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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines kapazitiven Sensors, der dafür ausgelegt ist, mindestens ein elektrisches Heizungselement als Elektrode zu verwenden, die im Lademodus zu betreiben ist, und eine kapazitive Abfühlvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen, einschließend eine solche Impedanzmessschaltung.
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Hintergrund der Erfindung
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Kapazitive Sensoren und kapazitive Mess- und/oder Erkennungsvorrichtungen, bei denen kapazitive Sensoren eingesetzt werden, haben einen weiten Anwendungsbereich und werden unter anderem für die Erkennung des Vorhandenseins und/oder der Position eines leitfähigen Körpers oder Körperabschnitts in der Nähe einer Antennenelektrode verwendet.
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Wie er hier verwendet wird, bezeichnet der Begriff „kapazitiver Sensor“ einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Abgefühlten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustiers, eines Gegenstands usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor umfasst mindestens eine Abtastelektrode, die zu Emissionsantennenelektroden identisch oder dazu verschieden sein kann, an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird.
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Auf dem Gebiet der Sensoranwendungen in Kraftfahrzeugen ist es bekannt, kapazitive Sensoren zum Bereitstellen einer Eingabe in automatische Fahrerassistenzsysteme (Automatic Driver Assistance Systems - ADAS), zum Beispiel für den Zweck eines Sitzgurterinnerungssystems (Seat Belt Reminder - SBR) oder einer Aktivierungssteuerung für ein zusätzliches Rückhaltesystem (Auxiliary Restraint System - ARS), einzusetzen. Abgetastete Signale können als Grundlage für Entscheidungen durch ein ADAS dienen, zum Beispiel für eine Entscheidung, ein Airbagsystem an einem speziellen Fahrzeugsitz einzusetzen oder nicht.
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Es wurde eine reiche Vielfalt von kapazitiven Insassenerfassungssystemen vorgeschlagen, z. B. zur Steuerung des Einsetzens von einem oder mehreren Airbags, wie z. B. eines Fahrerairbags, eines Beifahrerairbags und/oder eines Seitenairbags. Ein weiteres Beispiel für die Verwendung von kapazitiven Sensoren in einer Kraftfahrzeuganwendung ist das sogenannte Hands Off Detection System (HoD, System zur Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt), bei dem einer oder mehrere Sensoren Informationen darüber bereitstellen, ob ein Fahrer seine Hände auf einem Lenkrad eines Fahrzeugs platziert hat oder nicht. Diese Informationen können an ein ADAS, wie eine automatische Distanzregelung (Adaptive Cruise Control, ACC), übertragen werden, das, basierend auf dem bereitgestellten Sensorsignal, den Fahrer warnen und ihn daran erinnern kann, wieder die Kontrolle über das Lenkrad zu übernehmen. Insbesondere können solche HoD-Systeme als Unterstützung verwendet werden, um eine Anforderung der Wiener Konvention zu erfüllen, dass der Fahrer jederzeit die Kontrolle über sein Fahrzeug behalten muss. HoD-Systeme können auch in einem Parkassistenzsystem oder einem ADAS eingesetzt werden, das dafür ausgelegt ist, eine Fahreraktivität bei hoher Geschwindigkeit auszuwerten.
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In einigen kapazitiven (sogenannten „Lademodus-“) Sensoren dient die mindestens eine Antennenelektrode gleichzeitig als Abtastelektrode. In diesem Fall bestimmt eine Messschaltung einen in die mindestens eine Antennenelektrode fließenden Strom in Abhängigkeit von einer an diese angelegten oszillierenden Spannung. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz zwischen der mindestens einen Antennenelektrode und Erdpotential. In einer Variante von kapazitiven Sensoren (kapazitive „Kopplungsmodus-"Sensoren) sind die Sendeantennenelektrode(n) und die Abtastelektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung einen Strom oder eine Spannung, der/die in der Abtastelektrode induziert wird, wenn mindestens eine Sendeantennenelektrode betrieben wird.
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Verschiedene kapazitive Abfühlmechanismen werden zum Beispiel in dem technischen Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60, 1998 erläutert, das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit Wirkung für die Rechtsprechungen, die eine Aufnahme durch Bezugnahme erlauben, aufgenommen sein soll.
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Das Dokument beschreibt das Konzept des Abfühlens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Eingabe von dreidimensionalen Positionen in einen Computer abzufühlen. Innerhalb des allgemeinen Konzepts des kapazitiven Abfühlens unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als „Lademodus“, „Parallelmodus“ und „Sendemodus“ bezeichnet, die verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Erde aufbaut. Das abzufühlende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Erde. Im „Parallelmodus“, der alternativ auch als „Kopplungsmodus“ bezeichnet wird, wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, wobei ein elektrisches Feld an einer Empfangselektrode aufgebaut wird, und der an der Empfangselektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen. Der gemessene Verschiebungsstrom hängt von dem abgefühlten Körper ab. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung.
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Die kapazitive Kopplungsstärke kann zum Beispiel bestimmt werden, indem ein Wechselspannungssignal an eine Antennenelektrode angelegt und der von dieser Antennenelektrode entweder gegen Erde (im Lademodus) oder in eine zweite Antennenelektrode (im Kopplungsmodus) fließende Strom gemessen wird. Dieser Strom kann durch einen Transimpedanzverstärker gemessen werden, der an die Abfühlelektrode angeschlossen ist und den in die Abfühlelektrode fließenden Strom in eine Spannung proportional zu diesem Strom umwandelt.
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Die komplexe Impedanzmessung zum Bestimmen einer unbekannten Impedanz, die äquivalent zu einem Einfluss eines Objekts oder Lebewesens auf das elektrische Feld einer Abfühlelektrode eines kapazitiven Sensors ist, wird häufig durch eine Abtastmessung, zum Beispiel eines Abfühlstroms, bestimmt, indem ein oder mehr Analog-Digital-Wandler (Analog Digital Converter, ADC) eingesetzt werden. Es wurden im Stand der Technik Lösungen vorgeschlagen, um die Anforderungen betreffend eine Abtastfrequenz des ADC zu senken, was ein wichtiger Faktor für die Komplexität und Kosteneffizienz ist.
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Einige kapazitive Sensoren sind als kapazitive Abfühlsensoren ausschließlich zum Abfühlen mit einer einzelnen Abfühlelektrode ausgeführt. Auch werden recht häufig kapazitive Sensoren verwendet, die eine Abtastelektrode und eine sogenannte „Schutzelektrode“ umfassen, die proximal angeordnet und voneinander galvanisch isoliert sind. Diese Technik des „Schutzes“ ist auf dem Fachgebiet allgemein bekannt und wird häufig zum bewussten Maskieren und somit Formen eines Empfindlichkeitszustands eines kapazitiven Sensors verwendet. Hierfür wird die Schutzelektrode auf dem gleichen elektrischen Wechselstrompotential gehalten wie die Abfühlelektrode. Infolgedessen ist ein Raum zwischen der Abfühlelektrode und der Schutzelektrode frei von einem elektrischen Feld, und der kapazitive Schutz-Abfühl-Sensor ist in einer Richtung zwischen der Abfühlelektrode und der Schutzelektrode unempfindlich.
