des durch die elektrische Sperr- und Leitfähigkeit des spannungsabhängigen Schaltelements unterbrochenen bzw. zugelassenen ersten Stroms erzeugen und über den mit dem ersten Schaltungszweig gekoppelten Ausgang ausgeben.
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Eine noch weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in Reihe zum ersten und zweiten Schaltungszweig eine Flussdiode (auch herkömmliche Diode) geschaltet ist, die einen Stromfluss lediglich in einer Stromrichtung zulässt. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise ein Verpolschutz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung realisieren. Die Flussiode kann beispielsweise direkt zwischen dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und dem ersten und zweiten Schaltungszweig angeordnet sein.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Reihe zum ersten und zweiten Schaltungszweig ein zweites spannungsabhängiges Schaltelement zur Festlegung eines zweiten Schwellenspannungswerts geschaltet. Hierdurch kann ein Stromfluss sowohl im ersten als auch im zweiten Schaltungszweig unterhalb des zweiten Schwellenspannungswerts unterbunden und oberhalb dieses zugelassen werden. Das zweite spannungsabhängige Schaltelement kann beispielsweise direkt zwischen dem Eingang der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und dem ersten und zweiten Schaltungszweig angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das zweite spannungsabhängige Schaltelement eine Z-Diode (oder auch Zener-Diode). Die Funktionsweise dieses zweiten Schaltelements entspricht im Wesentlichen der Funktionsweise der weiter oben bereits beschriebenen Z- bzw. Zener-Diode des spannungsabhängigen Schaltelements im ersten Schaltungszweig, wobei sich jedoch der zweite Schwellenspannungswert von dem Schwellenspannungswert des spannungsabhängigen Schaltelements im ersten Schaltungszweig bevorzugt unterscheidet, insbesondere kleiner ist als der Schwellenspannungswert des spannungsabhängigen Schaltelements im ersten Schaltungszweig.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung und
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 1 für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts (nicht dargestellt), zum Beispiel eines elektronischen Steuergeräts eines Kraftfahrzeugs, gemäß der Erfindung dar. Die Schaltungsanordnung 1 weist einen elektrischen Eingang 2 zur Erfassung einer Eingangsgleichspannung Uin auf und einen elektrischen Ausgang 3 zur Ausgabe eines digitalen Schaltsignals Uout, wenn die Eingangsgleichspannung Uin einen vorgebbaren Schwellenspannungswert übersteigt oder unterschreitet. Des Weiteren weist die Schaltungsanordnung 1 einen mit dem Eingang 2 verbundenen ersten Schaltungszweig 4 und einen zu diesem parallel geschalteten, ebenfalls mit dem Eingang 2 verbundenen zweiten Schaltungszweig 5 auf.
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Wie 1 zu entnehmen ist, ist in dem ersten Schaltungszweig 4 ein spannungsabhängiges Schaltelement V1 zur Festlegung des Schwellenspannungswerts zur Erzeugung des über den mit dem ersten Schaltungszweig 4 gekoppelten elektrischen Ausgang 3 auszugebenden digitalen Schaltsignals Uout mittels eines im ersten Schaltungszweig 4 fließenden ersten Stroms I1 vorgesehen. Das Schaltelement V1 ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 als Z-Diode (oder Zener-Diode) ausgebildet.
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In 1 ist weiter zu erkennen, dass im zweiten Schaltungszweig 5 eine Stromsenke R2 zum Einstellen eines in dem zweiten Schaltungszweig 5 fließenden, konstanten zweiten Stroms I2 vorgesehen ist. Diese Stromsenke R2 im zweiten Schaltungszweig 5 ist derart eingerichtet und ausgebildet, dass sich ihr Innenwiderstand proportional zur Eingangsspannung Uin einstellt, wie hierin bereits vorstehend erläutert wurde.
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Wie 1 außerdem zu entnehmen ist, ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 ferner im ersten Schaltungszweig 4 eine zweite Stromsenke R1 zum Einstellen einer konstanten Stromstärke des in dem ersten Schaltungszweig 4 fließenden ersten Stroms I1 in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltelement V1 geschaltet.
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Ferner ist in 1 zu erkennen, dass der Ausgang 3 der Schaltungsanordnung 1 mit dem ersten Schaltungszweig 4 über einen Optokoppler 6 mit einer eingangsseitigen Leuchtdiode D1 und einem ausgangsseitigen photosensitiven Schaltelement T1 zur galvanischen Trennung gekoppelt ist. Wie zu erkennen ist, ist die Leuchtdiode D1 in dem ersten Schaltungszweig 4 in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltelement V1 und der zweiten Stromsenke R1 geschaltet. Das photosensitive Schaltelement T1 stellt das am Ausgang 3 auszugebende digitale Schaltsignal Uout in Abhängigkeit von einer durch den im ersten Schaltungszweig 4 fließenden konstanten Strom I1 hervorgerufenen Aktivierung der Leuchtiode D1 bereit.
