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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Sensors, insbesondere
eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines linearen Abgassensors
für eine
Brennkraftmaschine ("Lambdasonde").
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Für
die Erfindung von besonderem Interesse sind allgemein alle Arten
von Sensoren, bei welchen eine übermäßig große Spannung
zwischen Anschlüssen
des Sensors die Gefahr einer Beeinträchtigung der Sensorfunktion
und/oder die Gefahr einer irreversiblen Schädigung des Sensors mit sich
bringt. Dies ist beispielsweise der Fall für eine Vielzahl von Gassensoren,
bei welchen betriebsmäßig über die Sensoranschlüsse Spannungen
an ein Keramikmaterial angelegt werden bzw. Ströme durch dieses Keramikmaterial
fließen
gelassen werden. Derartige Sensoren können bei Anlegen von zu großen Spannungen
an das Keramikmaterial beeinträchtigt
bzw. geschädigt
werden. Bei bekannten Schaltungsanordnungen zum Betrieb solcher
Sensoren sind daher in der Regel Maßnahmen getroffen, um das Auftreten übermäßig großer Spannungen
an kritischen Stellen des Sensors zu vermeiden.
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Eine Schaltungsanordnung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist bekannt. Bei dieser
bekannten Schaltungsanordnung zum Betreiben eines linearen Abgassensors
für eine
Brennkraftmaschine ist ein Steuerschaltkreis vorgesehen, um den
Abgassensor über
eine Mehrzahl von Anschlussleitungen mit einem elektrischen Pumpstrom zu
versorgen und diesen Pumpstrom sowie eine Messzellenspannung als
elektrische Ausgangssignale des Abgassensors zu erfassen. Zum Schutz
des Abgas sensors gegen eine Zerstörung durch Anlegen einer übermäßig hohen
Spannung an eine mit dem Pumpstrom beaufschlagten Pumpzelle wie
auch an die Messzelle detektiert der Steuerschaltkreis mittels Komparatoren
elektrische Potenziale auf den Anschlussleitungen und steuert im
Fall einer übermäßig hohen
Spannung Schalttransistoren zur Unterbrechung der Anschlussleitungen
an. Solche unzulässig hohen
Spannungen können
beispielsweise im Fehlerfall eines Kurzschlusses mit einer in der
Umgebung befindlichen spannungsführenden
Leitung auftreten und könnten
ohne diese gesteuerte Unterbrechung der Anschlussleitungen die Pumpzelle
bzw. Messzelle der Abgassonde schädigen.
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Eine Schädigung des Sensors ist jedoch auch
bei Verwendung dieser bekannten Schaltungsanordnung nicht unter
allen Umständen
ausgeschlossen. Zum einen ist diese bekannte Schutzbeschaltung nur
im Betrieb wirksam, da nach einem Abschalten der Versorgungsspannung
keine Erfassung von abnormalen Potenzialen und gegebenenfalls Unterbrechung
von Anschlussleitungen erfolgt. Bei einem Kraftfahrzeug etwa, das
zum Betreiben eines Abgassensors die bekannte Schaltungsanordnung verwendet,
wird die erwähnte
Unterbrechungsfunktion nicht mehr bereitgestellt, nachdem z.B. der
Motor des Kraftfahrzeugs abgestellt wurde. Auch im Betrieb der Schaltungsanordnung
ist der Schutz nicht optimal, da die zur Unterbrechung der Anschlussleitungen
verwendeten Schalttransistoren auch im geöffneten Zustand einen endlichen
elektrischen Widerstand aufweisen, so dass je nach Art der anliegenden Überspannung
immer noch eine unzulässig
hohe Spannung am Sensor anliegen kann. Dieses Problem ist umso gravierender,
je größer der
Innenwiderstand des Sensors zwischen den betreffenden Sensoranschlüssen ist,
da ein im Bereich der Anschlussleitungen auftretendes abnormales
Potenzial bei einem großen
Sensor- Innenwiderstand
zu einem großen
Teil gerade an diesem Innenwiderstand abfällt. Bekanntlich besitzt ein
zum Aufbau einer linearen Abgassonde verwendetes Keramikmaterial
(z.B. Zirkonkeramik) einen stark temperaturabhängigen Widerstand. Im kalten
Zustand des Sensors, z.B. unmittelbar nach dem Starten der Brennkraftmaschine, sind
die durch Keramikmaterialien ausgebildeten Innenwiderstände des
Sensors extrem hoch, so dass auch geringe über die Schalttransistoren
fließende Leckströme besonders
hohe Spannungsabfälle
am Sensor hervorrufen können.