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Das Äquivalenzzeit-Abtastverfahren wird auch in einer kostengünstigen Messschaltung einer komplexen Impedanz für kapazitive Schutz-AbfühlSensoren, die im Lademodus betrieben werden, verwendet, wie in der
WO 2016/062824 A1 beschrieben ist. Ein Mikrokontroller verwendet eine Kombination aus mehreren synchronisierten PWM-Ausgaben, um durch Addieren der PWM-Ausgaben und Filtern des addierten Signals eine verzerrungsarme Sinuswelle zu erzeugen. Die Sinuswelle wird als Schutzspannung für die Schutzelektrode verwendet. Die unbekannte Impedanz wird durch Beaufschlagen der Abfühlelektrode mit der Schutzspannung durch einen Transistor gemessen, der in einer Basisschaltungskonfiguration angeschlossen ist, und dann durch Übertragen des Abfühlstroms durch den in Basisschaltung angeschlossenen Transistor an einen Transimpedanzverstärker aus einem zweiten Transistor, der in Emitterschaltungskonfiguration angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung am Kollektor des zweiten Transistors wird durch einen ADC-Eingang des Mikrokontrollers gemessen. Der Mikrokontroller übersetzt die ADC-Ausgabewerte in die zu messende unbekannte Impedanz durch Ausführen einer Softwaredemodulation der ADC-Ausgabewerte. Zusätzlich kann, um die Präzision der Messung zu erhöhen, eine Bezugsimpedanz mit der unbekannten Impedanz parallel geschaltet und von dem Mikrokontroller verwendet werden, um Verstärkungsfehler der Signalabfühlschaltung auszuschalten.
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Kapazitive Abfühlsysteme, die bei der Steuerung von Airbagsystemen oder anderen sicherheitsbezogenen Anwendungen verwendet werden, können als sicherheitsrelevante Systemkomponenten betrachtet werden. Es kann somit notwendig sein, die gute Funktionsfähigkeit der verschiedenen Komponenten des Sensors (Abfühlelektrode und/oder Schutzelektrode) zu überwachen, um eine falsche Ablesung durch das kapazitive Belegungs- oder Näherungserkennungssystem auszuschließen.
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Insbesondere bei HoD-Systemen (Systemen zur Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt) wird oft eine Schutzelektrode eingesetzt, um eine oder mehrere Abfühlelektroden von Innenteilen eines Fahrzeuglenkrads abzuschirmen. Jegliche Beschädigung einer elektrischen Verbindung der Schutzelektrode zu einer Signalverarbeitungsschaltung eines kapazitiven Sensorsystems kann die Zuverlässigkeit von Messergebnissen des kapazitiven Sensors gefährden.
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Im Stand der Technik wurde auch vorgeschlagen, kapazitive Sensoren mit Heizvorrichtungen, insbesondere in Fahrzeuglenkrädern und auch in Fahrzeugsitzen, zu kombinieren.
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Zum Beispiel beschreibt die
WO 2015/052667 A1 ein Belegungsabfühlen mit Heizvorrichtungen und die Verwendung von nicht geschützten MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren), um Heizstrom von Messstrom zu trennen. Ein System umfasst eine Heizung, die sich innerhalb eines Lenkrads befindet, und eine Heizung, die sich innerhalb eines Fahrzeugsitzes befindet, wobei die Heizung in dem Lenkrad eine erste Platte ist und die Heizung in dem Fahrzeugsitz eine zweite Platte ist und eine Verschiebung in einem Signal zwischen der ersten Platte, der zweiten Platte oder beiden überwacht wird, so dass ein Vorliegen und ein Fehlen eines Insassen erkannt werden. Die Heizung in dem Lenkrad und die Heizung in dem Fahrzeugsitz sind ein Sensor.
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Eine Lösung, bei der Dioden und Impedanzen in einer geschützten Abfühlschaltung unter Verwendung einer Heizung verwendet werden, wird in der
US 2010/0038351 A1 vorgeschlagen. Ein kombiniertes Heizsystem und Insassenabfühlsystem für einen Fahrzeugsitz schließt eine erste und eine zweite Elektrode, die in Reihe geschaltet sind, und eine Steuereinheit ein, die dafür ausgelegt ist, einen Heizstrom zu dem Strom der ersten und zweiten Elektrode zu lenken. Die Steuereinheit ist dafür konfiguriert, die erste und die zweite Elektrode von dem Heizstrom zu isolieren und gleichzeitig nur einer von der ersten und der zweiten Elektrode einen Abfühlstrom bereitzustellen.
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Induktoren und MOSFETs in einer geschützten Abfühlschaltung unter Verwendung einer Heizung als Sensorelektrode werden in einem Belegungssensor der
US 6,703,845 B2 beschrieben. Ein schwingendes oder gepulstes erstes Signal wird an ein Sitzheizungselement angelegt, das mit einer ersten und einer zweiten Impedanz wirkverbunden ist, die das erste Signal von der Stromquelle und -senke zum Heizelement isolieren. In einer anderen Ausführungsform sind eine dritte und eine vierte Impedanz an jeweiligen Knoten mit der ersten und der zweiten Impedanz verbunden, und ein zweites Signal, das im Wesentlichen gleich dem ersten Signal ist, ist betrieblich an die Knoten gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform wird das erste Signal an eine Elektrode angelegt und wird das zweite Signal an das Heizelement angelegt, das die Elektrode von einem Einfluss durch den Sitz abschirmt. In einer anderen Ausführungsform wird das erste Signal an eine erste Elektrode angelegt, die durch eine zweite Elektrode, die betrieblich an das zweite Signal gekoppelt ist, von dem Heizelement abgeschirmt ist. Die Impedanzen können zum Beispiel durch Induktoren oder elektronische Schalter bereitgestellt sein.
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Ferner sind ein kapazitives Insassenerkennungssystem und -verfahren zum Erkennen eines auf einem Fahrzeugsitz sitzenden Insassen aus der
US 2011/0148648 A1 bekannt. Eine Elektrode ist in einem Sitz nahe einer erwarteten Stelle eines Insassen zum Abfühlen eines Insassen in ihrer Nähe angeordnet. Die Elektrode kann mit einer Sitzheizung integriert sein. Eine Steuerschaltung steuert die Sitzheizung. Ein Signalgenerator ist an die Elektrode gekoppelt und dafür ausgelegt, mehrere Signale mit mehreren Frequenzen an die Elektrode auszugeben. Die Insassenerkennungsschaltung erkennt Spannungen, die auf die mehreren Signale mit den mehreren Frequenzen reagieren, und erkennt einen Belegungszustand basierend auf den erkannten Spannungen. Eine an die Elektrode und die Steuerschaltung gekoppelte LC-Schaltung unterdrückt die von der Steuerschaltung erzeugte Kapazität. Ein Kurvenanpassungsalgorithmus wird verwendet, um Real- und Imaginärteile der zu messenden unbekannten Impedanz zu extrahieren.
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Die
EP 3 048 029 A1 beschreibt eine Lenkradheizungsvorrichtung, die Folgendes einschließt: einen Heizdraht; eine Stromleitung, die mit dem Heizdraht in Reihe verbunden ist, um den Heizdraht mit Strom zu versorgen; eine Erdungsleitung, die mit dem Heizdraht in Reihe verbunden ist; einen Herausführdraht, der mit einer Stelle entlang eines aus dem Heizdraht gebildeten Verdrahtungsmusters verbunden ist; und eine Kontakterkennungsschaltung, die elektrisch mit dem von dem Heizdraht durch den Herausführdraht gebildeten Verdrahtungsmuster verbunden ist, wobei ein Abschnitt des Verdrahtungsmusters zwischen der Erdungsleitung und der Kontakterkennungsschaltung in Reihe verbunden ist.
