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Die Erfindung betrifft die sichere Steuerung eines Verbrauchers. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbrauchersteuerung mit Diagnosefunktion.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst ein Getriebe, das mittels Aktuatoren durch eine elektrische Steuereinrichtung gesteuert werden kann. Die Aktuatoren können beispielsweise elektromechanische Ventile umfassen, die unmittelbar oder mittels eines hydraulischen Elements auf das Getriebe einwirken. Um die Sicherheit des Kraftfahrzeugs aufrechtzuerhalten, muss die Ansteuerung der Aktuatoren derart erfolgen, dass auch bei Vorliegen eines Fehlers an einer Komponente zumindest das Erreichen eines sicheren Betriebszustands gewährleistet ist.
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Eine Steuervorrichtung zur elektrischen Ansteuerung eines Verbrauchers wie des Aktuators umfasst üblicherweise zwei Stromventile, die in unterschiedliche Zuleitungen zwischen dem Verbraucher und einer Betriebsspannung geschaltet sind. Eines der Stromventile bleibt üblicherweise vollständig geschlossen und das andere wird dazu verwendet, den Stromfluss durch den Verbraucher zu steuern. Dazu kann das zweite Stromventil mittels eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM) periodisch geöffnet und geschlossen werden. Sollte der Verbraucher mittels des zweiten Stromventils nicht abgeschaltet werden können, beispielsweise weil das zweite Stromventil defekt ist oder ein Kurzschluss über das zweite Stromventil besteht, so kann noch das erste Stromventil geöffnet werden, um den Verbraucher abzuschalten.
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Um einen Kurzschluss über das erste Stromventil zu bestimmen, kann ein durch den Verbraucher fließender Strom beobachtet werden, während das zweite Stromventil bei geöffnetem erstem Stromventil geschlossen wird. Fließt dann noch ein Strom, so war das Öffnen des ersten Stromventils wirkungslos und es liegt ein Kurzschluss über das erste Stromventil vor. Liegt allerdings kein Kurzschluss vor, so bewirkt das Öffnen beider Stromventile ein Abschalten des Verbrauchers. Im laufenden Betrieb einer Steueraufgabe, die mittels des Verbrauchers beeinflusst wird, ist dies oft unerwünscht, sodass die Bestimmung des Kurzschlusses über das erste Stromventil nur in einem besonderen Betriebszustand, beispielsweise beim Hochfahren der Steuervorrichtung, bestimmt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Technik anzugeben, um einen Kurzschluss über das erste Stromventil verbessert diagnostizieren zu können. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Vorrichtung und eines Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers umfasst ein erstes Stromventil zwischen einem ersten Anschluss des Verbrauchers und einem ersten Potential einer Betriebsspannung, ein zweites Stromventil zwischen einem zweiten Anschluss des Verbrauchers und einem zweiten Potential der Betriebsspannung, eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, bei geschlossenem ersten Stromventil das zweite Stromventil zu betätigen, um einen Strom durch den Verbraucher zu steuern, und eine Abtasteinrichtung zur Bestimmung einer über dem ersten Stromventil abfallenden Spannung. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, einen Kurzschluss zwischen dem ersten Anschluss und dem ersten Potential zu bestimmen, falls die abfallende Spannung nicht ansteigt, wenn das erste Stromventil graduell geöffnet wird.
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An dieser Steuervorrichtung ist es möglich, das erste Stromventil gerade so weit zu öffnen, dass bei korrektem Funktionieren die über dem ersten Stromventil abfallende Spannung ausreichend ansteigt. Der Verbraucher bleibt dabei eingeschaltet und die an ihm anliegende Spannung wird nur um den Betrag verringert, der über dem ersten Stromventil abfällt, beispielsweise bis zu ca. 1V. Ein Stromfluss durch den Verbraucher kann mittels des zweiten Stromventils gesteuert werden, beispielsweise mittels periodischem Öffnen und Schließen des zweiten Stromventils in einem vorbestimmten Taktverhältnis. Der Kurzschluss über das erste Stromventil kann im Bereich des Verbrauchers, im Bereich einer Zuleitung, im Bereich des Stromventils oder auch im Stromventil selbst vorliegen, wenn dieses beispielsweise durchlegiert ist.
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Vorteilhafterweise kann der Kurzschluss zwischen dem ersten Anschluss und dem ersten Potential, also ein Kurzschluss über das erste Stromventil, auch im laufenden Betrieb einer Steuerung, bei der der Verbraucher als Aktor wirkt, bestimmt werden. Zwar kann der Kurzschluss über das erste Stromventil allein noch keinen kritischen Zustand des Verbrauchers nach sich ziehen, jedoch kann in Kombination mit einem zweiten Fehler ein kritischer Zustand auftreten. Eine Notabschaltung des Verbrauchers mittels des ersten Stromventils ist dann nicht mehr möglich, sodass von einem latenten oder auch schlafenden Fehler gesprochen wird.
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Bevorzugterweise ist die Verarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet, einen Kurzschluss zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Potential zu bestimmen, falls die abfallende Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Die Abtasteinrichtung zur Bestimmung der über dem ersten Stromventil abfallenden Spannung kann bereits vorgesehen sein, um einen Kurzschluss zum zweiten Potenzial zu bestimmen. Übersteigt die abfallende Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert, der je nach Konfiguration beispielsweise in einem Bereich von 0,1 bis 1,0 V liegen kann, so weist dies auf einen zu hohen fließenden Strom hin und es kann davon ausgegangen werden, dass ein Kurzschluss zwischen dem ersten Anschluss des Verbrauchers und dem zweiten Potential der Betriebsspannung besteht. In einer Ausführungsform kann die Abtasteinrichtung einen Komparator umfassen, um ein Signal dann auszugeben, wenn die abfallende Spannung den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Diese Schaltung kann auch dazu verwendet werden, das Abfallen einer ausreichenden Spannung über dem ersten Stromventil zu bestimmen, wenn das erste Stromventil graduell geschlossen wird.
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Eine Zuordnung zwischen den beiden Stromventilen und einer Polarität der Betriebsspannung kann beliebig gewählt sein. In einer ersten Variante umfasst das erste Potential ein hohes Potential und das zweite Potential ein niedriges Potential, wobei ein Kurzschluss des Verbrauchers gegen die Betriebsspannung bestimmt werden kann. Das erste Stromventil wird dabei üblicherweise High-Side-Schalter und das zweite Stromventil Low-Side-Schalter genannt. In einer zweiten Variante umfasst das erste Potential ein niedriges Potential und das zweite Potential ein hohes Potential, wobei ein Kurzschluss des Verbrauchers gegen die Masse bestimmt werden kann. In diesem Fall wird das erste Stromventil Low-Side-Schalter und das zweite Stromventil High-Side-Schalter genannt. Anders ausgedrückt kann eine Zuordnung zwischen dem ersten Stromventil, das der Notabschaltung dient, und dem zweiten Stromventil, das der Steuerung des Stroms durch den Verbraucher dient, und einer Anordnung als High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter frei gewählt werden. Das zweite Stromventil kann unabhängig davon ebenfalls als High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter realisiert sein, wobei bevorzugt ist, dass die Stromventile mit unterschiedlichen Anschlüssen des Verbrauchers verbunden und nicht beide als High-Side-Schalter oder beide als Low-Side-Schalter vorgesehen sind.
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Es ist besonders bevorzugt, dass das erste Stromventil einen N-Kanal Feldeffekttransistor und das graduelle Schließen ein Absenken einer Gate-Source-Spannung umfasst. Ist am N-Kanal Feldeffekttransistor die Gate-Source-Spannung ausreichend hoch, so ist die Strecke zwischen Source und Drain niederohmig, sodass das erste Stromventil geschlossen ist. Wird die Gate-Source-Spannung abgesenkt, so nähert sich der Feldeffekttransistor einem Betriebspunkt, an dem der Widerstand zwischen Source und Drain ansteigt. Durch Beeinflussen der Gate-Source-Spannung kann die Funktionsfähigkeit des ersten Stromventils überprüft werden, ohne das erste Stromventil vollständig zu öffnen. In einer weiteren Ausführungsform kann das erste Stromventil auch einen P-Kanal Feldeffekttransistor umfassen, wobei das graduelle Öffnen ein Anheben der Gate-Source-Spannung umfasst. In entsprechender Weise kann auch ein Transistor einer anderen Technologie verwendet werden, beispielsweise ein bipolarer Transistor.
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Ein integriertes Stromventil zur Steuerung eines Verbrauchers umfasst einen Halbleiterschalter zur Steuerung eines Stroms zwischen einem Potential einer Betriebsspannung und einem Anschluss des Verbrauchers; einen Komparator zum Vergleichen einer über dem Halbleiterschalter abfallenden Spannung mit einem vorbestimmten Wert; und eine Ansteuervorrichtung für den Halbleiterschalter. Dabei ist die Ansteuervorrichtung dazu eingerichtet, eine Steuerspannung des leitenden Halbleiterschalters graduell in Richtung eines nichtleitenden Zustands zu verändern und ein Warnsignal bereitzustellen, falls der Komparator dabei keine ausreichende Spannung bestimmt. Das integrierte Stromventil kann insbesondere Teile der oben beschriebenen Steuervorrichtung miteinander integrieren und zur Steuerung des Verbrauchers eingesetzt werden, um in Verbindung mit dem zweiten Stromventil eine redundante Notabschaltung zu realisieren. Bevorzugterweise ist das integrierte Stromventil als integrierter Schaltkreis (IC) ausgeführt. Mit Hilfe des integrierten Stromventils können sicherheitskritische Schaltungen vereinfacht oder verbessert aufgebaut werden. Das zweite Stromventil kann auf eine ähnliche Weise mit einer Ansteuerschaltung integriert aufgebaut sein, wobei der Komparator und die graduelle Veränderung der Steuerspannung nicht implementiert zu sein braucht.
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Ein Verfahren zum Steuern eines Verbrauchers mit zwei Anschlüssen, wobei der erste Anschluss mittels eines erstes Stromventils mit einem ersten Potential einer Betriebsspannung und der zweite Anschluss mittels eines zweiten Stromventils mit einem zweiten Potential der Betriebsspannung verbunden ist, umfasst Schritte des graduellen Öffnens des ersten Stromventils bei betätigtem zweiten Stromventil und des Bestimmens eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Anschluss und dem ersten Potential, falls eine über dem ersten Stromventil abfallende Spannung nicht ansteigt. Das Verfahren kann insbesondere mittels der oben beschriebenen Steuervorrichtung durchgeführt werden.
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Es ist allgemein bevorzugt, dass das Betätigen des zweiten Stromventils durch periodisches Öffnen und Schließen erfolgt. Öffnungs- und Schließzeiten können insbesondere mittels eines pulsweitenmodulierten Signals gesteuert werden, dessen Tastverhältnis in Abhängigkeit eines Stroms gewählt ist, der durch den Verbraucher fließen soll.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein Schaltbild einer Steuervorrichtung zur Steuerung eines Verbrauchers;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen eines Kurzschlusses an der Steuervorrichtung von 1;
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3 ein integriertes Stromventil zur Steuerung eines Verbrauchers; und
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4 zeitliche Abläufe an der Steuervorrichtung von 1 beim Durchführen des Verfahrens von 2 darstellt.
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1 zeigt ein Schaltbild einer Steuervorrichtung 100 zur Steuerung eines Verbrauchers 105 mit einem ersten Anschluss 105.1 und einem zweiten Anschluss 105.2. Der Verbraucher 105 umfasst bevorzugterweise eine Last mit einer induktiven Komponente L und einer ohmschen Komponente R, insbesondere eine Spule. Der Verbraucher 105 kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein elektrisch zu betätigendes Hydraulikventil umfassen, das insbesondere zur Steuerung eines Getriebes, beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, eingerichtet ist.
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Die Steuervorrichtung 100 umfasst eine Verarbeitungseinrichtung 110, ein erstes Stromventil 115, ein zweites Stromventil 120 und eine Abtasteinrichtung 125. In einer Variante sind ein erstes Stromventil 115 und mehrere Verbraucher 105 vorgesehen, deren zweite Anschlüsse mittels jeweils zugeordneten zweiten Stromventilen 120 angesteuert werden können. Beispielsweise können bis zu 10 oder mehr Verbraucher 105 mittels nur eines ersten Stromventils 115 abgesichert sein. Im Folgenden wird zur leichteren Verständlichkeit von nur einem Verbraucher 105 und einem zweiten Stromventil 120 ausgegangen.
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Eine Betriebsspannung 145 weist ein erstes Potential 135 und ein zweites Potential 140 auf. Vorliegend wird davon ausgegangen, dass das erste Potential 135 ein hohes Potential und das zweite Potential 140 ein niedriges Potential ist. Das erste Stromventil 115 ist zwischen das erste Potential 135 und den ersten Anschluss 105.1 des Verbrauchers 105 geschaltet, während das zweite Stromventil 120 zwischen dem zweiten Anschluss 105.2 des Verbrauchers 105 und das zweite Potential 140 geschaltet ist. Optional kann zwischen dem ersten Potential 135 und dem ersten Stromventil 115 noch ein Verpolschutz 150 vorgesehen sein. Alternativ kann der Verpolschutz 150 auch zwischen dem zweiten Stromventil 120 und dem zweiten Potential 140 angeordnet sein.
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Das erste Stromventil 115 kann unmittelbar durch die Verarbeitungseinrichtung 110 gesteuert werden. Das zweite Stromventil 120 kann auf die gleiche Weise gesteuert werden, oder mittels einer Pulsweitenmodulation 155, die insbesondere durch die Verarbeitungseinrichtung 110 gesteuert werden kann. