EP1523795A1 - Sensor protection circuit - Google Patents

Sensor protection circuit

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Publication number
EP1523795A1
EP1523795A1 EP03787619A EP03787619A EP1523795A1 EP 1523795 A1 EP1523795 A1 EP 1523795A1 EP 03787619 A EP03787619 A EP 03787619A EP 03787619 A EP03787619 A EP 03787619A EP 1523795 A1 EP1523795 A1 EP 1523795A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
line
circuit
protection circuit
voltage
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03787619A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Maier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental Automotive GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1523795A1 publication Critical patent/EP1523795A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/025—Disconnection after limiting, e.g. when limiting is not sufficient or for facilitating disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
    • H02H9/025—Current limitation using field effect transistors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/20—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess voltage
    • H02H3/202—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess voltage for dc systems

Definitions

  • the invention relates to a sensor protection circuit, in particular for a vehicle electrical system, according to the preamble of claim 1.
  • Numerous sensors are usually used in modern motor vehicles in order to detect the state of the motor vehicle or the surroundings.
  • the sensors can be powered by separate supply lines that are separated from the vehicle electrical system. This offers the advantage that the sensor query is not disturbed by the generally higher load currents of the vehicle electrical system.
  • Protective circuits of the sensors can consist, for example, of Zener diodes or capacitors.
  • the invention is therefore based on the object of making it possible to use known sensors with a short-circuit strength up to a voltage of 12 V in a modern motor vehicle electrical system with a voltage of 42 V without the risk of damage to the sensors in the event of a short circuit ,
  • the invention encompasses the general technical teaching, a
  • Use sensor protection circuit that detects the current rise on the supply line in the event of a short-circuit of a supply line for a sensor and thereby enables the initiation of suitable countermeasures.
  • the sensor's overvoltage protection takes effect. Thanks to fast fault detection and the quick initiation of countermeasures, sensors with a short-circuit strength below the nominal voltage of the vehicle electrical system can be used.
  • the countermeasure in the event of a short circuit can be that the supply line for the sensors is separated by a switching element, which prevents a further increase in current.
  • the supply line for the sensors can be separated either with one pole for the ground line or the voltage line or with two poles for the ground line and the voltage line, preferably using a switching element which is connected in series with a supply line.
  • the switching element for separating the supply line for the sensors can also be controlled externally independently of the current on the supply line, for which purpose the sensor protection circuit preferably has a separate control input.
  • This separate shutdown can be software-controlled, for example, if a short circuit continues for a predetermined period of time.
  • the current measurement on the supply line for the sensors is preferably carried out on the ground line, but in principle it is also possible for the current to be measured on the voltage line of the sensors.
  • the sensor protection circuit according to the invention preferably also has a passive protective circuit in order to prevent damage to the sensors in the event of a short circuit.
  • Such a protective circuit can consist, for example, of capacitors or Zener diodes, these components te can be connected between the two supply lines for the sensors.
  • the components of the passive protective circuit may connect the ground line and / or the voltage line of the sensors to ground.
  • Zener diodes when using Zener diodes as passive protective circuitry, it is advantageous if the Zener diodes in the sensor protective circuit according to the invention have a lower breakdown voltage than the Zener diodes which are usually provided in the sensors as protective circuitry. This is advantageous because after a short transient phase, the short-circuit current then flows exclusively via the Zener diodes in the sensor protection circuit and no longer via the Zener diodes in the sensors, so that the Zener diodes in the sensors only transmit the short-circuit current for one have to wear for a very short period of time.
  • sensor used in the context of the invention is to be understood in general terms and includes all components that are supplied with electricity and supply a measured variable. Lambda sensors, temperature sensors, pressure sensors, inclination sensors and acceleration sensors are only examples here.
  • the invention is also not limited to use in future automotive electrical systems with a mains voltage of 42V. Rather, it is also possible for on-board networks with other mains voltages to be developed on the basis of corresponding standardization, in which the sensor protection circuit according to the invention can also be used.
  • FIG. 1 shows a sensor protection circuit according to the invention with a sensor in the form of a circuit diagram
  • FIG. 2 shows a current limiter circuit of the sensor protection circuit from FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a sensor protection circuit 1 according to the invention, which is used in a motor vehicle electrical system with a line voltage of 42 V in order to be able to operate a conventional sensor unit 2 with a short-circuit resistance of 12 V without the sensor unit 2 in the Damaged or even destroyed in the event of a short circuit.
  • the sensor unit 2 is shown in FIG. 1, but a plurality of sensor units can also be operated on the sensor protection circuit 1, as indicated by the dashed lines.
  • the sensor protection circuit 1 has a ground line 3 and a voltage line 4 for supplying power to the sensor unit 2, the voltage line 4 being connected on the input side to a voltage regulator 5 which regulates the voltage on the voltage line 4 to the operating voltage of the sensor unit 2, which is 5 V in this embodiment.
  • the ground line 3 is connected to ground on the input side, a buffer capacitor C1 being arranged at the input of the sensor protection circuit 1 between the voltage line 4 and the ground line 3.
  • the sensor unit 2 consists of the actual sensor 6, which measures a physical state variable, such as temperature, pressure or the air ratio ⁇ , and outputs a corresponding measurement signal via a signal line 7.