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In 1 ist ferner das optionale Vorsehen zweier weiterer elektronischer Bauteile, nämlich einer Flussdiode D2 und/oder einem zweiten spannungsabhängigen Schaltelement V2, zum Beispiel ebenfalls als Z- oder Zener-Diode ausgebildet, zu erkennen. Diese Bauteile D2 und V2 sind nicht zwingend erforderlich, was in 1 jeweils durch eine gestrichelte Umrandung angedeutet ist.
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Es ist in 1 zu erkennen, dass die Flussdiode D2 in Reihe zum ersten und zweiten Schaltungszweig 4 und 5 geschaltet sein kann, insbesondere direkt zwischen dem Eingang 2 und den beiden Schaltungszweigen 4 und 5 seriell eingefügt sein kann.
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Des Weiteren kann auch das zweite spannungsabhängige Schaltelement V2 in Reihe zum ersten und zweiten Schaltungszweig 4 und 5 geschaltet sein, um einen Stromfluss im ersten und zweiten Schaltungszweig 4 und 5 unterhalb des zweiten Schwellenspannungswerts zu unterbinden und oberhalb zuzulassen. Das zweite Schaltelement V2 kann seriell zur Flussdiode D2 ebenfalls zwischen dem Eingang 2 und den beiden Schaltungszweigen 4 und 5 vorgesehen sein. Es kann auch ohne die Flussdiode D2 bereitgestellt sein. Der zweite Schwellenspannungswert des Schaltelements V2 ist bevorzugt kleiner als der Schwellenspannungswert des Schaltelements V1 im ersten Schaltungszweig 4.
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2 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 7 für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts (nicht dargestellt) gemäß der Erfindung dar. Im Wesentlichen unterscheidet sich diese Schaltungsanordnung 7 von der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung 1 lediglich durch das Vorsehen eines konstanten ohmschen Widerstands R3 im ersten Schaltungszweig 4 anstelle des in 1 gezeigten Optokopplers 6. Der Widerstand R3 ist in Reihe zu dem spannungsabhängigen Schaltelement V1 und der zweiten Stromsenke R1 geschaltet. Der Widerstand R3 stellt die elektrische Kopplung des Ausgangs 3 mit dem ersten Schaltungszweig 4 dar, wobei der am Widerstand R3 durch den durch diesen fließenden konstanten ersten Strom I1 hervorgerufene Spannungsabfall Uout das am Ausgang 3 auszugebende digitale Schaltsignal Uout bereitstellt.
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Optional können bei der in 2 dargestellten Schaltungsanordnung 7 ebenfalls die Flussdiode D2 und/oder das zweite spannungsabhängige Schaltelement V2 an den hierin bereits beschriebenen Stellen in der Schaltungsanordnung 7 vorgesehen sein.
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Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts ist nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben.
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In bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen Digitaleingang eines elektronischen Geräts, zum Beispiel eines elektronischen Steuergeräts in einem Kraftfahrzeug wie beispielsweise PKW, LKW, einem Fahrzeug des öffentlichen Personennahverkehrs und dergleichen, verwendet, wobei der Schaltungsanordnung ein Prüfstrom zur Leitungsbrucherkennung und/oder ein Leckstrom einer äußeren, die Schaltungsanordnung umgebenden weiteren Beschaltungsanordnung wenigstens zeitweise, bevorzugt auch dauerhaft, zugeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Elektrischer Eingang
- 3
- Elektrischer Ausgangs
- 4
- Erster Schaltungszweig
- 5
- Zweiter Schaltungszweig
- 6
- Optokoppler
- 7
- Schaltungsanordnung
- D1
- Leuchtdiode
- D2
- Flussdiode
- GND
- Elektrisches Bezugspotential / Erde
- I
- Elektrischer Strom
- I1
- Erster elektrischer Strom
- I2
- Zweiter elektrischer Strom
- P
- Elektrische Leistung
- R
- Ohmscher Widerstand
- R1
- Zweite Stromsenke
- R2
- Erste Stromsenke
- T1
- Photosensitives Schaltelement
- U
- Elektrische Spannung
- Uin
- Eingangsgleichspannung
- Uout
- Digitales Ausgangsschaltsignal
- V1
- Spannungsabhängiges Schaltelement
- V2
- Spannungsabhängiges Schaltelement
