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Die Erfindung betrifft eine Sensor-Schutzschaltung,
insbesondere für
ein KFZ-Bordnetz, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden üblicherweise
zahlreiche Sensoren eingesetzt, um den Zustand des Kraftfahrzeugs
oder der Umgebung zu erfassen. Die Stromversorgung der Sensoren
kann hierbei durch separate Versorgungsleitungen erfolgen, die von
dem KFZ-Bordnetz getrennt sind. Dies bietet den Vorteil, dass die
Sensorabfrage durch die in der Regel wesentlich höheren Lastströme des KFZ-Bordnetzes
nicht gestört
wird.
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In KFZ-Bordnetzen ist bisher eine
Netzspannung von 12 V üblich,
während
die Stromversorgung der Sensoren mit einer geringeren Spannung von beispielsweise
5 V erfolgt. Falls nun ein Kurzschluss zwischen einer Versorgungsleitung
eines Sensors und der spannungsführenden
Leitung des KFZ-Bordnetzes auftritt, so werden die Sensoren mit
der höheren
Bordnetzspannung von 12 V beaufschlagt, was zu einer Beschädigung der
Sensoren führen
könnte. Es
ist deshalb bekannt, die Sensoren mit einer passiven Schutzschaltung
zu versehen, die auch bei einem Kurzschluss zwischen einer Versorgungsleitung für die Sensoren
und dem KFZ-Bordnetz eine Beschädigung
der Sensoren verhindert, so dass die Sensoren bis zu der KFZ-Bordnetzspannung
von 12 V kurzschlussfest sind. Eine derartige Schutzbeschaltung
der Sensoren kann beispielsweise aus Zener-Dioden oder Kondensatoren bestehen.
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Aufgrund des zunehmenden Leistungsbedarfs
elektrischer KFZ-Komponenten
werden jedoch KFZ-Bordnetze mit einer Bordnetzspannung von 42 V
entwickelt. Die Kurzschlussfestigkeit der bekannten Sensoren reicht
jedoch in der Regel nicht aus, um einen Kurzschluss gegenüber einer
Spannung von 42 V auszuhalten, so dass die bekannten Sensoren beim
Einsatz in einem modernen KFZ-Bordnetz mit einer Spannung von 42
V im Falle eines Kurzschlusses beschädigt würden.
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Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht
in der Neuentwicklung von Sensoren mit einer entsprechend größeren Kurzschlussfestigkeit,
was jedoch mit erheblichen Entwicklungskosten verbunden wäre.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, einen Einsatz bekannter Sensoren mit einer Kurzschlussfestigkeit
bis zu einer Spannung von 12 V in einem modernen KFZ-Bordnetz mit
einer Spannung von 42 V zu ermöglichen,
ohne dass die Gefahr einer Beschädigung
der Sensoren im Falle eines Kurzschlusses besteht.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung umfasst die allgemeine
technische Lehre, eine Sensor-Schutzschaltung einzusetzen, die bei
einem Kurzschluss einer Versorgungsleitung für einen Sensor den Stromanstieg
auf der Versorgungsleitung erfasst und dadurch die Einleitung geeigneter
Gegenmaßnahmen
ermöglicht.
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Dies ermöglicht vorteilhaft den Einsatz
herkömmlicher
Sensoren mit einer Kurzschlussfestigkeit von 12 V in künftigen
KFZ-Bordnetzen mit einer Netzspannung von 42 V, ohne dass eine aufwendige
Neuentwicklung der Sensoren erforderlich ist.
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Im einfachsten Fall kann die Gegenmaßnahme für den Fall
eines Kurzschlusses darin bestehen, dass die Versorgungsleitung
für die
Sensoren durch ein Schaltelement getrennt wird, wodurch ein weiterer
Stromanstieg verhindert wird. Die Trennung der Versorgungsleitung
für die
Sensoren kann wahlweise einpolig für die Masseleitung oder die
Spannungsleitung oder zweipolig für die Masseleitung und die Spannungsleitung
erfolgen, wobei vorzugsweise ein Schaltelement eingesetzt wird,
das in Reihe mit einer Versorgungsleitung geschaltet ist.