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung der eingangs
erwähnten
Art bereitzustellen, welche einen angeschlossenen Sensor zuverlässig gegen eine
Beeinträchtigung
oder Zerstörung
durch Anlegen einer hohen Spannung schützt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Schaltungsanordnung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Für
die Erfindung wesentlich ist es, dass zusätzlich zu einer Unterbrechung
der Leitungsverbindung zwischen dem Ansteuerschaltkreis und dem angeschlossenen
Sensor wenigstens ein Paar von Anschlussleitungen miteinander verbunden
werden, um eine Potenzialdifferenz zwischen den betreffenden Sensoranschlüssen abzubauen.
Selbstverständlich
sollte diese elektrische Verbindung möglichst niederohmig ausgeführt sein,
etwa als Kurzschlussverbindung, so dass sich an dem angeschlossenen
Sensor keine destruktiv hohe Potenzialdifferenz mehr ausbilden kann.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
somit darin, dass durch Anordnung von ansteuerbaren Verbindungsschaltelementen
Querströme
durch den Sensor vermieden werden können, die insbesondere bei
hochohmigen Sensorinnenwiderständen
zu besonders hohen und damit destruktiven Potenzialdifferenzen führen könnten.
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Im einfachsten Fall ist der Sensor über zwei Anschlussleitungen
mit dem Steuerschaltkreis verbunden, von welchen eine im Fall der
Erfassung eines abnormalen Potenzials auf irgendeiner der beiden
Leitungen durch ein Schaltelement (Unterbrechungsschaltelement)
unterbrochen wird, wobei in diesem Fall zusätzlich eine niederohmige Verbindung
zwischen den beiden Leitungen durch ein weiteres Schaltelement (Verbindungsschaltelement) hergestellt
wird.
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Komplizierter aufgebaute Sensoren
benötigen
zur Versorgung bzw. zur Erfassung eines oder mehrerer Sensorausgangssignale
mehr als zwei Anschlussleitungen, von denen gemäß der Erfindung wenigstens
eine mit einem ansteuerbaren Schaltelement (Unterbrechungsschaltelement)
versehen ist und wenigstens ein weiteres ansteuerbares Schaltelement
(Verbindungsschaltelement) zur Verbindung von zwei Leitungen vorgesehen
ist. Welche der mehreren Anschlussleitungen mit einem Unterbrechungsschaltelement
versehen werden sollten und welche dieser Anschlussleitungen paarweise
gegebenenfalls miteinander verbunden werden sollten, hängt von
der konkreten Bauweise des Sensors ab. Im Allgemeinen wird es zweckmäßig sein,
im Fall der Erfassung eines abnormalen Potenzials auf irgendeiner
der Anschlussleitungen wenigstens sämtliche derjenigen Anschlussleitungen
zu unterbrechen und miteinander zu verbinden, zwischen denen der
Sensor einen überspannungsempfindlichen
Bereich besitzt.
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Daher ist es in vielen Anwendungsfällen bevorzugt,
wenn mehrere der Anschlussleitungen jeweils über ein ansteuerbares Unterbrechungsschaltelement
führen,
welches zur Unterbrechung der jeweiligen Anschlussleitung geeignet
ist, und diese Schaltelemente im Fall der Erfassung eines abnormalen
Potenzials gleichzeitig zur Unterbrechung der jeweiligen Anschlussleitungen
angesteuert werden und/oder wenn zwischen mehreren Paaren der Anschlussleitungen
jeweils ein ansteuerbares Verbindungsschaltelement vorgesehen ist,
welches zum paarweisen Verbinden der entsprechenden Anschlussleitungen
geeignet ist, und diese Verbindungsschaltelemente im Fall der Erfassung
eines abnormalen Potenzials gleichzeitig zur Verbindung der entsprechenden
Anschlussleitungen angesteuert werden. Insbesondere können dann
sämtliche
Anschlussleitungen unterbrochen und miteinander verbunden werden.
Letztere Ausführung
besitzt auch den Vorteil, dass die Schutzfunktion der Leitungsverbindung
universell, d.h. unabhängig
vom konkret verwendeten Sensor, gewährleistet ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eines der Unterbrechungsschaltelemente und/oder Verbindungsschaltelemente,
insbesondere die Gesamtheit dieser Unterbrechungsschaltelemente
und Verbindungsschaltelemente, als elektronischer Schalter ausgeführt, insbesondere
als Kanal eines Transistors. Der Begriff "Kanal" bezeichnet hierbei eine Transistorstrecke,
deren Widerstand abhängig
von einem an einem Steuereingang des Transistors angelegten Ansteuerpotenzial veränderbar
ist, also etwa die Source-Drain-Strecke eines Feldeffekttransistors
(FET) oder die Emitter-Kollektor-Strecke
eines bipolaren Transistors.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
ist die Schaltungsanordnung derart ausgebildet, dass bei fehlender
Stromversorgung der Schaltungsanordnung die Unterbrechungsschaltelemente
eine Unterbrechung vorsehen und/oder die Verbindungsschaltelemente eine
Verbindung vorsehen. Beide Maßnahmen
vermindern die Gefahr einer überspannungsbedingten
Schädigung
des Sensors auch bei inaktiver (nicht-versorgter) Schaltungsanordnung.
Beispielsweise kann wenigstens eines der Verbindungsschaltelemente,
insbesondere jedes der Verbindungsschaltelemente, leistungslos zum
Verbinden der zwei Anschlussleitungen betreibbar ausgeführt sein.
Bei einer Implementierung dieser Schaltelemente durch Transistoren
können
beispielsweise selbstleitende FETs vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Verbindungsschaltelemente
zum Verbinden der zwei Anschlussleitungen mittels einer Ansteuerschaltung
angesteuert wird, welche zur Ansteuerung ein Ansteuerpotenzial bereitstellt
und an einen Steuereingang des Verbindungsschaltelements anlegt,
und wobei diese Ansteuerschaltung mit mehreren der Anschlussleitungen
verbunden ist, um bei Auftreten eines abnormalen Potenzials auf
einer dieser Anschlussleitungen durch das abnormale Potenzial versorgt
zu werden. Durch diese Maßnahme
ergibt sich ein überraschender
Vorteil. Einerseits kann damit die Wirksamkeit des Überspannungsschutzes
auch bei abgeschalteter Stromversorgung der Schaltungsanordnung
erzielt werden, wobei andererseits ohne weiteres zur Verbindung
der beiden Anschlussleitungen aktiv, also mit einer mehr oder weniger
großen Ansteuerleistung,
anzusteuernde Verbindungsschaltelemente eingesetzt werden können, da
die zur Ansteuerung dieser Schalter erforderliche Leistung aus dem
abnormalen Potenzial selbst erhalten wird. Damit können insbesondere
Schalter eingesetzt werden, die im durchgeschalteten Zustand besonders niederohmig
sind. Zweckmäßigerweise
ist bei dieser Ausführungsform
die Ansteuerschaltung mit sämtlichen
Anschlussleitungen verbunden, die im Überspannungsfall mit einer
anderen Anschlussleitung verbun den werden sollen. Auf diese Weise
ist sichergestellt, dass jede zwischen zu verbindenden Anschlussleitungen
auftretende Potenzialdifferenz, also insbesondere jede unter Umständen schädliche Überspannung
von der Ansteuerschaltung genutzt werden kann.
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Bei letzterer Ausführungsform
kann sich abhängig
von der konkreten Art der Verbindungsschaltelemente jedoch das Problem
ergeben, dass ein zur Ansteuerung eines Verbindungsschaltelements
erforderliches Ansteuerpotenzial durch die Ansteuerschaltung von
den Anschlussleitungen nicht einfach "abgreifbar" ist. Dieses Problem kann z.B. bei Verwendung
von selbstsperrenden FETs als Verbindungsschaltelemente auftreten.
Dies sei an einem Beispiel erläutert.
Wenn zwei Anschlussleitungen über
die Source-Drain-Strecke eines solchen FET beim Auftreten einer
Potenzialdifferenz zwischen diesen beiden Anschlussleitungen niederohmig
kurzgeschlossen werden, so werden die Potenziale an Source und Drain
sich einander angleichen, so dass in diesem Fall zum Aufrechterhalten
der Niederohmigkeit ein Ansteuerpotenzial am Gate des FET erforderlich
ist, welches außerhalb
des durch die beiden Potenziale auf den Anschlussleitungen definierten
Potenzialbereichs liegt.
