DE19524718C2 - Schutzschaltung für Sensoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Schutz eines gleichspannungsver­ sorgten Sensors gegen fehlerhafte Spannungsversorgung, insbesondere für den Bereich der Fahrzeugelektronik.

Sensoren dienen zum Umsetzung einer physikalischen - oft nicht elektrischen - Größe in eine elektrische Größe. Im Kraftfahrzeugbereich gehören sie zur Schnittstelle zwi­ schen dem Fahrzeug und einer digitalen Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung (Steuergerät).

Aus der US 5 410 441 ist es bekannt, ein gleichspannungsbetriebenes elektrisches Ge­ rät über gegensinnig geschaltete Feldeffekttransistoren zu versorgen.

Schutzschaltungen für Sensoren sind aus der DE 43 42 053 A1 und der DE 42 41 822 A1 bekannt.

Die DE 43 42 053 A1 zeigt eine kurzschlußfeste Verpolschaltung mit geringer tempe­ raturabhängiger Spannungsdrift für einen Kfz-tauglichen Geber, insbesondere für ei­ nen Beschleunigungsgeber, wobei in der parallel zum Eingang der Geberelektronik zwischen den beiden Versorgungsleitungen angeordnete Steuerleitung eines invers aktiv betriebenen Transistors, der keine parasitäre Dioden aufweisen darf, eine Diode und ein ohmscher Widerstand vorgesehen sind, wobei die Anode der Diode mit der Basis des Transistors verbunden ist.

Aus der DE 42 41 822 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Sensors gegen Überspannung bekannt, bei welcher der Sensor eine Brückenschaltung aus vier Widerständen ist, der über einen temperaturabhängigen Widerstand zwischen der Ver­ sorgungsspannung und Masse liegt und dessen Ausgangssignal über einen Operations­ verstärker verstärkt wird. Das so verstärkte Signal wird über eine Stromspiegelschal­ tung und eine Widerstandskombination weiterverstärkt, wobei die Stromspiegelschal­ tung eine Entkopplung zwischen dem Operationsverstärker und dem Ausgang bewirkt. Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß eine Verpolung der Versorgungs­ spannung nicht zur Zerstörung des Sensors führt und daß bei einem Kurzschluß des Ausgangs der Schaltungsordnung nach der Versorgungsspannung ebenfalls ein Schutz des Sensors gewährleistet ist.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Schutzschaltung für Sensoren zu schaffen, die den Sensor auf einfache Weise gegen die wichtigsten Fehlerfälle, insbesondere gegen feh­ lerhafte Spannungsbeschaltung schützt.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch den Gegenstand des Anspruches 1.

Vorteilhafte Varianten der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung eine Schutzschaltung, mit der in vorteilhafter Weise Problemfälle, wie "Überspannung", "Unterspannung", "Masseabriß" erkannt werden und Beschädigungen vermieden werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzschaltung zum Schutz des Sensors mit vorgegebener Versorgungsspannung in einem Netz mit höherer Versorgungsspannung ausgelegt ist.

Ein Vorteil der Schutzschaltung ergibt sich dadurch, daß die Schutzschaltung auch die Versorgungsspannung für den Sensor erzeugt, d. h. die Schutzschaltung erzeugt in Be­ zug auf den Sensor in der zu messenden Größe keinen nennenswerten Fehler (< 1% Fehler).

Schließlich ist es besonders vorteilhaft, daß dem Sensor (bis auf einige mV, d. h. ein kleiner Betrag) die volle vorgesehene Versorgungsspannung zugeführt wird. Die Funktion des Sensors wird daher durch die Schutzschaltung nicht beeinträchtigt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei auch weitere Vorteile der Erfindung deutlich werden. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 2 einen Schaltplan zur Realisierung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1.

Zunächst sei das Blockschaltbild der Fig. 1 beschrieben.

Ein Sensor S1 wird über gegensinnig geschaltete MOS-Fet's M1, M1' M2, M2' in der Versorgungsleitung VL und in der Masseleitung ML versorgt. Die Gatespannung der MOS-Fet's M1, M1', M2, M2' wird durch eine Ladungspumpe erzeugt. Die Schutzschaltung weist Schaltungsabschnitte zum Schutz gegen Überspannung an UB, Unterspannung, Masseabriß, Verpolung Masse gegen UB, Uout < UB, Verpolung Masse gegen UOUT und Überspannung an OUT auf. Die Schutzschaltung wirkt bei Fehlerfällen - z. B. bei fehlerhafter Beschaltung - derart auf die Spannungsversorgung des Sensors ein, daß Beschädigungen vermieden werden.

Die Ladungspumpe ist verpolsicher und abschaltbar ausgeführt. Die Fehlerfälle Überspannung an der Versorgung, Überspannung am Sensorausgang, Unterspannung, Masseabriß, Vertauschung der Masse mit der Versorgung, Vertauschung des Sensorausgangs mit der Versorgung und Vertauschen des Sensorausgangs mit der Masse werden erkannt und die Gatespannung der MOS-Fet's wird zum jeweils niedrigsten Potential geschaltet. Die Gatespannung ist so begrenzt, daß sie in keinem Fall einen zu großen Wert gegen einen der drei Potentialpunkte annehmen kann.

Die Schutzschaltung schützt z. B. einen Sensor, der für eine niedere Versorgungsspannung (z. B. 5 V) ausgelegt ist derart, daß er in einem Netz mit höherer oder gleicher Spannung, als der spezifizierten Betriebsspannung, gegen alle möglichen Verpolungs- und Vertauschungsfehler geschützt ist.

Die Schaltung ist dabei derart ausgelegt, daß an einem definierten Lastwiderstand im Fehlerfall keine im Meßbereich (z. B. 1 V . . 4 V) liegende Spannung anliegen kann.

Nachfolgend sei der Schaltplan der Fig. 2 beschrieben.

Hier bezeichnen einfache Ziffern den Schaltungabschnitt, dem das entsprechende Bauteil - bezeichnet mit Kennbuchstaben + Ziffer - zuzuordnen ist.

Schaltungsabschnitt 1: Dieser Schaltungsabschnitt bezeichnet die Ladungspumpe, welche einen Oszillator OSZ aufweist und die zur Erzeugung einer Steuerspannung für die MOS-Fet's M1, M1' und M2, M2' dient. Im vorliegenden Fall ist die Ladungspumpe lediglich exemplarisch dargestellt, sie ist natürlich auch in anderer Weise realisierbar: so kann z. B. der Oszillator OSZ mit Invertern realisiert werden.

Schaltungsabschnitt 2: Die Verpolschutzdiode D1 (Schaltabschnitt 2) verhindert bei einer Verpolung den Stromfluß durch die Ladungspumpe 1.

Schaltabschnitt 3: Der Entladekreis für die Ladungspumpe besteht aus einem Entladewiderstand R1 und einer Diode D2 gegen Verpolung. Der Entladekreis entlädt die Ladungspumpe, um im Fehlerfall die Gatespannung der MOS-Fet's M1, M1' und M2, M2' schneller abzuschalten.

Schaltabschnitt 4: Der Anschaltkreis für die Ladungspumpe versorgt die Ladungspumpe bei fehlerfreiem Betrieb. Die Ladungspumpe wird von einem PNP-Transistor T1 geschaltet. Ein NPN-Transistor T2 ist zur logisch richtigen Anbindung der Fehlererkennung an die Abschaltung erforderlich. Im Fehlerfall von Masseabriß, Unterspannung, Überspannung an der Versorgung und Überspannung am Sensorausgang wird die Ladungspumpe durch den Anschaltkreis gesperrt. Die Diode D3 dient zum Schutz der Transistoren gegen Verpolungen.

Schaltungsabschnitt 5: Dieser Schaltungsteil ist derart ausgelegt, daß der Anschaltkreis erst freigegeben wird, wenn genügend Spannung vorhanden ist. Der Spannungspegel wird durch die Z-Diode Z1 und den Widerstand R2 gegen Masse festgelegt. Der Transistor T3 schaltet erst durch, wenn die Versorgungsspannung einen vorgegebenen Pegel überschreitet. Damit werden Unterspannung und Masseabriß sensiert. Die Dioden D4, D5 dienen dem Verpolschutz dieses Schaltungsteils.

Schaltungsabschnitt 6: Dieser Schaltungsabschnitt - der Abschaltkreis für Unterspannung und Masseabriß - sperrt bei diesen Fehlern den Transistor T4 und somit auch den Anschaltkreis. Die Diode D6 dient dem Verpolungsschutz.

Schaltungsabschnitt 7: Eine Z-Diode Z2 und ein Widerstand R3 legen die Schaltschwelle für einen Transistor T5 (in Abschnitt 8) fest. Bei Überspannung an der Versorgung und/oder am Sensorausgang werden die Z-Dioden leitend und schalten den Transistor T5. Die Dioden D7 und D8 dienen dem Verpolschutz.

Schaltungsabschnitt 8: Der Transistor T5 schaltet bei Überspannung an der Versorgung und/oder am Sensorausgang die Gatespannung gegen Masse.

Schaltungsabschnitt 9: Ein Transistor T6 sperrt bei Überspannung an der Versorgung und/oder am Sensorausgang den Anschaltkreis und schaltet somit die Ladungspumpe ab.

