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Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für einen Kraftwagen, das elektrisch betrieben wird und hierzu über einen Anschluss mit einer geräteexternen Gleichspannungsquelle zu koppeln ist. Kommt es hierbei zu einer Verpolung, bei welcher der Pluspol der Spannungsquelle mit einer Minuspol-Leitung des Anschlusses und umgekehrt ein Minuspol der Spannungsquelle mit einer Pluspol-Leitung des Anschlusses verbunden wird, so wird dies durch das Steuergerät erkannt. Eine solche Erkennung einer Verpolung ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 044 504 A1 bekannt. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftwagen, welcher zumindest ein erfindungsgemäßes Steuergerät aufweist.
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Zu einer Verpolung kann es beispielsweise kommen, wenn bei dem Kraftwagen Starthilfe geleistet werden muss und hierzu eine Bedienperson das Bordnetz des Kraftwagens mit einer Batterie eines Fremdfahrzeugs koppeln möchte. In der Regel wird dies händisch über sogenannte Starthilfe-Kabel gemacht. Werden hierbei die Kabel vertauscht, liegt in dem Bordnetz die Spannung der Batterie verkehrt herum an, d. h. die fremde Batterie ist also verpolt. In der Regel dauert in diesem Fall die Verpolung nur sehr kurz an, da auch ein Kurzschlussstrom zwischen den Batterien der beiden Fahrzeuge fließt, was eine Bedienperson aufgrund von Funkenflug schnell merkt und das Kabel schnell wieder zurückzieht.
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In der genannten Druckschrift ist ein Verpolschutz für ein Kraftfahrzeug beschrieben. Hierbei ist eine Pluspol-Leitung mit einer Minuspol-Leitung über einen Leitungszweig über eine Relaisspule gekoppelt. Fließt ein Strom durch die Relaisspule, so wird ein Relais geöffnet und hierdurch das Steuergerät von einer geräteexternen Spannungsquelle entkoppelt. Der Stromfluss durch die Relaisspule wird durch eine Verpolschutz-Diode nur im Falle einer Verpolung zugelassen. Die Verpolschutz-Diode ist hierzu in Bezug auf die Pluspol-Leitung in Sperrrichtung geschaltet, so dass bei korrektem Anschluss der Spannungsquelle (Pluspol an die Pluspol-Leitung und Minuspol an die Minuspol-Leitung) der Stromfluss durch die Relaisspule blockiert ist.
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Eine nach demselben Prinzip aufgebaute Verpolschutzschaltung ist auch aus der
DE 100 47 791 A1 bekannt.
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Steuergeräte können im Verpolfall vorgeschädigt werden. Beispielsweise kann ein Mikrochip in dem Steuergerät beschädigt werden. Diese Schädigung hat einen ähnlichen Effekt wie eine Alterung. Der Mikrochip, oder generell elektrische oder elektronische Bauteile, können also durch die kurzeitige Verpolung um Jahre „altern”. Dies birgt die Gefahr, dass im weiteren Betrieb des Steuergeräts sporadisch unerwartet das Steuergerät ausfällt, obwohl das Steuergerät noch gar nicht alt ist.
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Aus der
WO 2010/094514 A1 ist eine Verpolschutzeinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei welcher im Falle einer Verpolung durch einen Strom Joulesche Wärme erzeugt wird und hierdurch eine Auslöseeinrichtung einen elektrischen Kontakt zu der falsch herum angeschlossenen externen Spannungsquelle unterbricht. Die Auslöseeinrichtung kann beispielsweise eine pyrotechnische Treibladung umfassen, die durch die Wärme ausgelöst wird.
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Die permanente Zerstörung der elektrischen Verbindung durch die Treibladung macht das Steuergerät dauerhaft unbrauchbar, selbst wenn durch die Verpolung selbst kein Schaden in den elektrischen Schaltungen des Steuergeräts entstanden ist und das Steuergerät eigentlich weiter benutzt werden könnte, weil das Verpolereignis unkritisch war, also selbst keinen Schaden in den elektrischen Schaltungen verursachen konnte.