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Im Rahmen der Erfindung lässt sich
dieses Problem lösen,
indem – z.B.
als Teil der Ansteuerschaltung – ein
an sich bekannter Spannungsvervielfacher vorgesehen wird, der zur
Bereitstellung eines außerhalb
des durch die abgegriffenen Leitungspotenziale definierten Bereichs
liegenden Ansteuerpotenzials dienen kann. Geeignete Spannungsvervielfacher,
manchmal auch als "Booster" oder "Charge Pump" bezeichnet, sind
hinreichend bekannt und bedürfen
daher hier keiner ausführlichen
Beschreibung. Ein für
einen Booster in einer integrierten Schaltung bekanntes Funktionsprinzip
besteht beispielsweise darin, während
einer ersten Phase eines von einem Taktgeber erzeugten Taktsignals
einen ersten Anschluss eines Transferkondensators an ein Versorgungspotenzial
zu legen, während
ein zweiter Anschluss desselben Kondensators mit Masse verbunden
wird, wobei während
einer zweiten Phase des Taktsignals der erste Anschluss mittels
eines elektronischen Schalters von dem Versorgungspotenzial abgetrennt
wird und der zweite Anschluss von Masse abgetrennt wird und an das
Versorgungspotenzial angeschlossen wird. Das dann an dem ersten
Anschluss des Transferkondensators herrschende Potenzial liegt dann über dem
Versorgungspotenzial und kann beispielsweise zum Aufladen eines
Ladungsspeicherkondensators herangezogen werden, um das Ausgangspotenzial
des Boosters kontinuierlich und sogar belastbar vorzusehen.
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Die Schaltungsanordnung kann mit
mehreren solchen Ansteuerschaltungen versehen sein, die jeweils
eines von mehreren Verbindungsschaltelementen mit dem zum Schalten
notwendigen Ansteuerpotenzial versorgen. Wenn mehrere Verbindungsschaltelemente
vorgesehen sind, so ist es jedoch bevorzugt, dass eine solche Ansteuerschaltung
mehrere Verbindungsschaltelemente gleichzeitig zur Verbindung der
betreffenden Anschlussleitungen ansteuert. Diese Idee der gemeinsamen
Ansteuerung von mehreren Verbindungsschaltelementen ist unabhängig von
der Anordnung einer "autonomen" Ansteuerschaltung
und kann z.B. auch bei Ansteuerung der Verbindungsschaltelemente
durch den Steuerschaltkreis realisiert werden. Beispielsweise können mehrere
Verbindungsschaltelemente jeweils als Kanal eines FET ausgebildet
sein, wobei Gate-Anschlüsse
mehrerer dieser FETs miteinander verbunden sind und über eine
weitere (Ansteuer-) Anschlussleitung mit dem Steuerschaltkreis verbunden sind.
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Vorteilhaft können einige oder sämtliche Komponenten
der Schaltungsanordnung in einfacher Weise und kostengünstig in
einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden, z.B. in einem
anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC). Insbesondere
können
der Steuerschaltkreis sowie die Unterbrechungsschaltelemente und
die Verbindungsschaltelemente in einer integrierten Schaltung vereinigt
sein.
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In einer Weiterbildung der Erfindung
ist die Schaltungsanordnung dazu ausgebildet, in dem Fall der Erfassung
eines abnormalen Potenzials eine Fehlerdiagnose durchzuführen, was
hilfreich im Hinblick auf die Beseitigung der Fehlerquelle ist.
Zur Erhöhung
der Zuverlässigkeit
einer solchen Fehlerdiagnose ist es günstig, wenn zwischen dem Auftreten des
abnormalen Potenzials und dem Aktivieren der Verbindungsschaltelemente
eine kurze Zeitspanne liegt, die dazu ausreicht, Informationen über den
Fehler einigermaßen
genau zu erfassen, beispielsweise durch den Steuerschaltkreis. Dies
kann durch Anordnung einer entsprechend ausgebildeten Verzögerungsschaltung
erreicht werden, sei es bei einer Ansteuerung der Verbindungsschaltelemente
durch den Steuerschaltkreis oder bei Ansteuerung dieser Verbindungsschaltelemente
durch eine davon unabhängige
Ansteuerschaltung. Die Fehlerinformation kann hierbei z.B. digital
während
der Verzögerungszeitspanne
erfasst werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
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1 ein
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zusammen mit einem damit
betriebenen Sensor gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels,
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2 ein
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zusammen mit einem damit
betriebenen Sensor gemäß eines
zweiten Ausführungsbeispiels,
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3 ein
Blockschaltbild eines Details einer Schaltungsanordnung gemäß eines
dritten Ausführungsbeispiels,
und
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4 ein
Blockschaltbild eines Details einer Schaltungsanordnung gemäß eines
vierten Ausführungsbeispiels.
