DE19522156C1 - Verfahren zum Schalten von Lasten und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten von Lasten und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekannte, insbesondere in der Kraftfahrzeug-Elektronik ver­ wendete Endstufen mit Kurzschlußschutz und Diagnosefunktion sind relativ aufwendig gebaut.

Aus der DE 41 00 790 A1 ist eine über einen Ausgangsport ei­ nes Mikroprozessors steuerbare Leistungsendstufe zum Schalten einer Last mit einem Steuer- und einem Schalttransistor be­ kannt, bei der das Ausgangssignal eines vom Schalttransistors angesteuerten Flip-Flop′s dem Mikroprozessor über ein Bussy­ stem zuführbar ist. Im Falle eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung wird das Flip-Flop gesetzt, worauf mittels ei­ nes vom Mikroprozessor über ein Bussystem aus gegebenen Reset­ signals das Steuersignal über den Steuertransistor beendet und das Flip-Flop zurückgesetzt wird.

Aus DE 32 35 851 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum An- und Abschalten einer Versorgungsspannung an einen bzw. von einem Verbraucher bekannt, wobei der Verbraucher ein Mikroprozessor ist. Im Fall, daß die Versorgungsspannung einen vorgegebenen ersten Spannungswert erreicht, wird sie über eine Selbsthal­ teschaltung an den Verbraucher gelegt. Die Selbsthalteschal­ tung wird wieder gesperrt und damit abgeschaltet, wenn die Versorgungsspannung einen vorgegebenen zweiten, niedrigeren Spannungswert unterschreitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schalten von Lasten mit Kurzschlußschutz und Diagnosefunktion anzugeben und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Ver­ fahrens zu schaffen, bei welchem gegenüber dem aus der DE 41 00 790 A1 bekannten Verfahren die Leistungsendstufe im Fehlerfall direkt und ohne Umweg über den Mikroprozessor ab­ schaltbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Pa­ tentansprüche 1 und 3 gelöst.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung einer Low-Side-Bipolar-Schaltendstufe,

Fig. 2 Signaldiagramme der Steuerimpulse und Ausgangspoten­ tiale zur Schaltung nach Fig. 1, und

Fig. 3 die Schaltung einer High-Side-Bipolar-Schaltendstufe.

Bei der in Fig. 1 gezeigten schematischen Schaltung einer insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendbaren Low-Side-Bipo­ lar-Schaltendstufe (so genannt, weil der Schalttransistor mit dem Minuspol, der "low side" der Arbeitsspannungsquelle ver­ bunden ist) mit zwei Transistoren T1 und T2 liegt die Reihen­ schaltung einer ohmschen oder induktiven Last RL und eines Schalttransistors T1 zwischen Pluspol U+ und Minuspol GND ei­ ner Arbeitsspannungsquelle, beispielsweise 12V.

Die Schaltendstufe wird über einen I/O-Port P eines Mikropro­ zessors µP, der an einer Versorgungsspannung (beispielsweise 5V) mit den Polen +Vcc und GND liegt, angesteuert. Der I/O- Port P ist über einen ersten Widerstand R1 mit dem Kollektor­ anschluß C1 des npn-Schalttransistors T1 und über einen zwei­ ten Widerstand R2 mit dem Basisanschluß B2 des pnp-Steuer­ transistors T2 verbunden. Der Kollektoranschluß C2 des Steu­ ertransistors T2 ist mit dem Basisanschluß des Schalttransi­ stors T1 verbunden und der Emitteranschluß E2 des Steuertran­ sistors T2 ist mit dem Pluspol einer Hilfsspannungsquelle Vh verbunden, deren Minuspol ebenfalls mit dem Minuspol GND der Arbeitsspannungsquelle identisch ist.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltung wird an­ hand der in Fig. 2 dargestellten Signaldiagramme nachstehend erläutert.

Fig. 2a zeigt die Schaltimpulse zum Ein- und Ausschalten der Endstufe, Fig. 2b die Ausgangspotentiale der Endstufe und Fig. 2c den jeweiligen Konfigurationszustand des I/O-Ports.

Im Anfangszustand zum Zeitpunkt to sei die Schaltendstufe ausgeschaltet, an dem auf "Ausgang" konfigurierten I/O-Port P (Fig. 2c) liegt ein Ausgangsschaltimpuls A (H-Potential in Fig. 2a), beide Transistoren T1 und T2 sind nichtleitend, und durch die Last fließt kein Strom.