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In der
US 2016/0101805 A1 schließt eine Lenkradheizungsvorrichtung Folgendes ein: eine Lenkradheizung, die aus einem elektrischen Widerstand konfiguriert ist, der Wärme durch elektrische Energie erzeugt; einen Induktor; mindestens einen Schalter und eine Sensorschaltung, wobei der Induktor mit einem ersten Anschluss der Lenkradheizung in Reihe verbunden ist, der mindestens eine Schalter die Stromversorgung zu der Lenkradheizung ein- und ausschaltet, die Sensorschaltung elektrisch mit dem ersten Anschluss verbunden ist und basierend auf einer Größe der Kapazität der Lenkradheizung bestimmt, ob ein erkanntes Subjekt mit einem Lenkrad in Kontakt steht, und der mindestens eine Schalter mindestens einer von einem Schalter, der mit dem ersten Anschluss der Lenkradheizung über den Induktor in Reihe verbunden ist, und einem Schalter ist, der mit einem zweiten Anschluss der Lenkradheizung in Reihe verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine kosteneffiziente Lösung für eine kapazitive Abfühlvorrichtung mit einer Impedanzmessschaltung bereitzustellen, die mit mindestens einem kapazitiven Sensor, der im Lademodus zu betreiben ist, verbindbar ist, die dafür ausgelegt ist, mindestens ein elektrisches Heizungselement als Elektrode zu verwenden, die im Lademodus zu betreiben ist, wobei die Impedanzmessschaltung kostengünstige Komponenten verwendet und Verbesserungen betreffend die Geschwindigkeit der Messung und eine mögliche Beeinträchtigung der Messung aufgrund der notwendigen Trennung des elektrischen Heizungselements von einer elektrischen Heizenergiequelle bereitstellt, um eine komplexe Impedanzmessung auszuführen. Ferner sollte die Impedanzmessschaltung vorzugsweise einen Schutz des Heizungselements und der Messschaltung selbst vor einer möglichen Polaritätsumkehr der elektrischen Heizstromquelle bereitstellen. Auch sollte die Impedanzmessschaltung vorzugsweise in der Lage sein, mindestens eines von einer Sensordiagnose und einer Diagnose der elektronischen Schaltung bereitzustellen.
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Die kapazitive Abfühlvorrichtung sollte insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen, wie einer Erkennung, dass keine Handberührung vorliegt (Hands Off Detection - HoD), für elektrisch beheizbare Fahrzeuglenkräder und einer Belegungserkennung von elektrisch beheizbaren Fahrzeugsitzen ausgelegt sein.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch eine Impedanzmessschaltung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines kapazitiven Sensors gelöst, der dafür ausgelegt ist, mindestens ein elektrisches Heizungselement als Elektrode zu verwenden, die im Lademodus zu betreiben ist.
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Die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung umfasst
- - eine Signalerzeugungseinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Messsignals,
- - eine Signalabfühlschaltung, die Strommessmittel aufweist, um einen durch das mindestens eine elektrische Heizungselement fließenden Strom als Reaktion auf das Messsignal der Signalerzeugungseinheit abzufühlen,
- - eine elektrische Heizungselementverbindungsschaltung, umfassend mehrere Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) zum selektiven elektrischen Verbinden des mindestens einen elektrischen Heizungselements entweder mit der Signalabfühlschaltung zur komplexen Impedanzmessung oder mit einem elektrischen Gleichstromversorgungsgerät zu Heizzwecken, und mindestens zwei Gleichstrom-Vorspannungseinheiten, wobei jede Gleichstrom-Vorspannungseinheit eine Gleichspannungsquelle aufweist, wobei
- • mindestens ein erster und ein zweiter MOSFET elektrisch mit jeweils einem Ausgangsanschluss des elektrischen Gleichstromversorgungsgeräts und in Reihe mit dem mindestens einen elektrischen Heizungselement verbindbar sind, das zwischen dem ersten und dem zweiten MOSFET verbindbar ist, und
- • mindestens ein erster Schutz-MOSFET, der derart elektrisch in Reihe mit dem ersten MOSFET verbunden ist, dass die intrinsische Diode des ersten Schutz-MOSFET umgekehrt zur intrinsischen Diode des ersten MOSFET verbunden ist und in Reihe mit dem mindestens einen elektrischen Heizungselement verbindbar ist, und
- • die mindestens zwei Gleichstrom-Vorspannungseinheiten dafür ausgelegt sind, eine vorbestimmte Gleichspannung über die Drain- und Source-Anschlüsse des mindestens ersten Schutz-MOSFET bereitzustellen.
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Die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung weist ferner eine Steuer- und Auswerteeinheit auf, die zumindest dafür ausgelegt ist,
- • einen Schaltzustand der mehreren MOSFETs gemäß einer vorbestimmten Sequenz zu steuern, und
- • eine komplexe Impedanz anhand der bestimmten Ströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential während vorbestimmter Stufen der vorbestimmten Sequenz zu bestimmen.
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Der Begriff „dafür ausgelegt sein“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als speziell programmiert, ausgelegt, eingerichtet oder angeordnet. Der Begriff „mehrere“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll eine Menge von mindestens zwei ausdrücken. Es sei hier ferner angemerkt, dass die Begriffe „erste(r/s)“, „zweite(r/s)“ usw. in dieser Anmeldung nur zu Unterscheidungszwecken verwendet werden und in keiner Weise eine Reihenfolge oder eine Priorität anzeigen oder vorwegnehmen sollen.
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Für den Zweck des Steuerns eines Schaltzustands der mehreren MOSFETs kann die Steuer- und Auswerteeinheit mit mehreren Spannungsausgangsanschlüssen ausgerüstet sein, und es sind geeignete elektrische Leitungen zwischen den Spannungsausgangsanschlüssen und Gate-Anschlüssen der MOSFETs bereitgestellt.
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Für Heizzwecke können der erste und der zweite MOSFET ohne weiteres in einen Zustand eines niederohmigen Widerstands zwischen Source- und Drain-Anschlüssen gesteuert werden, um elektrische Verbindungen zwischen den Anschlüssen des elektrischen Gleichstromversorgungsgerät und dem mindestens einen Heizungselement bereitzustellen. Für Impedanzmesszwecke können der erste und der zweite MOSFET ohne weiteres in einen Zustand hohen ohmschen Widerstands zwischen Source- und Drain-Anschlüssen gesteuert werden, um das mindestens eine Heizungselement von der elektrischen Stromeinheit zu trennen.
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Durch die Reihenkombination des ersten MOSFET und des ersten Schutz-MOSFET kann ein Schutz des mindestens einen elektrischen Heizungselements und der elektrischen Heizungselementverbindungsschaltung vor einer möglichen Verpolung des elektrischen Gleichstromversorgungsgeräts bereitgestellt werden. Ohne diesen Verpolungsschutz würde das mindestens eine elektrische Heizungselement im Fall einer Verpolung des elektrischen Stromgeräts kontinuierlich eingeschaltet bleiben, was aus Sicherheitsgründen vermieden werden muss.
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Da die MOSFETs in dieser Anwendung ausschließlich als elektronische Schalter verwendet werden, kann der Zustand des niederohmigen Widerstands als ein Schaltungszustand „EIN“ des MOSFET bezeichnet werden, und der Zustand des hohen ohmschen Widerstands kann als ein Schaltungszustand „AUS“ des MOSFET bezeichnet werden.
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Durch geeignete Einstellung der beiden Gleichstrom-Vorspannungseinheiten kann vermieden werden, dass während des Bestimmens einer komplexen Impedanz ein Messstrom durch die intrinsischen Dioden des zweiten MOSFET und des ersten Schutz-MOSFET fließen kann, was möglicherweise den bestimmten Wert der komplexen Impedanzmessung verfälschen kann. Ferner kann durch Verwenden der beiden Gleichstrom-Vorspannungseinheiten die Drain-Source-Kapazität der MOSFETs im Wesentlichen verringert werden, was ferner einen systematischen Fehler der komplexen Impedanzmessung verringert.
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Es sei auch angemerkt, dass das vorgeschlagene konstante Gleichstromvorspannen durch die beiden Gleichstrom-Vorspannungseinheiten von der durch das elektrische Stromversorgungsgerät bereitgestellten Spannung unabhängig ist. Infolgedessen wird die Drain-Source-Kapazität der betreffenden MOSFETs nicht durch irgendwelche Änderungen der Spannung des elektrischen Stromversorgungsgeräts moduliert, was auch die Genauigkeit der Impedanzmessung verbessern kann.
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Insbesondere kann die vorgeschlagene Impedanzmessschaltung in kapazitiven Abfühlvorrichtungen in Kraftfahrzeuganwendungen, wie Hands-Off-Erkennungsvorrichtungen für elektrisch beheizbare Fahrzeuglenkräder und Sitzbelegungserkennungs- und/oder -klassifizierungsvorrichtungen für einen elektrisch beheizbaren Fahrzeugsitz oder Fahrzeugsitze verwendet werden.