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1 zeigt
eine insgesamt mit 10 bezeichnete Schaltungsanordnung zum Betreiben
eines überspannungsempfindlichen
Sensors 12, wobei die Schaltungsanordnung 10 in
diesem Beispiel als integrierte Schaltung vorgesehen ist, die in 1 durch eine gestrichelte
Linie 14 symbolisiert ist.
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Die Schaltungsanordnung 10 weist
einen Steuerschaltkreis 16 auf, mit dem der Sensor 12 elektrisch
versorgt wird und mit dem elektrische Ausgangssignale des Sensors 12 erfasst
werden und in nicht dargestellten Schaltungsteilen der integrierten Schaltung 14 weiterverarbeitet
werden. Der Sensor 12 ist hierbei über Anschlussleitungen L1,
L2, L3, L4 an dem Steuerschaltkreis 16 angeschlossen. Die
Gesamtheit dieser Anschlussleitungen wird nachfolgend auch mit L
bezeichnet.
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Die Leitungen L2, L3, L4 führen über ansteuerbare,
zur Unterbrechung dieser Leitungen L2, L3, L4 geeignete elektronische
Schaltelemente A2, A3, A4 (nachfolgend auch allgemein mit A bezeichnet), die
im normalen Betrieb geschlossen sind, um den ordnungsgemäßen Betrieb
des Sensors 12 zu ermöglichen.
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Der Steuerschaltkreis 16 überwacht
die Potenziale auf den Leitungen L und steuert die Schalter A2,
A3, A4 zur Unterbrechung der Leitungen L2, L3, L4 an, falls eines
der überwachten
Potenziale als "abnormal" beurteilt wird,
also einen Wert besitzt, der außerhalb
eines im Betrieb zu erwartenden Potenzialbereichs für die betreffende
Leitung liegt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Potenziale auf
sämtlichen
Leitungen L mittels nicht dargestellter Komparatoren jeweils mit
einem oder zwei Grenzpotenzialen verglichen, um festzustellen, ob
auf irgendeiner der Leitungen L ein abnormales Potenzial vorliegt,
also ein übermäßig niedriges
oder übermäßig hohes
Potenzial. Es wird in dieser Weise der Fall erfasst, bei welchem
zwischen Anschlüssen
des Sensors eine Spannung anliegt, welche die Gefahr einer Beeinträchtigung
oder Schädigung
des Sensors mit sich bringt. Dieser im Folgenden auch als Fehlerfall
bezeichnete Fall kann beispielsweise aufgrund eines Kurzschlusses
einer der Leitungen L mit einer spannungsführenden, in der Umgebung befindlichen
anderen Leitung hervorgerufen werden. Wenn ein solcher Fehlerfall
festgestellt wird, so werden durch den Steuerschaltkreis 16 zunächst die
auf den Leitungen L herrschenden Potenziale im Hinblick auf eine
Fehlerdiagnose analysiert und dann die Schalter A2, A3, A4 zur Unterbrechung
der betreffenden Leitungen L2, L3, L4 angesteuert, so dass der Sensor 12 weitgehend
isoliert wird und eine Schädigung
des Sensors 12 durch das abnormale Potenzial vermieden
wird.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde
auf einen Unterbrechungsschalter in der Leitung L1 verzichtet, da
der mit dieser Leitung in Verbindung stehende Bereich des Sensors 12 unempfindlich
gegen etwaig auftretende Überspannungen ist.
Demgegenüber
werden im dargestellten Beispiel im Fehlerfall die Sensorbereiche
zwischen den Leitungen L2 und L3 sowie zwischen den Leitungen L3 und
L4 durch diese aktiv angesteuerte Leitungsunterbrechung isoliert.