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Ein weiteres Problem stellt der Schutz von Steuergeräten dar, die eine Leistungselektronik aufweisen. Bei Hochleistungsstufen lässt sich ein Verpolschutz in der Regel überhaupt nicht kostengünstig bereitstellen, da hierfür ein zusätzlicher Hochleistungstransistor nötig ist. Besonders kritisch ist deshalb eine Verpolungsindikation bei Steuergeräten, die Fahrsicherheit relevant sind. Solche Steuergeräte z. B. für die Lenkung, die Bremsen, das Antiblockiersystem (ABS) und das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP) weisen in der Regel eine Hochleistungsstufe auf. Die Erfindung bezieht sich daher insbesondere auf eine Verpolungsindikation für diese fahrsicherheitsrelevanten Steuergeräte mit Hochleistungsstufen.
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In der
DE 10 2010 012 135 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung einer Verpolung bei einem Kraftfahrzeug beschrieben. Eine Verpolungserkennungseinrichtung erzeugt nach einer erfolgten und dokumentierten Verpolung ein Sperrsignal, mittels dessen ein Einschalten einer elektrischen Komponente des Kraftfahrzeugs verhinderbar ist. Die Verpolung kann mittels einer Reihenschaltung aus einer Schmelzsicherung und einer Diode erkannt werden.
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In der
DE 10 2007 011 760 A1 ist eine Motoranordnung eines elektromotorischen Hilfsantriebs für ein Fahrzeug beschrieben, welche wenigstens zwei Versorgungsanschlüsse zum Anschließen der Motoranordnung an ein Gleichspannungsversorgungsnetz sowie eine Schaltungsanordnung zum Dokumentieren einer Verpolung beim Anschluss der Motoranordnung aufweist. Die Schaltungsanordnung weist eine Reihenschaltung aus einer Schmelzsicherung und einer Diode auf. Ein Messanschluss zwischen der Schmelzsicherung und der Diode ist vorgesehen, um nach einem Verpolereignis messen zu können, ob die Schmelzsicherung zerstört worden ist.
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In der
DE 10 2007 003 545 A1 ist ein Kraftfahrzeugbordnetz mit Verpoldetektor beschrieben. Der Verpoldetektor ist mit einer Batterie verbunden und enthält eine Reihenschaltung aus einer Diode, einer Zener-Diode und einer Schmelzsicherung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kritisches Verpolereignis in einem Steuergerät eines Kraftwagens zuverlässig zu signalisieren.
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Die Aufgabe wird durch ein Steuergerät gemäß Patentanspruch 1 sowie einen Kraftwagen gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Die Erfindung geht von einem eingangs beschriebenen Steuergerät für einen Kraftwagen aus. Entsprechend weist das Steuergerät einen elektrischen Anschluss zum Anschließen des Steuergeräts an eine geräteexterne Spannungsquelle für eine Gleichspannung zum Betreiben des Steuergeräts auf. Beispielsweise kann es sich bei dem Anschluss um einen Bordnetzanschluss zum Anschließen des Steuergerät an ein Bordnetz des Kraftwagens handeln. Der Anschluss umfasst eine Pluspol-Leitung und eine Minuspol-Leitung, die mit den entsprechenden Polen der Gleichspannungsquelle verbunden werden müssen. Die Minuspol-Leitung kann hierbei auch eine Masseleitung des Steuergeräts sein. Die beiden Leitungen (die Pluspol-Leitung und die Minuspol-Leitung) sind, ähnlich wie aus dem Stand der Technik bekannt, miteinander über einen Leitungszweig verbunden, welcher eine Diode aufweist, die bezüglich der Pluspol-Leitung in Sperrrichtung geschaltet ist. Die Diode sperrt also einen Stromfluss von der Pluspol-Leitung hin zur Minuspol-Leitung über den Leitungszweig. Bei polrichtiger Verbindung der Spannungsquelle (Pluspol der Spannungsquelle an die Pluspol-Leitung und Minuspol an die Minuspol-Leitung) sperrt also die Diode einen Stromfluss durch den Leitungszweig.