Zum Einschalten der Schaltendstufe im Zeitpunkt t3 wird vom Mikroprozessor µP über den weiterhin auf "Ausgang" konfigu­ rierten I/O-Port P ein kurzer (beispielsweise 10 µs langer) Einschaltimpuls E (L-Potential in Fig. 2a) ausgegeben. Durch diesen Einschaltimpuls E wird der Steuertransistor T2 leitend und damit auch der Schalttransistor T1 (L-Potential am Kol­ lektor C1, Fig. 2b). Die beiden Transistoren T1 und T2 hal­ ten sich nun selbst leitend. Der Einschaltimpuls E wird da durch beendet, daß der I/O-Port P zum Zeitpunkt t4 auf "Eingang" konfiguriert wird.

Im Einschaltzustand (Fig. 2c und gepunktete Linie zwischen t4 und t5 in Fig. 2a) kann mittels des auf "Eingang" konfi­ gurierten I/O-Ports P eine Fehlerdiagnose mit Speicherung von Fehlern im Mikroprozessor µP durchgeführt werden. Liegt L-Po­ tential am I/O-Port P, so liegt kein Fehler vor. Liegt hin­ gegen H-Potential am I/O-Port P (strichpunktiert in Fig. 2b), so liegt entweder ein Kurzschluß der Last nach U+ oder eine Unterbrechung des Schalttransistors T1 vor.

Soll die Schaltstufe länger eingeschaltet bleiben, so kann die Abfrage des I/O-Ports P (per Software) zyklisch wieder­ holt werden, um eventuell inzwischen aufgetretene Fehler feststellen zu können.

Zum Nichtleitendschalten des Schalttransistors T1 (Ausschal­ ten der Schaltendstufe) wird der I/O-Port P zum Zeitpunkt t5 wieder auf "Ausgang" konfiguriert (Fig. 2c) und ein Aus­ schaltimpuls mit H-Potential ausgegeben (Fig. 2a). Durch diesen Ausschaltimpuls wird die Selbsthaltung unterbrochen und die beiden Transistoren werden nichtleitend. Der Aus­ schaltimpuls bleibt während der Ausschaltdauer (t5 bis t9) bestehen. Das hat den Vorteil, daß die Schaltendstufe durch Störimpulse nicht eingeschaltet werden kann, da über den Rückkopplungszweig R1/R2 ein dauerhafter Ausschaltimpuls ein­ geprägt ist.

Auch im Ausschaltzustand (t0 bis t3 und t6 bis t9) kann durch kurzzeitige Konfiguration des I/O-Ports P auf "Eingang" (t1 bis t2 und t7 bis t8, gepunktete Linien in Fig. 2a) eine Fehlerdiagnose (ebenfalls mit Speicherung von Fehlern im Mi­ kroprozessor µP) durchgeführt werden. Liegt in diesem Zeit­ raum H-Potential am Port P (Fig. 2b), so liegt kein Fehler vor. Liegt hingegen L-Potential am Port P (strichlierte Linie in Fig. 2b), so liegt entweder ein Kurzschluß des Schalt­ transistors T1 nach GND oder eine Unterbrechung der Last RL vor.

Soll die Schaltstufe weiterhin ausgeschaltet bleiben, so kann auch in diesem Fall die Abfrage des I/O-Ports P (per Softwa­ re) zyklisch wiederholt werden.

Wird die Last RL bei bestehendem Kurzschluß nach U+ einge­ schaltet, so wird während des Einschaltimpulses das Potential am Kollektoranschluß C1 aufgrund des hohen Laststromes und der Sättigungsspannung des Transistors T1 auf ein Potential größer oder gleich der Hilfsspannung Vh angehoben, so daß die Selbsthaltung nicht aktiviert werden kann und die Endstufe ausgeschaltet bleibt.

Tritt der Kurzschlußfall nach U+ während des Einschaltzustan­ des auf, so steigt das Potential am Kollektoranschluß C1 auf­ grund des hohen Laststromes und der Sättigungsspannung des Transistors T1 bis auf die Hilfsspannung Vh an, wodurch die Selbsthaltung deaktiviert und die Endstufe abgeschaltet wird.

Das bedeutet, daß der Schalttransistor T1 im Kurzschlußfall nur einer Impulsbelastung ausgesetzt ist, die, abhängig vom verwendeten Schalttransistor, um ein Vielfaches größer sein darf als die zulässige Dauerbelastung. Deshalb muß der Schalttransistor nicht, wie bisher üblich, zur Absicherung des Kurzschlußfalles überdimensioniert werden.

Auch ist es möglich,durch Verändern der Hilfsspannung Vh, die in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beispielsweise auf Vh = +3V (0 Vh Vcc) festgesetzt sei, die Abschaltschwelle für den Kurzschlußstrom in gewissen Grenzen zu verändern.