  • a physical state variable such as temperature, pressure or the air ratio ⁇
  • the sensor unit 2 has a passive protective circuit to prevent damage in the event of a short circuit. Prevent damage to the sensor 6, the passive protective circuit of the sensor unit 2 is designed for the previously common vehicle electrical system voltage of 12 V.
  • the Zener diode Dl is therefore connected between the signal line 7 and the ground line 3.
  • the Zener diode D2 is therefore connected between the voltage line 4 and the ground line 3.
  • the passive protective circuit of the sensor unit 2 only offers a short-circuit strength compared to the previously usual on-board electrical system voltage of 12 V, whereas the passive protective circuit of the sensor unit 2 is overwhelmed when used in a modern motor vehicle electrical system with a voltage of 42 V alone.
  • the sensor protection circuit 1 therefore has a current limiter 8, which is arranged in the ground line 3 for the sensor unit 2 and measures the current via the ground line 3, the current limiter 8 being shown in detail in FIG. 2 and described below.
  • the current limiter 8 has a measuring resistor Rl, which is arranged in the ground line 3, so that the voltage drop across the measuring resistor Rl reflects the current flowing through the ground line 3.
  • a MOSFET transistor T1 is arranged in the ground line 3, which, depending on its control, enables both a current limitation and a complete separation of the ground line 3 in the event of a short circuit.
  • the gate connection of the MOSFET transistor T1 is connected to the output of a comparator circuit which consists of two resistors R3, R4 and two transistors T2 and T3.
  • the comparator circuit is connected on the input side to the measuring resistor R1 and thus detects the via
  • the comparator circuit controls the gate connection of the MOSFET transistor T1 in dependence on the electrical current flowing via the ground line 3 in such a way that the current is limited in order to damage the sensor 6 in the event of a short circuit prevent.
  • the current limiter 8 also has a transistor T4 which connects the gate connection of the MOSFET transistor Tl to ground, so that the MOSFET transistor Tl disconnects the ground line 3 when the transistor T4 turns on, since the potential of the gate connection of the MOSFET transistor T1 is then pulled to ground.
  • the control of the transistor T4 takes place via a separate control input 9 and two intermediate resistors R5, R6 by means of a software control which separates the MOSFET transistor Tl when the short-circuit case lasts for a predetermined period of time.
  • the sensor protection circuit 1 to protect the sensor 6 also has a passive protective circuit, which consists of two Zener diodes D3, D4 and three capacitors C2, C3 and C4.
  • the Zener diode D3 is connected between the signal line 7 and the ground line 3 and prevents an overload on the output side of the sensor 6 in the event of a short circuit between the on-board electrical system voltage of 42 V and the signal line 7.
  • the Zener diode D4 is connected between the voltage line 4 and the ground line 3 and prevents an overload on the input side of the sensor 6 in the event of a short circuit between the vehicle electrical system voltage of 42 V and the voltage line 4.
  • the capacitor C2 is connected between the signal line 7 and ground and thus buffers EMC voltage peaks on the signal line 7, which likewise counteracts an overload on the output side of the sensor 6.
  • the capacitor C3, connects the voltage line 4 to the ground line 3 and thus buffers voltage fluctuations at the input of the sensor unit 2 and takes over the current.
  • the capacitor C4 connects the ground line 3 to ground, as a result of which EMC fluctuations in the ground potential on the ground line 3 are suppressed.
  • the passive protective circuit of the sensor protective circuit 1 therefore takes over the short-circuit current from the passive protective circuit of the sensor unit 2, thereby preventing the passive protective circuit of the sensor unit 2 from being overloaded.
  • the current limiter 8 then limits the short-circuit current on the ground line 8 in order to prevent overloading the passive protective circuit of the sensor protective circuit 1. In the event of a persistent short circuit, the control input 9 of the current limiter 8 is then triggered, whereupon the MOSFET transistor T1 completely disconnects the ground line 3.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

The invention relates to a sensor protection circuit for at least one sensor (6), especially in a motor vehicle electric system, comprising at least one supply line (3, 4) for supplying current to the sensor (6) and a current measuring unit (8) for detecting the electric current flowing through the supply line (3), in order to prevent damage to the sensor (6) as a result of excess voltage. Said current measuring unit (8) is connected to a current limiting device or to a switch element in order to limit the current or to disconnect the supply line (3).

Description

Beschreibungdescription
Sensor-SchutzschaltungSensor protection circuit
Die Erfindung betrifft eine Sensor-Schutzschaltung, insbesondere für ein KFZ-Bordnetz , gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a sensor protection circuit, in particular for a vehicle electrical system, according to the preamble of claim 1.
In modernen Kraftfahrzeugen werden üblicherweise zahlreiche Sensoren eingesetzt, um den Zustand des Kraftfahrzeugs oder der Umgebung zu erfassen. Die Stromversorgung der Sensoren kann hierbei durch separate Versorgungsleitungen erfolgen, die von dem KFZ-Bordnetz getrennt sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Sensorabfrage durch die in der Regel wesent- lieh höheren Lastströme des KFZ-Bordnetzes nicht gestört wird.Numerous sensors are usually used in modern motor vehicles in order to detect the state of the motor vehicle or the surroundings. The sensors can be powered by separate supply lines that are separated from the vehicle electrical system. This offers the advantage that the sensor query is not disturbed by the generally higher load currents of the vehicle electrical system.