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Das erfindungsgemäße Steuergerät zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Leitungszweig die Diode und ein Indikatorelement hintereinander geschaltet sind. Das Indikatorelement ist dazu ausgelegt, bei einem temporären, d. h. zeitlich begrenzten, Stromfluss durch das Indikatorelement danach dauerhaft eine elektrische Eigenschaft zu verändern. Als Indikatorelement kann hier ein diskretes elektrisches Bauteil vorgesehen sein, welches durch den Stromfluss beispielsweise zerstört wird. Beispielsweise kann ein Kondensator vorgesehen sein, dessen Durchschlagspannung geringer ist als die bestimmungsgemäß vorgesehene Versorgungsspannung der Spannungsquelle. Indem das Indikatorelement in dem Leitungszweig mit der Diode in Reihe geschaltet ist, kommt es zu einem Stromfluss nur im Falle einer Verpolung, wenn ein Stromfluss von der Minuspol-Leitung zu der Pluspol-Leitung, also in Flussrichtung der Diode, fließt. Dann verändert das Indikatorelement dauerhaft seine Eigenschaft, also z. B. seinen elektrischen Widerstand oder seine Kapazität.
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Die Erfindung weist somit den Vorteil auf, dass auch nach Abtrennen der vergolten Spannungsquelle von dem Anschluss das Indikatorelement weiterhin die veränderte elektrische Eigenschaft aufweist. Dies ist dann schaltungstechnisch erfassbar, so dass automatisiert eine Warnung erzeugt werden kann.
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Das Indikatorelement umfasst eine elektrische Schmelzsicherung. Hiermit kann auf kostengünstige Weise und durch geeignete Wahl des Sicherungstyps die gewünschte Auslösezeit und auch die Auslösestromstärke zuverlässig eingestellt werden. Der Sicherung ist eine Kapazität parallel geschaltet.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn das Indikatorelement dazu ausgelegt ist, seine elektrische Eigenschaft bei fließendem Strom erst nach einer vorbestimmten Auslösezeit zu ändern. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Indikatorelement nicht schon dann durch die Veränderung seiner Eigenschaft ein Verpolereignis anzeigt, wenn der Stromfluss derart kurz war, dass es noch nicht zu einem Schaden in der elektrischen Schaltung des Steuergeräts gekommen sein kann, wenn das Verpolereignis also unkritisch war. Die Auslösezeit ist entsprechend bevorzugt auf einen Wert eingestellt, welcher kleiner als die maximale Stromflussdauer ist, die von der zu schützenden elektrischen Schaltung des Steuergeräts im Verpolungsfall tolerierbar ist.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Veränderung der Eigenschaft des Indikatorelements messtechnisch erfasst werden kann. Hierzu sieht eine Ausführungsform des Steuergeräts eine Messschaltung vor, bei welcher ein Messeingang mit dem besagten Leitungszweig an einer Stelle elektrisch verbunden ist, die sich zwischen dem Indikatorelement, also beispielsweise der Schmelzsicherung, und der Diode befindet. Die Messschaltung ist dabei dazu ausgelegt, eine zwischen dem Messeingang und einer der beiden Leitungen des Anschlusses (Pluspol-Leitung oder Minuspol-Leitung) abfallende elektrische Spannung zu erfassen. Beispielsweise kann also die über der Schmelzsicherung abfallende elektrische Spannung erfasst werden. Durch die Messschaltung wird in Abhängigkeit von der erfassten Spannung an einem Signalausgang ein Zustandssignal erzeugt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass innerhalb des Steuergeräts selbst elektronisch überprüft werden kann, ob das Steuergerät schon einmal mit falscher Polung an eine Spannungsquelle angeschlossen worden ist. Bevorzugt wird ein binäres Zustandssignal erzeugt, so dass ein einziges Bit bereitsteht, das signalisiert, ob das Indikatorelement sich im Originalzustand (bisher durch kein Verpolereignis verändert) oder bereits im veränderten Zustand (durch einen Stromfluss bei einer Verpolung verändert) vorliegt. Die Messschaltung kann z. B. als Spannungsteiler oder als Open-Collector-Komparator realisiert sein. Weiterer Vorteil der Messschaltung ist, dass der Betrag der Spannung, die über dem Indikatorelement abfällt, einfach an ein IC (Integrated Circuit) einer Auswertelogik angepasst werden kann, also z. B. an eine 1,8 V-Logik, eine 3.3 V-Logik oder eine 5 V-Logik.