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Der Begriff „Kraftfahrzeug“, wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet, einschließlich Personenwagen, LKWs, Sattelzüge und Busse. Der Begriff „Fahrzeug“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere so verstanden werden, dass er Personenkraftwagen, LKWs, Zugeinheiten und Busse umfasst.
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Die Signalerzeugungseinheit kann als passive und amplitudengesteuerte Generatoreinheit gestaltet sein, die mehrere synchronisierte Pulsdauermodulationseinheiten umfasst, wobei die Signalerzeugungseinheit dafür ausgelegt ist, Ausgangssignale der mehreren synchronisierten Pulsdauermodulationseinheiten, die mehrere verschiedene Grundmessfrequenzen aufweisen, zu gewichten und zu addieren, und eine passive Tiefpassfiltereinheit umfasst, die mit den addierten Ausgangssignalen in Reihe verbunden ist. Auf diese Weise können gleichzeitig eine hohe Messgeschwindigkeit und ein hohes Maß an EMI-Robustheit erreicht werden. Diese Merkmale haben auch selbst einen vorteilhaften technischen Effekt, der von individuellen Merkmalen der Haupterfindung unabhängig ist.
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Die Strommessmittel können mindestens einen Transimpedanzverstärker aufweisen, der auf mindestens einem Operationsverstärker basieren kann.
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Das mindestens eine elektrische Heizungselement kann als Sensorelektrode oder in anderen Anwendungen als Schutzelektrode des kapazitiven Sensors dienen.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt, ein Softwaredemodulationsverfahren auf ein Spannungssignal anzuwenden, das für einen abgefühlten Strom steht und von einer Analog-Digital-Wandlereinheit digital umgewandelt wird, um einen Realteil und einen Imaginärteil der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors zu bestimmen. Diese Merkmale haben auch selbst einen vorteilhaften technischen Effekt, der von individuellen Merkmalen der Haupterfindung unabhängig ist.
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Der Begriff „Softwaredemodulation“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist insbesondere als ein Softwaredemodulationsverfahren zu verstehen, das dafür ausgelegt ist, die Inphase-Komponente und die Quadraturkomponente von einem zusammengesetzten Eingangssignal relativ zu einem lokalen Oszillator wiederherzustellen. Insbesondere ist eine Softwaredemodulation, die von Vektordemodulationsmitteln bereitgestellt wird, auf dem Fachgebiet der Sensorsignalverarbeitung allgemein bekannt und muss daher hier nicht im Einzelnen beschrieben werden. Durch Verwenden eines Softwaredemodulationsverfahrens kann eine kosteneffiziente Lösung mit einer geringen Hardwarekomplexität zum Auswerten von Sensorsignalen bereitgestellt werden.
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Durch die Verwendung von mehreren parallel geschalteten Softwaredemodulatoren zum Anwenden des Softwaredemodulationsverfahrens kann eine gleichzeitige Auswertung von mehreren verschiedenen Grundmessfrequenzen in dem elektrischen Messsignal ermöglicht werden.
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Auf diese Weise können die komplexen Impedanzen anhand der von den Strommessmitteln bereitgestellten Signale mit einer hohen Messgeschwindigkeit, einem hohen Maß an Flexibilität und einem geringen Hardware-Aufwand bestimmt werden.
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Die gleichen Vorteile können auf alternative Weise erreicht werden, sofern die Steuer- und Auswerteeinheit dafür ausgelegt ist, eine komplexe diskrete Fourier-Transformierte (DFT) oder eine komplexe schnelle Fourier-Transformierte (FFT) auf ein Spannungssignal anzuwenden, das für einen Abfühlstrom steht und digital durch die Analog-Digital-Wandlereinheit umgewandelt wird. Diese Merkmale haben auch selbst einen vorteilhaften technischen Effekt, der von individuellen Merkmalen der Haupterfindung unabhängig ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist der Gate-Anschluss des mindestens ersten Schutz-MOSFET elektrisch an einen Anschluss, nämlich abhängig von der regulären Polarität des elektrischen Stromversorgungsgeräts entweder den Drain- oder den Source-Anschluss, des zweiten MOSFET gleichstromgekoppelt, der mit einer entgegengesetzten Seite des verbindbaren mindestens einen Heizungselements verbindbar ist. Das Gleichstromkoppeln kann auf direkte, d. h. galvanische Weise bereitgestellt werden, oder es kann durch eine elektronische Hilfsschaltung bereitgestellt werden, die in der Lage ist, Gleichstrompotential zu übertragen. Diese Ausführungsformen sind von besonderem Interesse für Anwendungen, in denen die Signalerzeugungseinheit dafür ausgelegt ist, auch ein Wechselstrom-Schutzsignal für Schutzknoten bereitzustellen, zwischen denen das mindestens eine elektrische Heizungselement und ein oder mehr Schutz-MOSFETs in Reihe verbunden sind. In diesem Fall ist keine dedizierte wechselstromgeschützte Gate-Treiberschaltung der Schutz-MOSFETs zum wesentlichen Ausschalten einer Wirkung der Gate-Source-Kapazität auf die Messgenauigkeit erforderlich, da, sofern die Schutzknoten wechselstromgeschützt sind, auch die Gates der Schutz-MOSFETs wechselstromgeschützt sind.
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Vorzugsweise umfasst die Impedanzmessschaltung ferner einen zweiten Schutz-MOSFET, der mit dem mindestens einen elektrischen Heizungselement zwischen dem mindestens einen elektrischen Heizungselement und dem zweiten MOSFET in Reihe verbindbar ist. Dies kann einen zusätzlichen Schutz bei einem Verpolungszustand des elektrischen Stromversorgungsgeräts bereitstellen, sofern die intrinsischen Dioden des ersten Schutz-MOSFET und des zweiten Schutz-MOSFET in Bezug auf den ersten MOSFET bzw. den zweiten MOSFET im Sperrbetrieb betrieben sind.
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In solchen Ausführungsformen wird aus den bereits erläuterten Gründen auch bevorzugt, dass der Gate-Anschluss des zweiten Schutz-MOSFET elektrisch mit einem Anschluss, nämlich abhängig von der regulären Polarität des elektrischen Stromversorgungsgeräts entweder dem Drain- oder dem Source-Anschluss, des ersten Schutz-MOSFET verbunden ist, der mit einer entgegengesetzten Seite des verbindbaren mindestens einen Heizungselements verbindbar ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung umfassen die mehreren MOSFETs ferner Leitungs-MOSFETs, die in elektrischen Leitungen zwischen dem mindestens einen elektrischen Heizungselement und der Signalabfühlschaltung in Reihe geschaltet sind. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dafür ausgelegt, die Leitungszustände der Leitungs-MOSFETs derart zu steuern, dass die elektrischen Leitungen elektrische Verbindungen von geringem Widerstand (typischerweise < 10 Ohm) während einer Stufe einer komplexen Impedanzmessung bereitstellen und einen großen elektrischen Widerstand (typischerweise > 1 Mohm) während einer Stufe des Bereitstellens von Elektroenergie zu dem mindestens einen Heizungselement bereitstellen. Auf diese Weise können das mindestens eine Heizungselement und das elektrische Stromversorgungsgerät wirksam zum Schutz der Signalabfühlschaltung und gegebenenfalls der Signalerzeugungseinheiten während des Betriebs des mindestens einen Heizungselements elektrisch getrennt werden, und das mindestens eine Heizungselement kann wirksam mit der Signalabfühlschaltung elektrisch verbunden werden, um eine erhöhte Messgeschwindigkeit während einer komplexen Impedanzmessung zu erreichen.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist die Signalerzeugungseinheit dafür ausgelegt, in mindestens einer Betriebsstufe ein Wechselstrom-Schutzsignal an Schutzknoten bereitzustellen, zwischen denen das mindestens eine elektrische Heizungselement und die Schutz-MOSFETs in Reihe verbunden sind. Auf diese Weise kann ein automatischer Wechselstrom-Schutz der Gate-Anschlüsse der Schutz-MOSFETs während komplexen Impedanzmessungen erreicht werden. Vorzugsweise kann das Wechselstrom-Schutzsignal den Schutzknoten durch elektrisches Koppeln über elektronische Schalter und/oder über MOSFETs bereitgestellt werden.