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Dieser Schutz des Sensors 12 vor Überspannungen
ist jedoch nicht perfekt, da die Unterbrechungsschalter A2, A3,
A4 auch im geöffneten
Zustand gemäß 1 einen endlichen Widerstand
besitzen bzw. einen nicht verschwindenden Leckstrom führen können, so
dass die damit realisierte Isolation des Sensors 12 unter
Umständen
nicht ausreicht, diesen Sensor vor einer Beeinträchtigung zu schützen. Aus
diesem Grund sind weitere elektronische Schalter (Verbindungsschalter)
B23, B34 (nachfolgend auch allgemein mit B bezeichnet) sensorseitig zwischen
den Leitungen L2 und L3 bzw. L3 und L4 angeordnet, die im Fehlerfall
gleichzeitig mit den oben erwähnten
Unterbrechungsschaltern A durch den Steuerschaltkreis 16 angesteuert
werden, um die Leitungen L2, L3, L4 untereinander kurzzuschließen. Im
einfachsten Fall sind diese Verbindungsschalter B wie die Unterbrechungsschalter
A ausgebildet, z.B. jeweils als Kanal eines Transistors, dessen
Widerstand durch Variation eines Ansteuerpotenzials an einem Steueranschluss
des Transistors verändert
werden kann. Durch diese in dem Fall der Erfassung eines abnormalen
Potenzials auf einer der Leitungen L erfolgenden niederohmigen Verbindung der
Leitungen L2, L3, L4 kann eine Potenzialdifferenz in diesem Bereich
des Sensors 12 rasch abgebaut werden. Diese vorteilhafte
Wirkung der Schalter B ist bereits dann signifikant, wenn etwaige über die
Leitungen L fließende
Leckströme
wesentlich über
die Schalter B fließen
anstatt als Querströme
im Inneren des Sensors 12 zu fließen. Anders ausgedrückt wird es
im Allgemeinen genügen,
wenn der Widerstand der Schalter B in der Größenordnung der Innenwiderstände des
Sensors 12 liegt oder noch kleiner ist.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung
von weiteren Ausführungsbeispielen
werden für
analoge Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet, jeweils
ergänzt
durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform.
Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw.
den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen und im übrigen
hiermit ausdrücklich auf
die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung 10a, umfassend einen Steuerschaltkreis 16a sowie
eine Reihe von Anschlussleitungen La1 bis La5 zum Betreiben einer
linearen Abgassonde (Lambdasonde) 12a für die Brennkraftmaschine eines
Kraftfahrzeugs. Bei dieser an sich bekannten Sonde ist ein erstes
Elektrodenpaar zwischen einer Messkammer und der Umgebungsluft angeordnet
und wird zur Messung der Sauerstoffkonzentration in dieser Messkammer
verwendet, indem eine durch den Gaskonzentrationsunterschied hervorgerufene
Nernstspannung an diesen Messelektroden mittels des Steuerschaltkreises 16a gemessen
wird. Die Messkammer bildet zusammen mit der Messelektrodenanordnung
die sogenannte Messzelle. Ein zweites Elektrodenpaar ist zwischen der
Messkammer und dem Abgasstrom angeordnet und erlaubt bei Anlegen
eines elektrischen Stroms entsprechender Polarität Sauerstoffionen aus der Messkammer
heraus oder in die Messkammer hinein zu pumpen. Zu diesem Zweck
steht die Messkammer über
eine Diffusionsbarriere aus Zirkonkeramik mit dem Abgasstrom in
Verbindung. Diese Diffusionsbarriere bildet mit den Pumpelektroden
die sogenannte Pumpzelle.
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Im Betrieb dieser bekannten Sonde 12a wird ein
dynamisches Gleichgewicht zwischen diffusionsbedingten und pumpstrombe dingten
Sauerstoffflüssen
aus der Messkammer heraus und in die Messkammer hinein durch eine
entsprechende Regelung des von dem Steuerschaltkreis 16a bereitgestellten Pumpstroms
eingestellt. Als Regelkriterium eignet sich dabei die mit Hilfe
der Messelektroden ermittelte Sauerstoffkonzentration in der Messkammer.
Diese Konzentration kann z.B. auf einem Wert entsprechend einem
bestimmten Luft/Kraftstoff-Verhältnis von λ=1 mit einer
Nernstspannung (Messzellenspannung) von typischerweise ca. 450 mV
geregelt werden. Der in diesem Fall durch die Pumpzelle fließende Pumpstrom
ist dann ein Maß für die Sauerstoffkonzentration
im Abgas bzw. (nach numerischer Umwandlung) ein Maß für das interessierende
Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
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Eine Schaltungsanordnung, mit welcher
eine lineare Lambdasonde in dieser Weise betrieben werden kann,
ist beispielsweise aus der deutschen Patentschrift
DE 101 01 755 C1 bekannt.
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Um nach einem Start der Brennkraftmaschine
die Sonde 12a auf deren Nenn-Betriebstemperatur in einem
Bereich von typischerweise ca. 500°C bis 800°C zu bringen oder auch um die
Sondentemperatur gezielt einzustellen, ist die Sonde 12a mit
einer eigens zu diesem Zweck vorgesehenen Heizeinrichtung versehen,
die ebenfalls über
die Anschlussleitungen La betrieben wird.