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Eine Weiterbildung des Steuergeräts sieht vor, dass eine Datenprozessoreinheit, z. B. mit einem Mikrocontroller oder eine Schaltung aus Logikgattern, mit einem Signaleingang an den Signalausgang der Messschaltung angeschlossen ist und das an ihrem Signaleingang von der Messschaltung erzeugte Zustandssignal überprüft. Die Datenprozessoreinheit erzeugt ein Warnsignal, falls das Zustandssignal der Messschaltung signalisiert, dass eine Verpolung das Indikatorelement verändert hat. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, nachdem die Verpolung beendet ist und das zu überwachende Steuergerät wieder normal betrieben wird, das Zustandssignal, also bevorzugt das Bit, von dem Steuergerät selbst, also dessen Datenprozessoreinheit, einzulesen und auszuwerten. Damit liegt innerhalb des Steuergeräts die Information vor, ob bereits ein kritisches Verpolereignis vorgelegen hat, und es können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann ein umfangreicher Selbsttest durchgeführt werden, der ansonsten vermieden wird, um beispielsweise eine Startup-Zeit des Steuergeräts gering zu halten.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Leitungszweig mit der Diode und dem Indikatorelement ein zusätzliches Sperrelement aufweist, welches auch im Verpolungsfall den Stromfluss von der Minuspol-Leitung zur Pluspol-Leitung blockiert, falls eine am Anschluss anliegende elektrische Spannung betragsmäßig kleiner als eine vorbestimmte Auslöseschwelle ist. Bevorzugt wird als die applizierte Auslöseschwelle diejenige Verpolspannung eingestellt, ab welcher eine Schädigung der internen Bauelemente des Steuergeräts nicht mehr auszuschließen ist. Im Normalfall können das die in Datenblättern der Bauelemente angegebenen Grenzwerte sein. Im Einzelfall können auch Werte für die Auslöseschwelle anhand von Versuchen bestimmt werden. Durch das Sperrelement wird verhindert, dass bei nur geringfügigen Spannungswerten ein falscher Alarm ausgelöst wird, indem das Indikatorelement in seiner Eigenschaft verändert wird, obwohl nicht davon auszugehen ist, dass das Steuergerät tatsächlich beschädigt ist.
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Bei dem Sperrelement handelt es sich bevorzugt um eine Zener-Diode, die antiseriell zur Diode in den Leitungszweig geschaltet ist. Durch Auswählen einer Zener-Diode mit geeigneter Zener-Spannung kann auf kostengünstige Weise eine bestimmte Auslöseschwelle eingestellt werden.
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Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung auch ein Kraftwagen, der bevorzugt als Personenkraftwagen ausgestaltet ist. Der erfindungsgemäße Kraftwagen zeichnet sich durch zumindest ein Steuergerät aus, welche eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuergeräts darstellt.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand der Figur erläutert.
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In der Figur ist zu einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuergeräts ein schematisierter Schaltplan dargestellt. Gezeigt ist ein Steuergerät 10, das beispielsweise in einem Kraftwagen, wie etwa einem Personenkraftwagen, eingebaut sein kann. Bei dem Steuergerät 10 kann es sich beispielsweise um ein Motorsteuergerät, ein Steuergerät für einen Scheibenwischer, ein Infotainmentsystem, ein Telefoniemodul, eine Lenkung, eine Bremse, ein ABS, ein ESP oder eine Steuerung für ein Head-Up-Display handeln. Allgemein kann hier jedes elektronische Gerät für einen Kraftwagen verstanden werden, welches über ein Bordnetz 12 mit einer Gleichspannung U für den Betrieb versorgt wird.