In KFZ-Bordnetzen ist bisher eine Netzspannung von 12 V üblich, während die Stromversorgung der Sensoren mit einer ge- ringeren Spannung von beispielsweise 5 V erfolgt. Falls nun ein Kurzschluss zwischen einer Versorgungsleitung eines Sensors und der spannungsführenden Leitung des KFZ-Bordnetzes auftritt, so werden die Sensoren mit der höheren Bordnetz- spannung von 12 V beaufschlagt, was zu einer Beschädigung der Sensoren führen könnte. Es ist deshalb bekannt, die Sensoren mit einer passiven SchutzSchaltung zu versehen, die auch bei einem Kurzschluss zwischen einer Versorgungsleitung für die Sensoren und dem KFZ-Bordnetz eine Beschädigung der Sensoren verhindert, so dass die Sensoren bis zu der KFZ-Bordnetz- Spannung von 12 V kurzschlussfest sind. Eine derartigeIn vehicle electrical systems, a mains voltage of 12 V has hitherto been customary, while the sensors are supplied with power at a lower voltage of 5 V, for example. If a short circuit now occurs between a supply line of a sensor and the live line of the vehicle electrical system, the sensors are exposed to the higher vehicle electrical system voltage of 12 V, which could damage the sensors. It is therefore known to provide the sensors with a passive protective circuit which prevents damage to the sensors even in the event of a short circuit between a supply line for the sensors and the vehicle electrical system, so that the sensors up to the vehicle electrical system voltage of 12 V are short-circuit proof. Such
Schutzbeschaltung der Sensoren kann beispielsweise aus Zener- Dioden oder Kondensatoren bestehen.Protective circuits of the sensors can consist, for example, of Zener diodes or capacitors.
Aufgrund des zunehmenden Leistungsbedarfs elektrischer KFZ- Komponenten werden jedoch KFZ-Bordnetze mit einer Bordnetzspannung von 42 V entwickelt. Die Kurzschlussfestigkeit der bekannten Sensoren reicht jedoch in der Regel nicht aus, um einen Kurzschluss gegenüber einer Spannung von 42 V auszuhalten, so dass die bekannten Sensoren beim Einsatz in einem modernen KFZ-Bordnetz mit einer Spannung von 42 V im Falle eines Kurzschlusses beschädigt würden.Due to the increasing power requirements of electrical vehicle components, however, vehicle electrical systems with an on-board electrical system voltage of 42 V are being developed. However, the short-circuit strength of the known sensors is usually not sufficient to endure a short circuit against a voltage of 42 V, so that the known sensors would be damaged when used in a modern automotive electrical system with a voltage of 42 V in the event of a short circuit.
Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht in der Neuentwicklung von Sensoren mit einer entsprechend größeren Kurzschlussfestigkeit, was jedoch mit erheblichen Entwicklungskosten verbunden wäre.One possible solution to this problem is the new development of sensors with a correspondingly greater short-circuit strength, which would, however, involve considerable development costs.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Einsatz bekannter Sensoren mit einer Kurzschlussfestigkeit bis zu einer Spannung von 12 V in einem modernen KFZ-Bordnetz mit einer Spannung von 42 V zu ermöglichen, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung der Sensoren im Falle eines Kurzschlusses besteht .The invention is therefore based on the object of making it possible to use known sensors with a short-circuit strength up to a voltage of 12 V in a modern motor vehicle electrical system with a voltage of 42 V without the risk of damage to the sensors in the event of a short circuit ,
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .The object is solved by the features of claim 1.
Die Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, eineThe invention encompasses the general technical teaching, a
Sensor-Schutzschaltung einzusetzen, die bei einem Kurzschluss einer Versorgungsleitung für einen Sensor den Stromanstieg auf der Versorgungsleitung erfasst und dadurch die Einleitung geeigneter Gegenmaßnahmen ermöglicht.Use sensor protection circuit that detects the current rise on the supply line in the event of a short-circuit of a supply line for a sensor and thereby enables the initiation of suitable countermeasures.
Im Fehlerfall tritt zunächst der Überspannungsschutz des Sensors in Kraft. Durch eine schnelle Fehlererkennung und durch das ebenfalls schnelle Einleiten von Gegenmaßnahmen können so Sensoren mit einer Kurzschlussfestigkeit, die unterhalb der Nennspannung des Bordnetzes liegt verwendet werden.In the event of a fault, the sensor's overvoltage protection takes effect. Thanks to fast fault detection and the quick initiation of countermeasures, sensors with a short-circuit strength below the nominal voltage of the vehicle electrical system can be used.