Schaltungsabschnitt 10: mit einem Widerstand R4 und Dioden D9, D10 ist die Gatespannung verpolsicher an die Überspannungsabschaltung angebunden.

Schaltungsabschnitt 11: Bei einer Verpolung des Sensorausgangs und/oder der Masse mit der Versorgung wird ein Transistor T7 über eine entsprechende Diode D11 und einen Widerstand R5 leitend und schaltet die Gatespannung gegen Versorgung, d. h. die MOS-Fet's M1, M2 werden abgeschaltet, da in diesem Fall am Versorgungspin das niedrigste Potential anliegt.

Schaltungsabschnitt 12: Dieser Abschnitt realisiert mittels Dioden D12 und D13 und einen Widerstand R6 eine verpolsichere Anbindung der Gatespannung an die Abschaltung bei einer Verpolung gegen die Versorgung.

Schaltungsabschnitt 13: Bei einer Verpolung von Masse und Sensorausgang wird ein Transistor T8 über eine Diode D14 und einen Widerstand R7 leitend und schaltet die Gatespannung gegen den Sensorausgang, der in diesem Fall das niedrigste Potential ist.

Schaltungsabschnitt 14: Mittels dieses Abschnittes wird über Dioden D15 und D16 sowie den Widerstand R9 eine verpolsichere Anbindung der Gatespannung an die Abschaltung bei einer Verpolung von Masse und Sensorausgang realisiert.

Schaltungsabschnitt 15: Hier wird die Gatespannung durch den Widerstand R8 (zur Strombegrenzung beim Leitendwerden der Dioden) und die Z-Dioden Z3, Z4 und Z5 auf einen Wert unterhalb der maximalen Gate-Source-Spannung begrenzt. Die Begrenzung ist gegen jeden der drei möglichen Potentialpunkte ausgeführt. Dioden D17, D18 und D19 dienen zum Schutz im Falle von Verpolungen.

Schaltungsabschnitt 16: die gegensinnig geschalteten MOS-Fet's M1, M1' und M2, M2' dienen zur Abschaltung der Sensorspannung bei Auftreten eines Fehlers. Die gegensinnige Auslegung verhindert einen Stromfluß durch die parasitäre Diode der MOS-Fet's bei Verpolung. Im Fehlerfall wird die Gatespannung der Fet's immer gegen das niedrigste Potential geschaltet.

Claims (7)

1. Schutzschaltung zum Schutz eines gleichspannungsversorgten Sensors (S1) gegen fehlerhafte Spannungsversorgung, insbesondere für den Bereich der Fahrzeugelektronik,
wobei der Sensor (S1) drei Anschlüsse (U_B1, GND, OUT) aufweist, von denen einer eine Ausgangsspannung abgibt und von denen die weiteren über eine Versorgungsleitung (VL) und eine Masseleitung (ML) mit Spannung versorgt werden,
wobei der Sensor (S1) über gegensinnig geschaltete MOSFETs (M1, M1', M2, M2') versorgt wird, die jeweils in die Versorgungsleitung (VL) und die Masseleitung (ML) geschaltet sind und
wobei Schaltungsabschnitte zum Detektieren der fehlerhaften Span­ nungsversorgung vorgesehen sind, denen als Eingangsgrößen die Masse (GND), die Versorgungsspannung (UB) und die Ausgangs­ spannung (OUT) zugeführt werden und die eine Gateschaltung an­ steuern, welche die Gate-Spannung der MOSFETs (M1, M1', M2, M2') im Fehlerfall zum Anschluß mit dem jeweilig niedrigsten Po­ tential schalten.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
die Gatespannung der MOSFET's (M1, M1'; M2, M2') durch eine Ladungspumpe erzeugt wird, und
die Ladungspumpe verpolsicher und abschaltbar ausgeführt ist.

3. Schutzschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltungsabschnitte die Fehlerfälle "Überspannung an der Versorgung", "Überspannung am Sensorausgang", "Unterspannung", "Mas­ seabriß", "Vertauschung der Masse mit der Versorgung", "Vertauschung des Sensorausgangs mit der Versorgung" und "Vertauschen des Sensorausgangs mit der Masse" detektieren.

4. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gatespannung derart begrenzt ist, daß sie in keinem Fall einen zu großen Wert gegen einen der drei Potentialpunkte annimmt.

5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Entladekreis für die Ladungspumpe aus einem Entla­ dewiderstand (R1) und einer Diode (D2) gegen Verpolung besteht.

6. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Anschaltkreis zur Versorgung der Ladungspumpe bei fehlerfreiem Berieb vorgesehen ist, wobei die Ladungspumpe im Fehlerfall durch den Anschaltkreis gesperrt ist.

7. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Sensor nahezu die volle vorgesehene Versorgungs­ spannung zugeführt wird.