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Abhängig von dem für die Pumpzelle
verwendeten Keramikmaterial kommt es bei überschreiten einer Pumpspannung
von etwa 2V bis 3V zunächst
zu einer Beeinträchtigung
der Sondenfunktion und schließlich
zu einer irreversiblen Schädigung
der Sonde 12a, und zwar insbesondere durch eine sogenannte "Schwärzung" oder Rissbildung
am Material des in der Pumpzelle verwendeten Festelektrolyten. Das
Auftreten einer derart übermäßig großen Pumpspannung
lässt sich
im normalen Betrieb dadurch verhindern, dass die in der Schaltungsanordnung 10a vorgesehene
Pumpstromquelle von vornherein mit einem entsprechend begrenzten
Ausgangsspannungsbereich ausgelegt wird, der eine Schädigung der
Sonde 10a ausschließt.
Um jedoch den Sensor 12a gegen eine Zerstörung durch
Anlegen einer Überspannung
im Fehlerfall eines Kurzschlusses zwischen einer der Leitungen La
und einer spannungsführenden
Leitung der Kraftfahrzeugelektrik zu schützen, sind wieder ansteuerbare
elektronische Schalter Aa1 bis Aa5 vorgesehen, mit welchen in einem
solchen Fehlerfall sämtliche
Anschlussleitungen La unterbrochen werden, um eine schädigende
Wirkung eines abnormalen, d.h. übermäßig kleinen
oder übermäßig großen Potenzials
auf einer der Leitungen La zu vermeiden. Da die im Fehlerfall geöffneten Schalter
Aa jedoch keinen unendlich großen
elektrischen Widerstand besitzen, steuert der Steuerschaltkreis 16a in
diesem Fall gleichzeitig weitere ansteuerbare elektronische Schalter
Ba12, Ba23, Ba34 und Ba45 zur niederohmigen Verbindung sämtlicher
Anschlussleitungen La miteinander an, um sämtliche Potenzialdifferenzen
zwischen den Anschlüssen
der Sonde 12a rasch abzubauen. Wie bei dem zuvor mit Bezug
auf 1 beschriebenen
Ausführungsbeispiel sind
auch hier die Unterbrechungsschalter Aa sowie die Verbindungsschalter
Ba zusammen mit dem Steuerschaltkreis 16a in einer integrierten
Schaltung 14a implementiert.
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3 zeigt
ein Detail einer weiteren Schaltungsanordnung 10b, bei
welcher zwar die Unterbrechungsschalter Ab mit dem Steuerschaltkreis
in einer integrierten Schaltung 14b zusammengefasst sind, die
Verbindungsschalter Bb (ausgeführt
als selbstleitende p-Kanal-FETs) jedoch außerhalb dieser integrierten
Schaltung 14b angeordnet sind, beispielsweise in einer
weiteren integrierten Schaltung, welche in diesem Fall dann auch
in der Nähe
des Sensors (in 3 nicht
dargestellt) angeordnet sein kann.
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Im normalen Betrieb des Sensors sind
die ebenfalls als Transistoren implementierten Unterbrechungsschalter
Ab geschlossen und sind die Verbindungsschalter Bb geöffnet. Die
Hochohmigkeit der Kanäle
dieser elektronischen Schaltelemente Bb wird erreicht durch Anlegen
eines zur Sperrung dieser Transistoren geeigneten Ansteuerpotenzials
an Gate-Anschlüssen
der Transistoren Bb. Zu diesem Zweck sind die Gate-Anschlüsse der
Transistoren 8b miteinander verbunden und über eine
gemeinsame Ansteuerleitung LB mit dem Steuerschaltkreis der Schaltungsanordnung 10b verbunden.
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Im Fehlerfall, also wenn durch den
Steuerschaltkreis auf einer überwachten
der Leitungen Lb ein abnormales Potenzial erfasst wird, werden die Unterbrechungsschalter
Ab zur Unterbrechung der Leitungen Lb angesteuert und werden die
Verbindungsschalter Bb über
die Ansteuerleitung LB zur niederohmigen paarweisen Verbindung der
Leitungen Lb angesteuert. An den in 3 rechts
ersichtlichen Anschlüssen
Cb ist der Sensor (nicht dargestellt) angeschlossen.