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In dieser Variante der Erfindung
kann das Schaltelement zur Trennung der Versorgungsleitung für die Sensoren
auch unabhängig
von dem Strom auf der Versorgungsleitung von extern angesteuert werden,
wozu die Sensor-Schutzschaltung vorzugsweise einen separaten Steuereingang
aufweist. Diese separate Abschaltung kann beispielsweise software-gesteuert
erfolgen, wenn ein Kurzschluss für eine
vorgegebene Zeitdauer anhält.
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Vorzugsweise erfolgt als Gegenmaßnahme im
Falle eines Kurzschlusses einer Versorgungsleitung für einen
Sensor jedoch keine vollständige
Trennung der Versorgungsleitung, sondern eine Strombegrenzung auf
der Versorgungsleitung für
den Sensor, um eine Beschädigung
des Sensors zu vermeiden.
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Die Strommessung auf der Versorgungsleitung
für die
Sensoren erfolgt vorzugsweise auf der Masseleitung, jedoch ist es
grundsätzlich
auch möglich,
dass der Strom auf der Spannungsleitung der Sensoren gemessen wird.
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Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung
vorzugsweise auch eine passive Schutzbeschaltung auf, um eine Beschädigung der
Sensoren im Falle eine Kurzschlusses zu verhindern.
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Eine derartige Schutzbeschaltung
kann beispielsweise aus Kondensatoren oder Zener-Dioden bestehen,
wobei diese Bauelemente zwischen die beiden Versorgungsleitungen
für die
Sensoren geschaltet sein können.
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Es ist jedoch auch möglich, dass
die Bauelemente der passiven Schutzbeschaltung die Masseleitung
und/oder die Spannungsleitung der Sensoren jeweils mit Masse verbinden.
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Beim Einsatz von Zener-Dioden als
passive Schutzbeschaltung ist es vorteilhaft, wenn die Zener-Dioden
in der erfindungsgemäßen Sensor-Schutzschaltung
ein geringere Durchbruchspannung aufweisen als die Zener-Dioden,
die in den Sensoren üblicherweise
als Schutzbeschaltung vorgesehen sind. Dies ist vorteilhaft, da
der Kurzschlussstrom dann nach einer kurzen Einschwingphase ausschließlich über die
Zener-Dioden in der Sensor-Schutzschaltung und nicht mehr über die
Zener-Dioden in den Sensoren fließt, so dass die Zener-Dioden
in den Sensoren den Kurzschlussstrom nur für eine sehr kurze Zeitspanne
tragen müssen.
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Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff
eines Sensors ist allgemein zu verstehen und umfasst alle Bauelemente,
die elektrisch versorgt werden und eine Messgröße liefern. Lediglich beispielhaft
sind hier Lambda-Sensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, Neigungssensoren
und Beschleunigungssensoren zu nennen.
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Auch ist die Erfindung nicht auf
den Einsatz in künftigen
KFZ-Bordnetzen mit einer Netzspannung von 42V beschränkt. Es
ist vielmehr auch möglich, dass
aufgrund einer entsprechenden Normung Bordnetze mit anderen Netzspannungen
entwickelt werden, in den die erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung ebenfalls
eingesetzt werden kann.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüche enthalten oder werden nachstehend
zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung
mit einem Sensor in Form eines Schaltbildes sowie
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2 eine
Strombegrenzerschaltung der Sensor-Schutzschaltung aus 1.
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Das in 1 dargestellte
Schaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung 1, die
in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Netzspannung von 42 V eingesetzt
wird, um eine herkömmliche
Sensoreinheit 2 mit einer Kurzschlussfestigkeit von 12
V betreiben zu können,
ohne dass die Sensoreinheit 2 im Falle eines Kurzschlusses
beschädigt
oder gar zerstört
wird.
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Zur Vereinfachung ist in 1 lediglich die Sensoreinheit 2 dargestellt,
jedoch können
an der Sensor-Schutzschaltung 1 auch mehrere Sensoreinheiten
betrieben werden, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet
ist.
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Die Sensor-Schutzschaltung 1 weist
zur Stromversorgung der Sensoreinheit 2 eine Masseleitung 3 und
eine Spannungsleitung 4 auf, wobei die Spannungsleitung 4 eingangsseitig
mit einem Spannungsregler 5 verbunden ist, der die Spannung
auf der Spannungsleitung 4 auf die Betriebsspannung der
Sensoreinheit 2 regelt, die in diesem Ausführungsbeispiel
5 V beträgt.
Die Masseleitung 3 ist dagegen eingangsseitig mit Masse
verbunden, wobei am Eingang der Sensor-Schutzschaltung 1 zwischen der
Spannungsleitung 4 und der Masseleitung 3 ein Pufferkondensator
C1 angeordnet ist.