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Vorzugsweise umfasst die Steuer- und Auswerteeinheit einen Mikrokontroller, der eine Prozessoreinheit, eine digitale Datenspeichereinheit, einen Mikrokontroller-Systemtakt und eine Analog-Digital-Wandlereinheit mit mindestens einem Analog-Digital-Wandler zumindest zum Umwandeln eines Ausgangssignals der Signalabfühlschaltung umfasst.
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Mikrokontroller, die wie oben beschrieben ausgerüstet sind, sind heutzutage in vielen Varianten zu wirtschaftlichen Preisen im Handel erhältlich. Auf diese Weise kann ein automatisierter Betrieb der Impedanzmessschaltung ermöglicht werden. Ferner kann in einer geeigneten Ausführungsform eine erhöhte Messgeschwindigkeit mit einem kostengünstigen Mikrokontroller erreicht werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Impedanzmessschaltung ist der Mikrokontroller dafür ausgelegt, ein Äquivalenzzeit-Abtastverfahren auszuführen. Auf diese Weise kann die Impedanzmessung mit ausreichender Präzision und einer hohen Geschwindigkeit der Messung mit kostengünstiger Hardware ausgeführt werden.
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Vorzugsweise schließt das Äquivalenzzeit-Abtastverfahren das Einsetzen einer inkrementalen Zeitverzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Abtastungen ein, die einer Taktperiode des Mikrokontroller-Systemtakts entspricht.
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Der Begriff „Äquivalenzzeit-Abtastverfahren“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist insbesondere als ein Abtastverfahren zu verstehen, bei dem nur ein momentanes Eingangssignal zum Zeitpunkt des Abtastens gemessen wird und das Eingangssignal nur einmal pro Auslösung abgetastet wird. Bei der nachfolgenden Abtastauslösung wird eine kleine zeitliche Verzögerung hinzugefügt und ein weiterer Abtastwert genommen. Die beabsichtigte Anzahl an Abtastwerten bestimmt die resultierende Anzahl der Zyklen, die notwendig sind, um das Eingangssignal zu reproduzieren.
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Auf diese Weise können Anforderungen an die Hardwareeigenschaften, insbesondere bezüglich der Geschwindigkeit der Signalabwicklung und -verarbeitung, gesenkt werden, was zu geringeren Hardwarekosten und einer geringeren Komplexität der Ausführung führt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine kapazitive Abfühlvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die kapazitive Abfühlvorrichtung umfasst eine Ausführungsform der hier offenbarten Impedanzmessschaltung und einen kapazitiven Sensor mit mindestens einem elektrischen Heizungselement, das als Elektrode dient, die in einem Betriebszeitraum im Lademodus und in einem anderen Betriebszeitraum als Elektroheizung zu betreiben ist.
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Auf diese Weise kann der offensichtliche Vorteil einer Doppelfunktion der Abfühl- oder Schutzelektrode in Kombination mit den beschriebenen Vorteilen der Impedanzmessschaltung erreicht werden.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben der hier offenbarten kapazitiven Abfühlvorrichtung für Sensordiagnosezwecke zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:
- - Steuern des ersten und des zweiten MOSFET, um einen elektrischen Strom durch das mindestens eine Heizungselement zu treiben,
- - Bestimmen einer Ausgangsspannung des elektrischen Stromversorgungsgeräts und der Stärke des elektrischen Stroms,
- - Berechnen eines elektrischen Widerstands des mindestens einen Heizungselements anhand der bestimmten Ausgangsspannung und der elektrischen Stromstärke,
- - Vergleichen des berechneten elektrischen Widerstands mit einem vorbestimmten Schwellenwert für den elektrischen Widerstand, und
- - Erzeugen eines Ausgangssignals, das ein Ergebnis des Schritts des Vergleichens anzeigt.
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Auf diese Weise kann eine Diagnose der Elektroden, die als elektrisches Heizungselement gestaltet sind, vorteilhafterweise erreicht werden. Zum Beispiel kann die Ausgangsspannung des elektrischen Stromgeräts durch einen ADC eines eingesetzten Mikrokontrollers bestimmt werden, und die Stärke des elektrischen Stroms kann über eine Stromabfühlausgabe des ersten MOSFET bestimmt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Betreiben einer kapazitiven Abfühlvorrichtung, umfassend eine Impedanzmessschaltung wie hier offenbart, wobei die Signalerzeugungseinheit dafür ausgelegt ist, in mindestens einer Betriebsstufe ein Wechselstrom-Schutzsignal für Schutzknoten, zwischen denen das mindestens eine elektrische Heizungselement und die Schutz-MOSFETs in Reihe verbunden sind, zum Zwecke der Diagnose der elektronischen Schaltung bereitzustellen. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:
- - Steuern des ersten und des zweiten MOSFET in einen Zustand hohen ohmschen Widerstands, um zu verhindern, dass ein elektrischer Strom aus dem Stromversorgungsgerät durch das mindestens eine Heizungselement fließt,
- - Bestimmen einer komplexen Impedanz zwischen den Schutzknoten und einem Anschluss des mindestens einen elektrischen Heizungselements,
- - Vergleichen einer Größe der bestimmten komplexen Impedanz mit einem vorbestimmten Schwellenwert für die Größe der komplexen bestimmten Impedanz und
- - Erzeugen eines Ausgangssignals, das ein Ergebnis des Schritts des Vergleichens anzeigt.
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Die komplexe Impedanz zwischen den Schutzknoten und einem Anschluss des mindestens einen elektrischen Heizungselements wird im Wesentlichen durch eine parallele elektrische Verbindung der Drain-Source- und Gate-Source-Impedanzen, d. h. in erster Linie Kapazitäten, der Schutz-MOSFETs erreicht. Sofern sich die Größe der bestimmten komplexen Impedanz erheblich von dem vorbestimmten Schwellenwert für die Größe unterscheidet, der eine parallele elektrische Verbindung von Nenn- und a priori bekannten Drain-Source- und Gate-Source-MOSFET-Kapazitäten darstellt, ist ein Ergebnis der Diagnose der elektronischen Schaltung negativ, was anzeigt, dass die Unversehrtheit der elektronischen Schaltung beeinträchtigt ist. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann ohne weiteres eine Diagnose der elektronischen Schaltung bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung der hier offenbarten kapazitiven Abfühlvorrichtung in einem elektrisch beheizbaren Fahrzeuglenkrad zur kapazitiven Hands-Off-Erkennung vorgeschlagen. Das mindestens eine elektrische Heizungselement ist an dem Fahrzeuglenkrad angeordnet und zum Beheizen von diesem ausgelegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung der hier offenbarten kapazitiven Abfühlvorrichtung in einem elektrisch beheizbaren Fahrzeugsitz zur Sitzbelegungserkennung und/oder -klassifizierung vorgeschlagen. Das mindestens eine elektrische Heizungselement ist an dem Fahrzeugsitz angeordnet und zum Beheizen von diesem ausgelegt.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich und durch diese erklärt.
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Es soll herausgestrichen werden, dass die Merkmale und Maße, die in der vorstehenden Beschreibung individuell detailliert angegeben sind, miteinander auf jede technisch bedeutende Weise kombiniert werden können und weitere Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Beschreibung kennzeichnet und spezifiziert die Erfindung insbesondere in Verbindung mit den Figuren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:
- 1 bis 3 jeweils eine Schaltungsanordnung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung mit einer möglichen Ausführungsform einer Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung zeigen.
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Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden nur Unterschiede in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben. Für Merkmale, die in 2 oder 3 nicht beschrieben sind, wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform oder einer entsprechenden vorausgehenden Ausführungsform verwiesen.