Dies ermöglicht vorteilhaft den Einsatz herkömmlicher Sensoren mit einer Kurzschlussfestigkeit von 12 V in künftigen KFZ-Bordnetzen mit einer Netzspannung von 42 V, ohne dass ei- ne aufwendige Neuentwicklung der Sensoren erforderlich ist. Im einfachsten Fall kann die Gegenmaßnahme für den Fall eines Kurzschlusses darin bestehen, dass die Versorgungsleitung für die Sensoren durch ein Schaltelement getrennt wird, wodurch ein weiterer Stromanstieg verhindert wird. Die Trennung der Versorgungsleitung für die Sensoren kann wahlweise einpolig für die Masseleitung oder die Spannungsleitung oder zweipolig für die Masseleitung und die Spannungsleitung erfolgen, wobei vorzugsweise ein Schaltelement eingesetzt wird, das in Reihe mit einer Versorgungsleitung geschaltet ist.This advantageously enables the use of conventional sensors with a short-circuit strength of 12 V in future vehicle electrical systems with a line voltage of 42 V, without the need for a complex new development of the sensors. In the simplest case, the countermeasure in the event of a short circuit can be that the supply line for the sensors is separated by a switching element, which prevents a further increase in current. The supply line for the sensors can be separated either with one pole for the ground line or the voltage line or with two poles for the ground line and the voltage line, preferably using a switching element which is connected in series with a supply line.
In dieser Variante der Erfindung kann das Schaltelement zur Trennung der Versorgungsleitung für die Sensoren auch unabhängig von dem Strom auf der Versorgungsleitung von extern angesteuert werden, wozu die Sensor-Schutzschaltung vorzugs- weise einen separaten Steuereingang aufweist. Diese separate Abschaltung kann beispielsweise software-gesteuert erfolgen, wenn ein Kurzschluss für eine vorgegebene Zeitdauer anhält.In this variant of the invention, the switching element for separating the supply line for the sensors can also be controlled externally independently of the current on the supply line, for which purpose the sensor protection circuit preferably has a separate control input. This separate shutdown can be software-controlled, for example, if a short circuit continues for a predetermined period of time.
Vorzugsweise erfolgt als Gegenmaßnahme im Falle eines Kurz- Schlusses einer Versorgungsleitung für einen Sensor jedoch keine vollständige Trennung der Versorgungsleitung, sondern eine Strombegrenzung auf der Versorgungsleitung für den Sensor, um eine Beschädigung des Sensors zu vermeiden.As a countermeasure, however, in the event of a short-circuit of a supply line for a sensor, the supply line is not completely separated, but rather a current limitation on the supply line for the sensor in order to avoid damage to the sensor.
Die Strommessung auf der Versorgungsleitung für die Sensoren erfolgt vorzugsweise auf der Masseleitung, jedoch ist es grundsätzlich auch möglich, dass der Strom auf der Spannungsleitung der Sensoren gemessen wird.The current measurement on the supply line for the sensors is preferably carried out on the ground line, but in principle it is also possible for the current to be measured on the voltage line of the sensors.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung vorzugsweise auch eine passive Schutzbeschaltung auf, um eine Beschädigung der Sensoren im Falle eine Kurzschlusses zu verhindern.In addition, the sensor protection circuit according to the invention preferably also has a passive protective circuit in order to prevent damage to the sensors in the event of a short circuit.
Eine derartige Schutzbeschaltung kann beispielsweise aus Kondensatoren oder Zener-Dioden bestehen, wobei diese Bauelemen- te zwischen die beiden Versorgungsleitungen für die Sensoren geschaltet sein können.Such a protective circuit can consist, for example, of capacitors or Zener diodes, these components te can be connected between the two supply lines for the sensors.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Bauelemente der passiven Schutzbeschaltung die Masseleitung und/oder die Spannungsleitung der Sensoren jeweils mit Masse verbinden.However, it is also possible for the components of the passive protective circuit to connect the ground line and / or the voltage line of the sensors to ground.
Beim Einsatz von Zener-Dioden als passive Schutzbeschaltung ist es vorteilhaft, wenn die Zener-Dioden in der erfindungs- gemäßen Sensor-Schutzschaltung ein geringere Durchbruchspan- nung aufweisen als die Zener-Dioden, die in den Sensoren üblicherweise als Schutzbeschaltung vorgesehen sind. Dies ist vorteilhaft, da der Kurzschlussstrom dann nach einer kurzen Einschwingphase ausschließlich über die Zener-Dioden in der Sensor-Schutzschaltung und nicht mehr über die Zener-Dioden in den Sensoren fließt, so dass die Zener-Dioden in den Sensoren den Kurzschlussstrom nur für eine sehr kurze Zeitspanne tragen müssen.When using Zener diodes as passive protective circuitry, it is advantageous if the Zener diodes in the sensor protective circuit according to the invention have a lower breakdown voltage than the Zener diodes which are usually provided in the sensors as protective circuitry. This is advantageous because after a short transient phase, the short-circuit current then flows exclusively via the Zener diodes in the sensor protection circuit and no longer via the Zener diodes in the sensors, so that the Zener diodes in the sensors only transmit the short-circuit current for one have to wear for a very short period of time.
Der im Rahmen der Erfindung verwendete Begriff eines Sensors ist allgemein zu verstehen und umfasst alle Bauelemente, die elektrisch versorgt werden und eine Messgröße liefern. Lediglich beispielhaft sind hier Lambda-Sensoren, Temperatursenso- ren, Drucksensoren, Neigungssensoren und Beschleunigungssen- soren zu nennen.The term “sensor” used in the context of the invention is to be understood in general terms and includes all components that are supplied with electricity and supply a measured variable. Lambda sensors, temperature sensors, pressure sensors, inclination sensors and acceleration sensors are only examples here.