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Um das Steuergerät 10 mit dem Bordnetz 12 zu verbinden, weist das Steuergerät 10 einen Anschluss 14 mit einem Pluskontakt 16 und einem Minuskontakt 18 auf. Bestimmungsgemäß wird über den Pluskontakt 16 eine Pluspol-Leitung 20 des Anschlusses 14 mit dem Plus-Potential des Bordnetzes 12, über den Minus-Kontakt 18 eine Minuspol-Leitung 22 des Anschlusses 14 mit dem Minus-Potential des Bordnetzes 12 verbunden. Bei dem Minus-Potential kann es sich insbesondere auch um das Massepotential handeln. In der Figur ist der Anschluss 14 polrichtig mit dem Bordnetz 12 verbunden. Über die Leitungen 20, 22 ist eine Elektronik 24 des Steuergeräts 10 bei an geschlossenem Bordnetz 12 mit diesem elektrisch verbunden.
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Für den Fall, dass das Steuergerät 14 mit seinen Anschlüssen 16, 18 verkehrt herum mit dem Bordnetz 12 vorübergehend verbunden wird, kann dies im Nachhinein durch das Steuergerät 10 selbst erkannt werden. Hierzu weist das Steuergerät 10 eine Indikatorschaltung 26 auf. Die Indikatorschaltung 26 weist einen Schaltungs- oder Leitungszweig 28 auf, welcher die Pluspol-Leitung 20 mit der Minuspol-Leitung 22 verbindet. Durch den Leitungszweig 28 können die Leitungen 20, 22 dabei über eine Diode D, eine Zener-Diode Z und eine Sicherung F verbunden sein, wobei die drei Bauteile in Reihe hintereinander in dem Leitungszweig 28 geschaltet sind. Die Reihenfolge der Reihenschaltung kann anders als die in der Figur gezeigte sein.
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Die Diode D ist für einen Stromfluss von der Pluspol-Leitung 20 zur Minuspol-Leitung 22 in Sperrrichtung geschaltet. Die Zener-Diode Z ist antiseriell zur Diode D geschaltet. Zu der Überwachungsschaltung 26 gehört auch eine Messschaltung 30. Ein Messeingang 32 der Messschaltung 30 ist mit dem Schaltungszweig 28 verbunden. Die Messschaltung 30 misst eine über der Sicherung F abfallende elektrische Spannung und wandelt diese in ein Signal um, das an einem Signalausgang 34 ausgegeben wird. Die Messschaltung 30 kann hierbei in an sich bekannter Weise ausgelegt werden. Beispielsweise kann die Messschaltung 30 eine Komparatorschaltung umfassen, welche erkennt, ob die Sicherung F elektrisch leitend ist und damit der Messeingang 32 in dem Beispiel auf dem Potential der Minuspol-Leitung 22 liegt, oder ob die Sicherung F ausgelöst wurde und der Messeingang 32 auf einem von der Minuspol-Leitung 22 verschiedenen Potential liegt. Der hierdurch erfasste Zustand der Sicherung F wird durch das Signal am Signalausgang 34 signalisiert. Beispielsweise kann das Signal ein binäres Signal sein. Der Signalausgang 34 kann mit einem (nicht dargestellten) Mikrocontroller des Steuergeräts 10 verbunden sein, welcher anhand des Signals den Zustand der Sicherung F überprüft.
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Zweck der Überwachungsschaltung 34 ist es, ein potentiell vorgeschädigtes Steuergerät zu diagnostizieren.
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Die Diode D ist im Normalbetrieb (positive Spannung des Bordnetzes 12 an Plus-Kontakt 16 und negatives Potential des Bordnetzes 12 (also beispielsweise Masse) am Minuskontakt 18) in Sperrrichtung betrieben. Es fließt dann kein Strom durch den Leitungszweig 28. Im Verpolfall (Minuspotential bzw. Masse an Pluskontakt 16 und Pluspotential am Minuskontakt 18) ist die Diode D leitend. Ist die Verpolspannung (also dann –U, wenn der in der Figur gezeigte Spannungszählpfeil zugrunde gelegt wird) dabei größer als die Zenerspannung der Zener-Diode Z plus der Flussspannung der Diode D, kann ein Strom durch den Leitungszweig 28 fließen, der die Schmelzsicherung F zur Auslösung bringt. Das Auslösen der Sicherung F kann nun hinterher im Normalbetrieb des Steuergeräts 10, wenn der Anschluss 14 wieder polrichtig mit dem Bordnetz 12 verbunden ist, von einer Auswerteeinheit (beispielsweise einem Programmmodul des genannten Mikrocontrollers) über den Signalausgang 34 eingelesen, ausgewertet und weiterverarbeitet werden. Durch die Messschaltung 30 kann hierbei auch eine Pegelanpassung erfolgen, so dass beispielsweise in einem 12 V-Bordnetz das Signal am Signalausgang 34 beispielsweise eine Signalspannung sein kann, die zwischen 0 V und z. B. 5 V in Abhängigkeit vom Zustand der Sicherung F gewechselt wird.