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Die Sensoreinheit 2 besteht
aus dem eigentlichen Sensor 6, der eine physikalische Zustandsgröße, wie
beispielsweise Temperatur, Druck oder die Luftzahl λ, misst und über eine
Signalleitung 7 ein entsprechendes Messsignal ausgibt.
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Darüber hinaus weist die Sensoreinheit 2 eine
passive Schutzbeschaltung auf, um im Falle eines Kurzschlusses eine
Beschädigung
des Sensors 6 zu verhindern, wobei die passive Schutzbeschaltung
der Sensoreinheit 2 auf die bisher übliche Bordnetzspannung von
12 V ausgelegt ist.
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Die passive Schutzbeschaltung der
Sensoreinheit 2 besteht zum einen aus einer Zener-Diode D1
mit einer Durchbruchspannung von UZ1 = 16
V, wobei die Zener-Diode D1 im Falle von Überspannungen eine ausgangsseitige Überlastung
des Sensors 6 verhindert. Die Zener-Diode D1 ist deshalb zwischen
die Signalleitung 7 und die Masseleitung 3 geschaltet.
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Darüber hinaus weist die passive
Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 eine weitere Zener-Diode
D2 mit einer Durchbruchspannung von UZ2 =
16 V auf, die im Falle von Überspannungen
eine eingangsseitige Überlastung
des Sensors 6 verhindert. Die Zener-Diode D2 ist deshalb
zwischen die Spannungsleitung 4 und die Masseleitung 3 geschaltet.
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Die passive Schutzbeschaltung der
Sensoreinheit 2 bietet lediglich eine Kurzschlussfestigkeit gegenüber der
bisher üblichen
Bordnetzspannung von 12 V, wohingegen die passive Schutzbeschaltung
der Sensoreinheit 2 bei einem Einsatz in einem modernen
KFZ-Bordnetz mit einer Spannung von 42 V alleine überfordert
ist.
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Die Sensor-Schutzschaltung 1 weist
deshalb einen Strombegrenzer 8 auf, der in der Masseleitung 3 für die Sensoreinheit 2 angeordnet
ist und den Strom über
die Masseleitung 3 misst, wobei der Strombegrenzer 8 in 2 detailliert dargestellt
ist und im folgenden beschrieben wird.
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Zur Strommessung weist der Strombegrenzer 8 einen
Messwiderstand R1 auf, der in der Masseleitung 3 angeordnet
ist, so dass der Spannungsabfall über dem Messwiderstand R1 den
Strom wiedergibt, der durch die Masseleitung 3 fließt.
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Darüber hinaus ist in der Masseleitung 3 ein MOSFET-Transistor T1 angeordnet,
der in Abhängigkeit
von seiner Ansteuerung sowohl eine Strombegrenzung als auch eine
vollständige
Trennung der Masseleitung 3 im Kurzschlussfall ermöglicht.
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Der Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors
ist über
einen Widerstand R2 mit der Versorgungsspannung UV =
+5V verbunden; so dass der MOSFET-Transistor T1 im Normalbetrieb
durchschaltet.
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Darüber hinaus ist der Gate-Anschluss
des MOSFET-Transistors T1 mit dem Ausgang einer Komparatorschaltung
verbunden, die aus zwei Widerständen
R3, R4 und zwei Transistoren T2 und T3 besteht. Die Komparatorschaltung
ist eingangsseitig mit dem Messwiderstand R1 verbunden und erfasst somit
den über
die Masseleitung 3 fließenden elektrischen Strom.
Die Komparatorschaltung steuert den Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors
T1 in Abhängigkeit
von dem über
die Masseleitung 3 fließenden elektrischen Strom so
an, dass der Strom begrenzt wird, um eine Beschädigung des Sensors 6 im Falle
eines Kurzschlusses zu verhindern.