Auch ist die Erfindung nicht auf den Einsatz in künftigen KFZ-Bordnetzen mit einer Netzspannung von 42V beschränkt. Es ist vielmehr auch möglich, dass aufgrund einer entsprechenden Normung Bordnetze mit anderen Netzspannungen entwickelt werden, in den die erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung ebenfalls eingesetzt werden kann.The invention is also not limited to use in future automotive electrical systems with a mains voltage of 42V. Rather, it is also possible for on-board networks with other mains voltages to be developed on the basis of corresponding standardization, in which the sensor protection circuit according to the invention can also be used.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüche enthalten oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung mit einem Sensor in Form eines Schaltbildes sowie Figur 2 eine Strombegrenzerschaltung der Sensor-Schutz- Schaltung aus Figur 1.Other advantageous developments of the invention are contained in the subclaims or are explained below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the drawings. Show it: 1 shows a sensor protection circuit according to the invention with a sensor in the form of a circuit diagram, and FIG. 2 shows a current limiter circuit of the sensor protection circuit from FIG. 1.
Das in Figur 1 dargestellte Schaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Sensor-Schutzschaltung 1, die in einem Kraftfahrzeugbordnetz mit einer Netzspannung von 42 V eingesetzt wird, um eine herkömmliche Sensoreinheit 2 mit einer Kurzschlussfes- tigkeit von 12 V betreiben zu können, ohne dass die Sensoreinheit 2 im Falle eines Kurzschlusses beschädigt oder gar zerstört wird.The circuit diagram shown in FIG. 1 shows a sensor protection circuit 1 according to the invention, which is used in a motor vehicle electrical system with a line voltage of 42 V in order to be able to operate a conventional sensor unit 2 with a short-circuit resistance of 12 V without the sensor unit 2 in the Damaged or even destroyed in the event of a short circuit.
Zur Vereinfachung ist in Figur 1 lediglich die Sensoreinheit 2 dargestellt, jedoch können an der Sensor-Schutzschaltung 1 auch mehrere Sensoreinheiten betrieben werden, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet ist.For the sake of simplicity, only the sensor unit 2 is shown in FIG. 1, but a plurality of sensor units can also be operated on the sensor protection circuit 1, as indicated by the dashed lines.
Die Sensor-Schutzschaltung 1 weist zur Stromversorgung der Sensoreinheit 2 eine Masseleitung 3 und eine Spannungsleitung 4 auf, wobei die Spannungsleitung 4 eingangsseitig mit einem Spannungsregler 5 verbunden ist, der die Spannung auf der Spannungsleitung 4 auf die Betriebsspannung der Sensor- einheit 2 regelt, die in diesem Ausführungsbeispiel 5 V beträgt. Die Masseleitung 3 ist dagegen eingangsseitig mit Masse verbunden, wobei am Eingang der Sensor-Schutzschaltung 1 zwischen der Spannungsleitung 4 und der Masseleitung 3 ein Pufferkondensator Cl angeordnet ist.The sensor protection circuit 1 has a ground line 3 and a voltage line 4 for supplying power to the sensor unit 2, the voltage line 4 being connected on the input side to a voltage regulator 5 which regulates the voltage on the voltage line 4 to the operating voltage of the sensor unit 2, which is 5 V in this embodiment. The ground line 3, on the other hand, is connected to ground on the input side, a buffer capacitor C1 being arranged at the input of the sensor protection circuit 1 between the voltage line 4 and the ground line 3.
Die Sensoreinheit 2 besteht aus dem eigentlichen Sensor 6, der eine physikalische Zustandsgröße, wie beispielsweise Temperatur, Druck oder die Luftzahl λ, misst und über eine Signalleitung 7 ein entsprechendes Messsignal ausgibt.The sensor unit 2 consists of the actual sensor 6, which measures a physical state variable, such as temperature, pressure or the air ratio λ, and outputs a corresponding measurement signal via a signal line 7.
Darüber hinaus weist die Sensoreinheit 2 eine passive Schutzbeschaltung auf, um im Falle eines Kurzschlusses eine Beschä- digung des Sensors 6 zu verhindern, wobei die passive Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 auf die bisher übliche Bordnetzspannung von 12 V ausgelegt ist.In addition, the sensor unit 2 has a passive protective circuit to prevent damage in the event of a short circuit. Prevent damage to the sensor 6, the passive protective circuit of the sensor unit 2 is designed for the previously common vehicle electrical system voltage of 12 V.
Die passive Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 besteht zum einen aus einer Zener-Diode Dl mit einer Durchbruchspannung von Uzι=16 V, wobei die Zener-Diode Dl im Falle von Überspannungen eine ausgangsseitige Überlastung des Sensors 6 verhindert. Die Zener-Diode Dl ist deshalb zwischen die Signallei- tung 7 und die Masseleitung 3 geschaltet.The passive protective circuit of the sensor unit 2 consists on the one hand of a Zener diode Dl with a breakdown voltage of Uzι = 16 V, the Zener diode Dl preventing overloading of the output side of the sensor 6 in the event of overvoltages. The Zener diode Dl is therefore connected between the signal line 7 and the ground line 3.