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In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Teile stets mit den gleichen Bezugssymbolen bzw. Bezugszeichen versehen. Somit werden sie normalerweise nur einmal beschrieben.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Die 1 bis 3 zeigen jeweils eine Schaltungsanordnung einer kapazitiven Abfühlvorrichtung mit einem kapazitiven Sensor, der mindestens ein elektrisches Heizungselement 42 als Elektrode aufweist und einsetzt, die im Lademodus zu betreiben ist, und einer möglichen Ausführungsform einer Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung.
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Jede Impedanzmessschaltung umfasst eine Signalerzeugungseinheit 59 zum Bereitstellen eines elektrischen Messsignals, eine Signalabfühlschaltung 61, um einen durch das mindestens eine elektrische Heizungselement 42 fließenden Strom als Reaktion auf das Messsignal der Signalerzeugungseinheit abzufühlen, eine elektrische Heizungselementverbindungsschaltung 68, die mehrere MOSFETs umfasst, mindestens zwei Gleichstrom-Vorspannungseinheiten, wobei jede Gleichstrom-Vorspannungseinheit eine Gleichspannungsquelle aufweist, und eine Steuer- und Auswerteeinheit, die einen Mikrokontroller 60 umfasst. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist zumindest dafür ausgelegt, einen Schaltzustand der mehreren MOSFETs gemäß einer vorbestimmten Sequenz zu steuern, und sie ist ferner dafür ausgelegt, eine komplexe Impedanz anhand der bestimmten Ströme mit Bezug auf ein komplexes Bezugspotential während vorbestimmter Stufen der vorbestimmten Sequenz zu bestimmen. Weitere Einzelheiten sind in der jeweiligen Beschreibung für jede der Figuren angegeben.
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Der Mikrokontroller 60 der Impedanzmessschaltung weist eine Prozessoreinheit, eine digitale Datenspeichereinheit, eine Mikrokontroller-Systemuhr und eine Analog-Digital-Wandlereinheit mit mehreren Analog-Digital-Wandlern 69 auf. Die Signalerzeugungseinheit 59 kann als passive, amplitudengesteuerte sinusformende Impulsgeneratoreinheit gestaltet sein, die Teil des Mikrokontrollers 60 oder der Signalabfühlschaltung 61 bildet.
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In der folgenden Beschreibung soll der Begriff „Schutzknoten“ eine Verbindungsstelle der Impedanzmessschaltung spezifizieren, mit der eine jeweilige Schutzelektrode des kapazitiven Sensors verbindbar ist. Das Messen der komplexen Impedanz des kapazitiven Sensors ist äquivalent zu dem Messen der unbekannten komplexen Impedanz (oder kurz der unbekannten Impedanz) zwischen dem Sensorabfühl- und Erdpotential.
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1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung, die mehrere elektrische Heizungselemente 42, 42`, zum Beispiel Lenkrad- oder Sitzheizungselemente, als kapazitive Abfühlelektroden in einem Wechselstrom-Schutzmodus verwendet. Die Technik des Wechselstromschutzes ist in der
US 6,703,845 B2 für einen Kanal beschrieben. In
1 sind zwei Kanäle gezeigt, aber die Anzahl kann auch eins oder mehr als zwei betragen. Ein Kanal wird nachstehend beispielhaft beschrieben, und die Beschreibung gilt für jeden Kanal. Für Heizzwecke wird eine Batteriespannung von einer elektrischen Heizstromversorgung an Batteriespannungsanschlüsse 50,GND, angelegt und dadurch symbolisiert. Die Impedanzmessschaltung weist fernsteuerbare elektrische Verbindungsmittel auf, die als erster und zweiter MOSFET 51, 52 und Schutz-MOSFETs 40, 40`, 43, 43' gebildet sind. Der MOSFET 51, der als High-Side-Schalter dient, und der MOSFET 52 werden durch digitale Ausgaben 55, 56 des Mikrokontrollers 60 eingeschaltet. Elektrische Leitungen 62 sind zum Verbinden des Mikrokontrollers 60 und einer Signalabfühlschaltung 61 vorgesehen.
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Gate-Schutzschaltungen 41, 44 begrenzen die Gate-Source-Spannung auf unterhalb den maximal zulässigen Wert und können zum Beispiel einen Gate-Reihenwiderstand und zwei umgekehrt verbundene Reihen-Zener-Dioden zwischen Gate und Source von jedem MOSFET 40, 43 umfassen. Der MOSFET 40, in diesem Fall ein PMOS-Typ, wird eingeschaltet, da sein Gate geerdet wird, wenn der MOSFET 52 den Knoten 54 gegen Erde schaltet. Der MOSFET 43, in diesem Fall ein NMOS-Typ, wird auch eingeschaltet, da sein Gate mit Batteriespannung verbunden wird, wenn der MOSFET 51 als High-Side-Schalter den Knoten 53 mit Batteriespannung verbindet. Dadurch wird ein Heizungselement 42 mit elektrischem Strom versorgt und heizt. Die Anordnung der MOSFETs 40, 43 bietet einen Schutz des Heizungselements 42 und des Schaltkreises vor einer umgekehrten Verbindung der Batterie ohne zusätzliche Kosten für dedizierte Komponenten. Ohne Verpolungsschutz würde das Heizungselement 42 bei einem Verpolungszustand kontinuierlich eingeschaltet bleiben, was vermieden werden muss. Die intrinsischen Dioden in den MOSFETs 40, 43 sind in Sperrrichtung betrieben, und die Gate-Source-Spannung des NMOS-MOSFET 43 ist negativ, und die Gate-Source-Spannung des PMOS-MOSFET 40 ist positiv, wodurch beide MOSFETs ausgeschaltet werden. Die Verbindung der Gates der MOSFETs 40, 43 zu den Drains (Knoten 53, 54) des jeweiligen anderen MOSFET verhindert dedizierte wechselstromgeschützte Gate-Treiberschaltungen für beide MOSFETs. Ein wechselstromgeschützter Gate-Treiber ist notwendig, um die Wirkung der Gate-Source-Kapazitäten auf die Messgenauigkeit im Wesentlichen auszuschalten. Da die Knoten 53, 54 wechselstromgeschützt sind, sind auch die MOSFET-Gates automatisch wechselstromgeschützt. Zusätzlich ermöglicht die in
1 gezeigte Schaltung im Vergleich zu
7 in der
US 6,703,845 B2 , die ein RC-Tiefpassfilter vor den Gates zum Zwecke des Wechselstromschutzes aufweist, ein schnelleres Ein- und Ausschalten der MOSFETs, was kritisch ist, sofern ein hohes Heizungsarbeitsspiel erforderlich ist. Zu kapazitiven Messzwecken werden der High-Side-Schalter des MOSFET 51 und der MOSFET 52 durch die digitalen Ausgaben 55, 56 des Mikrokontrollers 60 ausgeschaltet. Der MOSFET 40 wird ausgeschaltet, da sein Gate über das Heizungselement 42 und die intrinsische Diode des MOSFET 40 zu seiner Source gezogen wird. Der MOSFET 43 wird auch ausgeschaltet, da sein Gate über das Heizungselement 42 und die intrinsische Diode des MOSFET 40 zu seiner Source gezogen wird. Dadurch wird das Heizungselement 42 von der Batterie und von Erde getrennt. Die Knoten 53, 54 werden dann über die Kondensatoren 47, 48, die mit dem Schutz-Ausgang 57 der Signalabfühlschaltung 61 verbunden sind, auf Wechselstrom-Schutzpotential gebracht Die Kondensatoren 47, 48 können auch durch elektronische Schalter, zum Beispiel MOSFETs, ersetzt werden, um das langsame Aufladen und Entladen von Kondensatoren 47, 48 während des Umschaltens vom Heiz- zum Messmodus zu verhindern. Auch kann der Heizteil von den gleichstromvorgespannten Wechselstrom-Schutzknoten und der gleichstromvorgespannten Abfühleingabe der Messschaltung getrennt werden, wie nachstehend für die in
3 veranschaulichte Impedanzmessschaltung beschrieben wird.