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Bei der Auslegung der Diode D, der Zener-Diode Z und der Sicherung F sollte beachtet werden, dass die Diode D eine Stromtragfähigkeit aufweist, die signifikant größer als diejenige der Sicherung F ist. Bevorzugt ist die Stromtragfähigkeit mindestens doppelt so groß wie diejenige der Sicherung F. Genauso sollte die Zener-Diode Z eine entsprechend große Stromtragfähigkeit aufweisen. Durch geeignete Wahl einer Zener-Diode kann die Spannungsschwelle eingestellt werden, ab welcher im Falle einer Verpolung des Anschlusses 14 ein Strom durch den Leitungszweig 28 fließt. Durch eine entsprechende Wahl der Sicherung F kann die Auslösezeit vorgegeben werden, die benötigt wird, damit die Sicherung F im Falle einer Verpolung mit Stromfluss im Leitungszweig 28 schmilzt und damit dauerhaft das Signal am Signalausgang 34 verändert wird.
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In dem in der Figur gezeigten Beispiel kann durch entsprechende schaltungstechnische Auslegung der Messschaltung beispielsweise ein Low-Pegel anzeigen, dass eine kritische Verpolung nicht stattgefunden hat, während ein High-Pegel anzeigt, dass eine kritische Verpolung stattgefunden hat. Mit kritisch ist herbei gemeint, dass die Sicherung F ausgelöst hat. Der Low-Pegel ist dabei das Potential der Minuspol-Leitung 22, ein High-Pegel, ein davon verschiedener Spannungswert, der zwischen 0 und dem Spannungswert U liegt.
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Wie in der Figur durch gestrichelt gezeichnete Komponenten angedeutet ist, kann der Sicherung F eine Kapazität C parallel geschaltet sein. Dann ist die Sicherung vor Spannungsspitzen aus dem Bordnetz 12 geschützt, was ansonsten zu einem Fehlalarm führen kann. Der Diode D kann zusätzlich zu der Zener-Diode Z auch ein Widerstand R nachgeschaltet sein. In der Figur ist eine mögliche Anordnung des Widerstands R gezeigt. Durch den Widerstand R kann das Filterverhalten des Leitungszweigs 28, d. h. seine Übertragungsfunktion, dahingehend eingestellt werden, dass die Verpolungsindikation robuster gegen harmlose Störungen im Bordnetz 12 ist, so dass ebenfalls Fehlalarme verhindert werden.
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Eine andere (nicht dargestellte) Variante der Überwachungsschaltung 26 ergibt sich, wenn die Sicherung F einerseits und die Diode D und die Zener-Diode Z andererseits von der Position her vertauscht werden, so dass bei nicht ausgelöster Sicherung F der Messeingang 32 auf dem Potential der Pluspol-Leitung 20 liegt.
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Durch das Beispiel ist gezeigt, wie eine Überwachungsschaltung eines Anschlusses eines Steuergeräts derart ausgeführt werden kann, dass, sobald eine zu applizierende Verpolspannungsschwelle überschritten ist, dauerhaft ein Bit an einem Signalausgang 34 gekippt wird, das dann von einer Signal einlesenden elektronischen Schaltung ausgewertet werden kann. Damit liegt nun die Information „ein kritisches Verpolereignis hat vorgelegen” dem Steuergerät vor und es können geeignete Maßnahmen ergriffen werden.