Darüber hinaus weist die passive Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 eine weitere Zener-Diode D2 mit einer Durchbruchspannung von Uz2=16 V auf, die im Falle von Überspannun- gen eine eingangsseitige Überlastung des Sensors 6 verhindert. Die Zener-Diode D2 ist deshalb zwischen die Spannungsleitung 4 und die Masseleitung 3 geschaltet.In addition, the passive protective circuit of the sensor unit 2 has a further Zener diode D2 with a breakdown voltage of U z2 = 16 V, which prevents an overload on the input side of the sensor 6 in the event of overvoltages. The Zener diode D2 is therefore connected between the voltage line 4 and the ground line 3.
Die passive Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 bietet le- diglich eine Kurzschlussfestigkeit gegenüber der bisher üblichen Bordnetzspannung von 12 V, wohingegen die passive Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 bei einem Einsatz in einem modernen KFZ-Bordnetz mit einer Spannung von 42 V alleine überfordert ist.The passive protective circuit of the sensor unit 2 only offers a short-circuit strength compared to the previously usual on-board electrical system voltage of 12 V, whereas the passive protective circuit of the sensor unit 2 is overwhelmed when used in a modern motor vehicle electrical system with a voltage of 42 V alone.
Die Sensor-Schutzschaltung 1 weist deshalb einen Strombegrenzer 8 auf, der in der Masseleitung 3 für die Sensoreinheit 2 angeordnet ist und den Strom über die Masseleitung 3 misst, wobei der Strombegrenzer 8 in Figur 2 detailliert dargestellt ist und im folgenden beschrieben wird.The sensor protection circuit 1 therefore has a current limiter 8, which is arranged in the ground line 3 for the sensor unit 2 and measures the current via the ground line 3, the current limiter 8 being shown in detail in FIG. 2 and described below.
Zur Strommessung weist der Strombegrenzer 8 einen Messwiderstand Rl auf, der in der Masseleitung 3 angeordnet ist, so dass der Spannungsabfall über dem Messwiderstand Rl den Strom wiedergibt, der durch die Masseleitung 3 fließt. Darüber hinaus ist in der Masseleitung 3 ein MOSFET- Transistor Tl angeordnet, der in Abhängigkeit von seiner An- steuerung sowohl eine Strombegrenzung als auch eine vollständige Trennung der Masseleitung 3 im Kurzschlussfall ermöglicht .For current measurement, the current limiter 8 has a measuring resistor Rl, which is arranged in the ground line 3, so that the voltage drop across the measuring resistor Rl reflects the current flowing through the ground line 3. In addition, a MOSFET transistor T1 is arranged in the ground line 3, which, depending on its control, enables both a current limitation and a complete separation of the ground line 3 in the event of a short circuit.
Der Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors ist über einen Widerstand R2 mit der Versorgungsspannung U=+5V verbunden, so dass der MOSFET-Transistor Tl im Normalbetrieb durchschaltet.The gate connection of the MOSFET transistor is connected via a resistor R2 to the supply voltage U = + 5V, so that the MOSFET transistor T1 switches through in normal operation.
Darüber hinaus ist der Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors Tl mit dem Ausgang einer Komparatorschaltung verbunden, die aus zwei Widerständen R3 , R4 und zwei Transistoren T2 und T3 besteht. Die Komparatorschaltung ist eingangsseitig mit dem Messwiderstand Rl verbunden und erfasst somit den über dieIn addition, the gate connection of the MOSFET transistor T1 is connected to the output of a comparator circuit which consists of two resistors R3, R4 and two transistors T2 and T3. The comparator circuit is connected on the input side to the measuring resistor R1 and thus detects the via
"Masseleitung 3 fließenden elektrischen Strom. Die Komparatorschaltung steuert den Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors Tl in Abhängigkeit von dem über die Masseleitung 3 fließenden elektrischen Strom so an, dass der Strom begrenzt wird, um eine Beschädigung des Sensors 6 im Falle eines Kurzschlusses zu verhindern. " Ground line 3 flowing electrical current. The comparator circuit controls the gate connection of the MOSFET transistor T1 in dependence on the electrical current flowing via the ground line 3 in such a way that the current is limited in order to damage the sensor 6 in the event of a short circuit prevent.
Ferner weist der Strombegrenzer 8 noch einen Transistor T4 auf, der den Gate-Anschluss des MOSFET-Transistors Tl mit Masse verbindet, so dass der MOSFET-Transistor Tl die Masseleitung 3 trennt, wenn der Transistor T4 durchschaltet, da das Potential des Gate-Anschlusses des MOSFET-Transistors Tl dann auf Masse gezogen wird. Die Ansteuerung des Transistors T4 erfolgt über einen separaten Steuereingang 9 und zwei zwi- schengeschaltete Widerstände R5, R6 durch eine Softwaresteuerung, die den MOSFET-Transistors Tl trennt, wenn der Kurzschlussfall für eine vorgegebene Zeitdauer anhält.Furthermore, the current limiter 8 also has a transistor T4 which connects the gate connection of the MOSFET transistor Tl to ground, so that the MOSFET transistor Tl disconnects the ground line 3 when the transistor T4 turns on, since the potential of the gate connection of the MOSFET transistor T1 is then pulled to ground. The control of the transistor T4 takes place via a separate control input 9 and two intermediate resistors R5, R6 by means of a software control which separates the MOSFET transistor Tl when the short-circuit case lasts for a predetermined period of time.
Darüber hinaus weist die Sensor-Schutzschaltung 1 zum Schutz des Sensors 6 auch eine passive Schutzbeschaltung auf, die aus zwei Zener-Dioden D3, D4 und drei Kondensatoren C2, C3 und C4 besteht. Die Zener-Diode D3 ist hierbei zwischen die Signalleitung 7 und die Masseleitung 3 geschaltet und verhindert bei einem Kurzschluss zwischen der Bordnetzspannung von 42 V und der Signalleitung 7 eine ausgangsseitige Überlastung des Sensors 6. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode D3 beträgt hierbei Uz3=8 V und ist somit geringer als die Zenerspannung Uzι=16 V der Zener-Diode Dl. Dies ist vorteilhaft, da ein möglicher Kurzschlussstrom dann nur während einer kurzen Ein- schwingzeit über die Zener-Diode Dl fließt und anschließend von der Zener-Diode D3 übernommen wird. Auf diese Weise muss die Zener-Diode Dl einen möglichen Kurzschlussstrom nur für eine relativ kurze Zeitspanne tragen, wodurch eine Überlastung der passiven Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 ver- hindert wird.In addition, the sensor protection circuit 1 to protect the sensor 6 also has a passive protective circuit, which consists of two Zener diodes D3, D4 and three capacitors C2, C3 and C4. The Zener diode D3 is connected between the signal line 7 and the ground line 3 and prevents an overload on the output side of the sensor 6 in the event of a short circuit between the on-board electrical system voltage of 42 V and the signal line 7. The breakdown voltage of the Zener diode D3 here is U z3 = 8 V and is therefore lower than the Zener voltage U z ι = 16 V of the Zener diode Dl. This is advantageous since a possible short-circuit current then flows through the Zener diode Dl only during a short settling time and then from the Zener diode Diode D3 is taken over. In this way, the Zener diode Dl only has to carry a possible short-circuit current for a relatively short period of time, as a result of which an overload of the passive protective circuit of the sensor unit 2 is prevented.
Die Zener-Diode D4 ist dagegen zwischen die Spannungsleitung 4 und die Masseleitung 3 geschaltet und verhindert bei einem Kurzschluss zwischen der Bordnetzspannung von 42 V und der Spannungsleitung 4 eine eingangsseitige Überlastung des Sensors 6. Die Durchbruchspannung der Zener-Diode D4 beträgt hierbei ebenfalls Uz=8 V und ist somit geringer als die Zenerspannung Uz2=16 V der Zener-Diode D2. Dies ist vorteilhaft, da ein möglicher Kurzschlussstrom dann nur während ei- ner kurzen Einschwingzeit über die Zener-Diode D2 fließt und anschließend von der Zener-Diode D4 übernommen wird. Auf diese Weise muss die Zener-Diode D2 einen möglichen Kurzschlussstrom nur für eine relativ kurze Zeitspanne tragen, wodurch eine Überlastung der passiven Schutzbeschaltung der Sensor- einheit 2 verhindert wird.The Zener diode D4, on the other hand, is connected between the voltage line 4 and the ground line 3 and prevents an overload on the input side of the sensor 6 in the event of a short circuit between the vehicle electrical system voltage of 42 V and the voltage line 4. The breakdown voltage of the Zener diode D4 is also U z = 8 V and is therefore less than the Zener voltage U z2 = 16 V of the Zener diode D2. This is advantageous since a possible short-circuit current then only flows through the Zener diode D2 during a short settling time and is then taken over by the Zener diode D4. In this way, the Zener diode D2 only has to carry a possible short-circuit current for a relatively short period of time, as a result of which an overload of the passive protective circuit of the sensor unit 2 is prevented.
Der Kondensator C2 ist zwischen die Signalleitung 7 und Masse geschaltet und puffert somit EMV-Spannungsspitzen auf der Signalleitung 7, was ebenfalls einer ausgangsseitigen Über- lastung des Sensors 6 entgegenwirkt. Der Kondensator C3 verbindet dagegen die Spannungsleitung 4 mit der Masseleitung 3 und puffert somit SpannungsSchwankungen am Eingang der Sensoreinheit 2 und übernimmt den Strom.The capacitor C2 is connected between the signal line 7 and ground and thus buffers EMC voltage peaks on the signal line 7, which likewise counteracts an overload on the output side of the sensor 6. The capacitor C3, on the other hand, connects the voltage line 4 to the ground line 3 and thus buffers voltage fluctuations at the input of the sensor unit 2 and takes over the current.
Schließlich verbindet der Kondensator C4 die Masseleitung 3 mit Masse, wodurch EMV-Schwankungen des Massepotentials auf der Masseleitung 3 unterdrückt werden.Finally, the capacitor C4 connects the ground line 3 to ground, as a result of which EMC fluctuations in the ground potential on the ground line 3 are suppressed.
Die passive Schutzbeschaltung der Sensor-Schutzschaltung 1 übernimmt also im Falle eines Kurzschlusses nach einer kurzen Einschwingzeit den Kurzschlussstrom von der passiven Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2, wodurch eine Überlastung der passiven Schutzbeschaltung der Sensoreinheit 2 verhindert.In the event of a short circuit after a short settling time, the passive protective circuit of the sensor protective circuit 1 therefore takes over the short-circuit current from the passive protective circuit of the sensor unit 2, thereby preventing the passive protective circuit of the sensor unit 2 from being overloaded.