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Die Gleichstrom-Vorspannungsquelle 64 und der Vorspannungswiderstand 63 stellen die Gleichstromvorspannung des Knotens 53 ein. Die Gleichstrom-Vorspannungsquelle 66 und der Vorspannungswiderstand 65 stellen die Gleichstromvorspannung des Knotens 54 ein. Die Gleichstromvorspannung des Heizungselements 42 und dadurch der Sources der MOSFETs 40, 43 wird von dem Widerstand 49 und der Gleichspannung der Schutzausgabe 57 eingestellt. Das Gleichstromvorspannen ermöglicht, dass die MOSFETs 40, 43 eine definierte Gleichspannung zwischen ihren jeweiligen Drains und Sources aufweisen, wodurch ihre intrinsischen Dioden in Sperrrichtung gepolt werden, um zu verhindern, dass Messströme durch die Dioden fließen. Zusätzlich verringert eine Gleichstromvorspannung die Drain-Source-Kapazität, was Messfehler durch Erhöhen der Impedanz zwischen Abfühlen und Schutz verringert. Zusätzlich ist das hier eingesetzte konstante Gleichstromvorspannungsverfahren von der Batteriespannung unabhängig und verhindert dadurch die Modulation der Drain-Source-Kapazität der MOSFETs durch Änderungen der Batteriespannung, was die Messgenauigkeit beeinflussen würde. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber der zitierten
US 6,703,845 B2 des Stands der Technik. Zum Beispiel kann die Gleichstromvorspannung des Knotens 53 auf 1 V eingestellt werden, und die Gleichstromvorspannung des Knotens 54 kann auf 4 V eingestellt werden, und die Gleichstromvorspannung des Schutzausgangs 57 und dadurch der Sources der MOSFETs 40, 43 kann auf 2,5 V eingestellt werden.
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Das Heizungselement 42 ist an den Abfühleingang 58 der Signalabfühlschaltung 61 durch den Kondensator 45 oder den Kondensator 46 oder beide Kondensatoren 45, 46 wechselstromgekoppelt. Die Kondensatoren 45, 46 können auch durch elektronische Schalter, zum Beispiel MOSFETs, ersetzt werden, um das langsame Aufladen und Entladen von Kondensatoren 45, 46 während des Umschaltens vom Heiz- zum Messmodus zu verhindern.
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Der Vorteil der Impedanzmessschaltung in
1 im Vergleich zu derjenigen der
US 6,703,845 B2 besteht darin, dass die gemeinsamen Schutzknoten 53, 54 nur ein Paar von MOSFETs 51, 52 erfordern, um den Schutz für alle Kanäle von Batterie und Erde zu trennen, und immer noch eine unabhängige Messung des unbekannten Schein-Leitwertes 1, 1` eines jeden Kanals ermöglichen.
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Als Alternative zur Verwendung eines MOSFET vom PMOS-Typ für den MOSFET 40 kann ein MOSFET 40 vom PMOS-Typ verwendet werden, und die Gate-Schutzschaltung 41 kann auch durch einen MOSFET vom NMOS-Typ ersetzt werden, der ähnlich wie der High-Side-Schalter vom MOSFET 51 arbeitet. In diesem Fall ist ein dedizierter Gate-Treiber erforderlich, aber die Gesamtkosten können aufgrund des geringeren Preises eines MOSFET vom NMOS-Typ immer noch niedriger sein. Diese Option wird zum Beispiel bevorzugt, sofern die MOSFETs und Gate-Treiber in eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) integriert werden können. Der Verpolungsschutz gilt immer noch aufgrund des Vorliegens des MOSFET 43.
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Wie in 1 gezeigt ist, sind die Gleichstromvorspannungen der Knoten 53 und 54 durch die Gleichstromvorspannungsquellen 64 bzw. 66 definiert, und die Gleichstromvorspannung der Heizung 42 ist durch die Gleichspannung des Schutzausgangs 57 definiert. Alternativ kann die Gleichstromvorspannung der Heizung 42 auch durch Einspeisen eines bekannten Gleichstroms in das obere Ende des Widerstands 49 definiert werden, wodurch eine Verschiebung des Gleichstrompegels geschaffen wird, und die Gleichstromvorspannung von einem der Knoten 53 oder 54 kann durch die Gleichspannung des Schutzausgangs 57 anstatt durch eine Kombination aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer Gleichstromvorspannungsquelle definiert werden. Dies gilt auch für die Schaltung in 3. Auch kann anstelle der Verwendung der Kombination aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer Gleichspannungsquelle die Gleichstromvorspannung von irgendeinem der Knoten 53, 54 auch durch Verwendung eines zusätzlichen dedizierten Schutzspannungstreibers mit einem geeigneten Gleichspannungspegel erzeugt werden. Dies gilt auch für die Schaltung in 3.
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2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung, bei der mehrere elektrische Heizungselemente 42, 42`, zum Beispiel Lenkrad- oder Sitzheizungselemente, als kapazitive Abfühlelektroden in einem Gleichstrom-Schutzmodus verwendet werden. In 2 sind zwei Kanäle gezeigt, aber die Anzahl kann auch eins oder mehr als zwei betragen. Ein Kanal wird nachstehend beispielhaft beschrieben, und die Beschreibung gilt für jeden Kanal.
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Für Heizzwecke wird eine Batteriespannung an den Batteriespannungsanschluss 50 angelegt. Der MOSFET 51, der als High-Side-Schalter dient, und der MOSFET 52 werden durch digitale Ausgaben 55, 56 des Mikrokontrollers 60 geschaltet. Die Gate-Schutzschaltung 41 begrenzt die Gate-Source-Spannung auf unterhalb den maximal zulässigen Wert und umfasst zum Beispiel einen Gate-Reihenwiderstand und zwei umgekehrt verbundene Reihen-Zener-Dioden zwischen Gate und Source von jedem MOSFET 40. Der MOSFET 40, in diesem Fall ein PMOS-Typ, wird eingeschaltet, da sein Gate geerdet wird, wenn der MOSFET 52 den Knoten 54 gegen Erde schaltet. Dadurch wird das Heizungselement 42 mit Strom versorgt und heizt.
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Die Anordnung des MOSFET 40 bietet einen Schutz des Heizungselements 42 und des Schaltkreises vor einer umgekehrten Verbindung der Batterie ohne zusätzliche Kosten für dedizierte Komponenten.
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Zu kapazitiven Messzwecken werden der MOSFET 51 als High-Side-Schalter und der MOSFET 52 durch die digitalen Ausgaben 55, 56 des Mikrokontrollers 60 ausgeschaltet. Der MOSFET 40 wird ausgeschaltet, da sein Gate über das Heizungselement 42 zu seiner Source gezogen wird. Dadurch wird das Heizungselement 42 von Batterie und Erde getrennt.
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Die Gleichstrom-Vorspannungsquelle 64 und der Vorspannungswiderstand 63 stellen die Gleichstromvorspannung des Knotens 53 ein. Die Gleichstromvorspannung des Heizungselements und dadurch der Source des MOSFET 40 und des Drain des MOSFET 52 wird durch den Widerstand 49 und die Gleichstromvorspannungsquelle 67 eingestellt. Das Gleichstromvorspannen ermöglicht, dass die MOSFETs 40, 52 eine definierte Gleichspannung zwischen ihren jeweiligen Drains und Sources aufweisen, wodurch ihre intrinsischen Dioden in Sperrrichtung gepolt werden, um zu verhindern, dass ein Messstrom durch die Dioden fließt. Zusätzlich verringert eine Gleichstromvorspannung die Drain-Source-Kapazität, was Messfehler durch Erhöhen der Impedanz zwischen Abfühlen und Wechselstromerdung verringert. Zusätzlich ist das hier eingesetzte konstante Gleichstromvorspannungsverfahren von der Batteriespannung unabhängig und verhindert dadurch die Modulation der Drain-Source-Kapazität der MOSFETs durch Änderungen der Batteriespannung, was die Messgenauigkeit beeinflusst. Zum Beispiel kann die Gleichstromvorspannung des Knotens 53 auf 1,0 V eingestellt werden und die Source des MOSFET 40 kann auf 2,5 V eingestellt werden.
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Der Vorteil der in
2 gezeigten Impedanzmessschaltung im Vergleich zum Stand der Technik
WO 2015/052667 A1 besteht darin, dass die Abhängigkeit der MOSFET-Kapazitäten von der Batteriespannung und dadurch die Abhängigkeit des Messfehlers von der Batteriespannung, die in der
WO 2015/052667 A1 vorliegt, ausgeschaltet wird. Der Vorteil der in
2 gezeigten Impedanzmessschaltung im Vergleich zu denjenigen, die in
1 und in der
US 6,703,845 B2 gezeigt sind, besteht darin, dass sie weniger komplex und daher kosteneffizienter als die in
1 gezeigte Impedanzmessschaltung ist, und auch als die in
3 der
US 6,703,845 B2 veranschaulichten Schaltung ist.
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Ein weiterer Vorteil der in
2 gezeigten Impedanzmessschaltung besteht darin, dass kein Wechselstrom-Schutz erforderlich ist, was die Anwendung von einfachen Messschaltungen für die Signalabfühlschaltung 61 ermöglicht, zum Beispiel eine kapazitive Messschaltung, die auf dem geschalteten Kapazitätsprinzip basiert, wie in der
US 2012/0286800 A1 beschrieben ist.
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Diagnosen der Abfühlelektroden, welche in diesem Fall die Heizungselemente 42, 42' sind, sind häufig erforderlich. Für die in 1 und 2 gezeigten Impedanzmessschaltungen können Diagnosen umgesetzt werden, indem die Heizungselemente 42, 42' für eine kurze Zeit eingeschaltet werden und der ADC des Mikrokontrollers 60 verwendet wird, um die Batteriespannung und den tatsächlich aus dem MOSFET 51 über dessen Stromabfühlausgang fließenden Strom zu messen, der gesamte parallel geschaltete Heizungselementwiderstand durch Teilen der gemessenen Spannung durch den gemessenen Strom berechnet wird und der gemessene Widerstand mit einem Schwellenwert verglichen wird.
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Die Unversehrtheit der Verbindung der Signalabfühlschaltung 61 zu den MOSFETs 40, 43 und die Unversehrtheit der MOSFETs 40, 43 kann durch Messen der Impedanz zwischen Abfühlen und Schutz diagnostiziert werden. Die Impedanz ist im Wesentlichen aus den parallel geschalteten Drain-Source- und Gate-Source-Impedanzen der MOSFETs 40, 43 zusammengesetzt. Sofern die gemessene Impedanz erheblich von den parallel geschalteten Nennkapazitäten des Drain-Source/Gate-Source-MOSFET abweichen, ist das Ergebnis der Unversehrtheitsdiagnose negativ. Die Unversehrtheitsdiagnose der MOSFETs 40, 43 ist wichtig, um eine Wechselstromquerleitung zwischen den Heizungselementen, die zu einer Querkopplung der verschiedenen Messkanäle führt, zu diagnostizieren.
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3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Impedanzmessschaltung gemäß der Erfindung, die die Zeit zwischen einem Ende des Heizens und einem Beginn der Messung durch Trennen des Heizteils der Schaltung von dem Messteil erheblich reduziert, wodurch ein Laden oder Entladen der Kondensatoren, was für den Wechselstrom-Schutz bzw. die Wechselstromkopplung des Abfühlknotens notwendig ist, vermieden wird.
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Der Unterschied zu der in 1 gezeigten Impedanzmessschaltung besteht darin, dass die Spannung der Vorspannungsquelle 66 auf 5,0 V eingestellt ist.
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Beim Heizen schaltet der Mikrokontroller 60 die MOSFETs 100, 101 über Steuerausgaben 102, 103 aus. Der MOSFET 104 wird ausgeschaltet, da sich sein Gate auf einer etwas geringeren Spannung als seine Source befindet, wobei die Spannungsdifferenz zwischen Gate und Source durch den Spannungsabfall durch den MOSFET 43 in seinem EIN-Zustand definiert ist. Der MOSFET 104 ist durch die Gate-Schutzschaltung 105 geschützt.
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Nach dem Deaktivieren des Heizens und vor dem Starten der Messung schaltet der Mikrokontroller 60 die MOSFETs 100, 101 ein. Der Knoten 54 wird auf eine Gleichspannung von 5,0 V gebracht, angetrieben durch die Gleichspannungsquelle 66, die in diesem Fall eine Gleichspannung von 5,0 V erzeugt. Da der Drain des MOSFET 104 auf 2,5 V eingestellt ist und seine Source auf einer Spannung gehalten wird, die kleiner als die Summe von 2,5 V und der Durchlassspannung der internen Diode des MOSFET 104 ist, schaltet sich der MOSFET 104 auch ein. Vorausgesetzt, dass die Kondensatoren 46, 47, 48 erheblich größer als die Parasitärkapazitäten der MOSFETs 51, 40, 43, 52 gewählt sind, tritt keine erhebliche Ladung aus den Kondensatoren 46, 47 oder 48 aus, und die Einschwingzeit der Knoten 53, 54 und des Abfühlknotens werden erheblich reduziert.
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Die Verbindung des Gate des MOSFET 104 mit dem Knoten 54 ermöglicht den Wechselstrom-Schutz des Gate des MOSFET 104, wodurch ein Messfehler verringert wird. Eine weitere Option besteht darin, das Gate des MOSFET 104 direkt durch den Mikrokontroller 60 oder über einen dedizierten geschützten Gate-Treiber anzutreiben.
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Während die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
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Andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen können von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung, durch Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“ oder „einer“ schließen keine Mehrheit aus, was eine Menge von mindestens zwei ausdrücken soll. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in sich voneinander unterscheidenden Unteransprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Keines der Bezugszeichen in den Ansprüchen soll als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
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Liste der Bezugssymbole
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- 40
- MOSFET
- 41
- Gate-Schutzschaltung
- 42
- elektrisches Heizungselement
- 43
- MOSFET
- 44
- Gate-Schutzschaltung
- 45
- Kondensator
- 46
- Kondensator
- 47
- Kondensator
- 48
- Kondensator
- 49
- Widerstand
- 50
- Batterieversorgungsanschluss
- 51
- MOSFET
- 52
- MOSFET
- 53
- wechelstromgeschützter Knoten
- 54
- wechelstromgeschützter Knoten
- 55
- digitale Ausgabe
- 56
- digitale Ausgabe
- 57
- Schutzausgang
- 58
- Abfühleingang
- 59
- Signalerzeugungseinheit
- 60
- Mikrokontroller
- 61
- Signalabfühlschaltung
- 62
- Leitung
- 63
- Widerstand
- 64
- Gleichstromvorspannungsquelle
- 65
- Widerstand
- 66
- Gleichstromvorspannungsquelle
- 67
- Gleichstromvorspannungsquelle
- 68
- elektrische Heizungselementverbindungsschaltung
- 69
- ADC
- 100
- MOSFET (NMOS-Typ)
- 101
- MOSFET (PMOS-Typ)
- 102
- Mikrokontroller-Steuerausgang
- 103
- Mikrokontroller-Steuerausgang
- 104
- MOSFET (NMOS-Typ)
- 105
- Gate-Schutzschaltung
- GND
- Erde
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/062824 A1 [0012]
- WO 2015/052667 A1 [0016, 0084]
- US 2010/0038351 A1 [0017]
- US 6703845 B2 [0018, 0072, 0073, 0074, 0076, 0084]
- US 2011/0148648 A1 [0019]
- EP 3048029 A1 [0020]
- US 2016/0101805 A1 [0021]
- US 2012/0286800 A1 [0085]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Computer Graphics and Applications, 18(3): 54-60 [0007]