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Neben dem Vorteil eines raschen und
zuverlässigen
Abbaus von Potenzialdifferenzen liegt ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführungsform
darin, dass bei abgeschalteter Schaltungsanordnung 10b (z.B.
im Anwendungsfall einer Lambdasonde bei abgestelltem Fahrzeug) die
Verbindungsschalter Bb geschlossen sind, wodurch ein effektiver
Schutz des angeschlossenen Sensors auch für die inaktive Schaltungsanordnung 10b gegeben
ist. Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung 10b werden die
Verbindungsschalter B sogleich geöffnet und bleiben ge öffnet, solange
kein abnormales Potenzial durch den Steuerschaltkreis festgestellt
wird.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung 10c, bei welcher die Unterbrechungsschalter
Ac wieder mit den Verbindungsschaltern Bc in einer integrierten
Schaltung 14c vereinigt sind, die über Anschlusskontakte Cc mit einem
Sensor (nicht dargestellt) verbindbar ist. Abweichend von dem zuvor
mit Bezug auf 3 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
sind die Verbindungsschalter Bc hier als selbstsperrende n-Kanal-FETs
ausgeführt
und somit bei inaktivem Steuerschaltkreis hochohmig. Trotzdem bietet
die Schaltungsanordnung 10b auch in diesem Fall einen effektiven Überspannungsschutz,
da die Transistoren Bc zum paarweisen Verbinden von jeweils zwei
der Anschlussleitungen Lc mittels einer Ansteuerschaltung angesteuert
werden, die hier aus einem Spannungsvervielfacher 20c sowie
mehreren Dioden gebildet ist und ausgangsseitig das zur Ansteuerung
der Transistoren Bc erforderliche Ansteuerpotenzial bereitstellt
und über
eine Ansteuerleitung LB an die Gate-Anschlüsse der Transistoren Bc anlegt.
Durch die eingangsseitige Verbindung des Spannungsvervielfachers 20c (über die
Dioden) mit mehreren der Leitungen Lc wird der Spannungsvervielfacher 20c bei
Auftreten eines abnormalen Potenzials auf einer dieser Leitungen
Lc durch das abnormale Potenzial selbst versorgt. Die Dioden sorgen
hierbei für
eine galvanische Trennung der betreffenden Leitungen Lc. In an sich
bekannter Weise wird mit dem Spannungsvervielfacher 20c dann
im Fehlerfall auf der Ansteuerleitung LB ein Ansteuerpotenzial erzeugt, welches
außerhalb
des durch die Potenziale auf den angeschlossenen Leitungen Lc definierten
Potenzialbereichs liegt und zum zuverlässigen Durchschalten der Transistoren
Bc geeignet ist.
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Auch bei der Schaltungsanordnung 10b ist es
denkbar, die Verbindungstransistoren Bc zusammen mit deren autonomer
Ansteuerschaltung außerhalb
der integrierten Schaltung 14c vorzusehen. Abweichend von
der in 4 dargestellten
vorteilhaften Ansteuerung mehrerer der Verbindungsschalter Bc durch
einen gemeinsamen Spannungsvervielfacher 20c ist es selbstverständlich auch
möglich,
für einzelne
Verbindungsschalter jeweils einen separaten Spannungsvervielfacher
anzuordnen.
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Zusammenfassend wird durch die Erfindung eine
Schutzbeschaltung für
Sensoren bereitgestellt, bei welchen wenigstens Teile des Sensors überspannungsempfindlich
sind, wobei der Sensor zuverlässig gegen
in einem Fehlerfall auftretende Überspannungen
geschützt
werden kann. Von besonderem Interesse ist die Anwendung der Erfindung
z.B. für
Sensoren in einer mehr oder weniger "rauhen" Umgebung mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit
für das
Eintreten des oben beschriebenen Fehlerfalls, etwa Sensoren in einem
Kraftfahrzeug. Hierbei kann es sich z.B. um einen Abgassensor (z.B.
für NOx, O2 etc.) handeln.
Die mit der Erfindung vermeidbare Beeinträchtigung der Sensorfunktion
ist von besonderer Bedeutung für
lineare Abgassensoren, die üblicherweise
für eine
besonders präzise
Abgaskonzentrationsmessung eingesetzt werden (z.B. lineare Lambdasonde). Andere
Anwendungsbereiche sind natürlich
nicht ausgeschlossen (z.B. Industrie-Gassensoren).
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Wenngleich die verwendeten elektronischen Schaltelemente
bei den Ausführungsbeispielen
als FETs beschrieben wurden, so ist dies lediglich als beispielhaft
zu betrachten. Selbstverständlich
können
an dieser Stelle auch bipolare Transistoren oder jeweils mehrere
Transistoren umfassende Transistoranordnungen eingesetzt werden
(z.B. ein komplementäres
FET-Paar mit zusammengeschlossenen Source-Anschlüssen und zusammengeschlossenen Drain-Anschlüssen).