Fig. 3 zeigt die schematische Schaltung einer High-Side-Bi­ polarendstufe, die funktionsmäßig der Schaltung nach Fig. 1 entspricht, bei der jedoch (gegenüber der Schaltung nach Fig. 1) Last RL und Schalttransistor T1 miteinander vertauscht sind und der Schalttransistor T1 ein pnp-Transistor sowie der Steuertransistor T2 ein npn-Transistor ist.

Das Prinzip der Erfindung beruht darauf, daß die Endstufe durch kurze Impulse geschaltet wird, über eine Selbsthalte­ funktion eingeschaltet bleibt und durch einen Ausschaltimpuls oder durch auftretende Fehler deaktiviert wird, wobei Schalt- und Diagnosesignale denselben Signalweg benutzen.

Die aus elektrischen/elektronischen Bauelementen aufgebaute elektronische Schaltung nach Fig. 1 oder 3 kann ebensogut als hydraulische oder pneumatische Schaltung mit hydrauli­ schen oder pneumatischen Bauelementen erstellt werden, wobei die Spannungsimpulse durch Druckimpulse und die verschiedenen Potentiale beispielsweise durch Kolbenstellungen von Hydrau­ lik- oder Pneumatik-Zylindern dargestellt werden können. Die Ausgangssignale des Mikroprozessors müssen dann in entspre­ chende hydraulische oder pneumatische Signale umgewandelt werden (umgekehrt die Eingangssignale von hydraulischen oder pneumatischen in elektrische Signale) oder es müssen die er­ forderlichen Mikroprozessorfunktionen durch hydraulische oder pneumatische Schaltungen gebildet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Schalten einer Last (RL), bei welchem eine vor Kurzschluß und Unterbrechung geschützte Schaltendstufe mit einem Steuertransistor (T2) und einem Schalttransistor (T1) von einem Mikroprozessor (µP) angesteuert wird,
die Schaltendstufe durch vom Mikroprozessor (µP) erzeugte und über einen I/O-Port (P) des Mikroprozessors ausgegebene Schaltimpulse (E, A) ein- und ausgeschaltet wird und im Einschaltzustand durch eine Selbsthalteschaltung einge­ schaltet bleibt,
der I/O-Port (P) des Mikroprozessors (µP)

• a) während der Ausgabe von Einschaltimpulsen (E) auf "Aus­ gang" konfiguriert ist, wobei die Einschaltimpulse durch Umkonfiguration auf "Eingang" beendet werden,
• b) während des Einschaltzustandes auf "Eingang" konfigu­ riert ist und in diesem Zustand das Ausgangspotential der Schaltendstufe ab fragen kann, und
• c) während des Ausschaltzustandes auf "Ausgang" konfigu­ riert ist und einen dauerhaften Ausschaltimpuls (A) ab­ gibt, welcher für die Dauer einer Abfrage des Ausgangspo­ tentials der Schaltendstufe durch Umkonfiguration auf "Eingang" unterbrochen werden kann, und

die Selbsthaltefunktion der Selbsthalteschaltung bei einem Kurzschluß oder einer Leitungsunterbrechung der Last (RL) oder des Schalttransistors (T1) der Schaltendstufe nicht eintritt oder beendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei länger dauerndem Einschalt- oder Ausschaltzustand die Abfrage des Ausgangspotentials der Schaltendstufe in vorgegebenen Ab­ ständen zyklisch erfolgt.

3. Schaltendstufe zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, mit einer zwischen Pluspol (U+) und Minuspol (GND) einer Arbeitsspannungsquelle liegenden, von dem Mikropro­ zessor (µP) ansteuerbaren Reihenschaltung der Last (RL) mit dem Schalttransistor (T1), und mit dem Steuertransistor (T2), dadurch gekennzeichnet,
daß ein mit dem I/O-Port (P) des Mikroprozessors (µP) verbun­ dener erster Widerstand (R1) mit dem Kollektoranschluß (C1) des Schalttransistors (T1) und ein ebenfalls mit dem I/O- Port (P) verbundener zweiter Widerstand (R2) mit dem Basis­ anschluß (B2) des Steuertransistors (T2) verbunden ist,
daß der Kollektoranschluß (C2) des Steuertransistors (T2) mit dem Basisanschluß (B1) des Schalttransistors (T1) verbunden ist, und
daß der Emitteranschluß (E2) des Steuertransistors (T2) mit einer Hilfsspannungsquelle (Vh) verbunden ist.