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Ferner weist der Strombegrenzer 8 noch
einen Transistor T4 auf, der den Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors
T1 mit Masse verbindet, so dass der MOSFET-Transistor T1 die Masseleitung 3 trennt,
wenn der Transistor T4 durchschaltet, da das Potential des Gate-Anschlusses
des MOSFET-Transistors T1 dann auf Masse gezogen wird. Die Ansteuerung
des Transistors T4 erfolgt über
einen separaten Steuereingang 9 und zwei zwischengeschaltete Widerstände R5,
R6 durch eine Softwaresteuerung, die den MOSFET-Transistors T1 trennt,
wenn der Kurzschlussfall für
eine vorgegebene Zeitdauer anhält.
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Darüber hinaus weist die Sensor-Schutzschaltung 1 zum
Schutz des Sensors 6 auch eine passive Schutzbeschaltung
auf, die aus zwei Zener-Dioden D3, D4 und drei Kondensatoren C2,
C3 und C4 besteht.
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Die Zener-Diode D3 ist hierbei zwischen
die Signalleitung 7 und die Masseleitung 3 geschaltet und
verhindert bei einem Kurzschluss zwischen der Bordnetzspannung von
42 V und der Signalleitung 7 eine ausgangsseitige Überlastung
des Sensors 6. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode D3
beträgt hierbei
UZ3 = 8 V und ist somit geringer als die Zenerspannung
UZ1 = 16 V der Zener-Diode D1. Dies ist
vorteilhaft; da ein möglicher
Kurzschlussstrom dann nur während
einer kurzen Einschwingzeit über die
Zener-Diode D1 fließt
und anschließend
von der Zener-Diode D3 übernommen
wird. Auf diese Weise muss die Zener-Diode D1 einen möglichen
Kurzschlussstrom nur für
eine relativ kurze Zeitspanne tragen, wodurch eine Überlastung
der passiven Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 verhindert wird.
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Die Zener-Diode D4 ist dagegen zwischen die
Spannungsleitung 4 und die Masseleitung 3 geschaltet
und verhindert bei einem Kurzschluss zwischen der Bordnetzspannung
von 42 V und der Spannungsleitung 4 eine eingangsseitige Überlastung
des Sensors 6. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode D4
beträgt
hierbei ebenfalls UZ4 = 8 V und ist somit
geringer als die Zenerspannung UZ2 = 16 V
der Zener-Diode D2. Dies ist vorteilhaft, da ein möglicher
Kurzschlussstrom dann nur während
einer kurzen Einschwingzeit über
die Zener-Diode D2 fließt und
anschließend
von der Zener-Diode D4 übernommen
wird. Auf diese Weise muss die Zener-Diode D2 einen möglichen
Kurzschlussstrom nur für
eine relativ kurze Zeitspanne tragen, wodurch eine Überlastung
der passiven Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 verhindert
wird.
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Der Kondensator C2 ist zwischen die
Signalleitung 7 und Masse geschaltet und puffert somit EMV-Spannungsspitzen
auf der Signalleitung 7, was ebenfalls einer ausgangsseitigen Überlastung
des Sensors 6 entgegenwirkt.
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Der Kondensator C3 verbindet dagegen
die Spannungsleitung 4 mit der Masseleitung 3 und
puffert somit Spannungsschwankungen am Eingang der Sensoreinheit 2 und übernimmt
den Strom.
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Schließlich verbindet der Kondensator
C4 die Masseleitung 3 mit Masse, wodurch EMV-Schwankungen
des Massepotentials auf der Masseleitung 3 unterdrückt werden.
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Die passive Schutzbeschaltung der
Sensor-Schutzschaltung 1 übernimmt also im Falle eines Kurzschlusses
nach einer kurzen Einschwingzeit den Kurzschlussstrom von der passiven
Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2, wodurch eine Überlastung der
passiven Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 verhindert.
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Der Strombegrenzer 8 begrenzt
dann den Kurzschlussstrom auf der Masseleitung 8, um eine Überlastung
der passiven Schutzbeschaltung der Sensor-Schutzschaltung 1 zu
verhindern. Bei einem andauernden Kurzschluss wird dann der Steuereingang 9 des
Strombegrenzers 8 angesteuert, woraufhin der MOSFET-Transistor T1 die
Masseleitung 3 vollständig
trennt.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene
bevorzugte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in
den Schutzbereich fallen.