Der Strombegrenzer 8 begrenzt dann den Kurzschlussstrom auf der Masseleitung 8, um eine Überlastung der passiven Schutzbeschaltung der Sensor-Schutzschaltung 1 zu verhindern. Bei einem andauernden Kurzschluss wird dann der Steuereingang 9 des Strombegrenzers 8 angesteuert, woraufhin der MOSFET- Transistor Tl die Masseleitung 3 vollständig trennt.The current limiter 8 then limits the short-circuit current on the ground line 8 in order to prevent overloading the passive protective circuit of the sensor protective circuit 1. In the event of a persistent short circuit, the control input 9 of the current limiter 8 is then triggered, whereupon the MOSFET transistor T1 completely disconnects the ground line 3.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die eben- falls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. The invention is not restricted to the preferred exemplary embodiment described above. Rather, a large number of variants and modifications are possible which also make use of the inventive idea and therefore fall within the scope of protection.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor-Schutzschaltung für mindestens einen Sensor (6), insbesondere in einem KFZ-Bordnetz, mit1. Sensor protection circuit for at least one sensor (6), in particular in a vehicle electrical system, with
mindestens einer Versorgungsleitung (3, 4) zur Stromversorgung des Sensors ( 6 ) ,at least one supply line (3, 4) for supplying power to the sensor (6),
g e k e n n z e i c h n e t d u r c hmarked by
eine Strommesseinheit (Rl, R3, T2, T3, R4) zur Erfassung des über die Versorgungsleitung (3) fließenden elektrischen Stroms, um eine Beschädigung des Sensors (6) durch eine Überspannung zu verhindern,a current measuring unit (R1, R3, T2, T3, R4) for detecting the electrical current flowing via the supply line (3) in order to prevent damage to the sensor (6) by an overvoltage,
wobei die Strommesseinheit (Rl, R3 , T2 , T3 , T4) zur Strombegrenzung mit einem Strombegrenzer (Tl) und/oder zur Trennung der Versorgungsleitung (3) mit einem Schaltelement (Tl) verbunden ist.wherein the current measuring unit (Rl, R3, T2, T3, T4) is connected to a current limiter (Tl) for current limitation and / or to a switching element (Tl) to separate the supply line (3).
2. Sensor-Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die von der Strommesseinheit (Rl, R3 , T2 , T3 , R4) überwachte Versorgungsleitung (3) eine Masseleitung für den Sen- sor (6) ist.2. Sensor protection circuit (1) according to claim 1, so that the supply line (3) monitored by the current measuring unit (R1, R3, T2, T3, R4) is a ground line for the sensor (6).
3. Sensor-Schutzschaltung (1) nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schaltelement (Tl) zur Trennung der Versorgungsleitung (3) mit einem Steuereingang (9) verbunden ist.3. Sensor protection circuit (1) according to claim 1 and / or claim 2, so that the switching element (Tl) for separating the supply line (3) is connected to a control input (9).
4. Sensor-Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Signalleitung (7) zur Aufnahme eines Sensorsignals von dem Sensor (6) . 4. Sensor protection circuit (1) according to at least one of the preceding claims, characterized by a signal line (7) for receiving a sensor signal from the sensor (6).
5. Sensor-Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Stromversorgung des Sensors (6) eine Spannungsleitung (4) und eine Masseleitung (3) vorgesehen ist.5. Sensor protection circuit (1) according to at least one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a voltage line (4) and a ground line (3) is provided for powering the sensor (6).
6. Sensor-Schutzschaltung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Spannungsleitung (4), die Masseleitung (3) und/oder die Signalleitung (7) zur Verhinderung von Überspannungen mit mindestens einer Zener-Diode (D3, D4) und/oder mindestens einem Kondensator (C2, C3 , C4) verbunden ist.6. Sensor protection circuit (1) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the voltage line (4), the ground line (3) and / or the signal line (7) for preventing overvoltages with at least one Zener diode (D3, D4) and / or at least one capacitor (C2, C3, C4) is connected.
7. Sensor-Schutzschaltung (1) nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zener-Diode (D3, D4) und/oder der Kondensator (C2, C3, C4) zwischen die Spannungsleitung (4) und/oder die Sig- nalleitung (7) einerseits und die Masseleitung (3) andererseits geschaltet ist.7. Sensor protection circuit (1) according to claim 6, characterized in that the Zener diode (D3, D4) and / or the capacitor (C2, C3, C4) between the voltage line (4) and / or the signal line ( 7) on the one hand and the ground line (3) on the other hand is switched.
8. Sensor-Schutzschaltung (1) nach Anspruch 6 und/oder Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Sensor (6) als Kurzschlussschütz mindestens eine Zener-Diode (Dl, D2) aufweist, wobei die Zener-Diode (D3, D4) der Sensor-Schutzschaltung (1) eine geringere Durchbruchspannung aufweist als die Zener-Diode (Dl, D2) des Sensors (6) . 8. Sensor protection circuit (1) according to claim 6 and / or claim 7, characterized in that the sensor (6) has as a short-circuit protection at least one Zener diode (Dl, D2), the Zener diode (D3, D4) Sensor protection circuit (1) has a lower breakdown voltage than the Zener diode (Dl, D2) of the sensor (6).
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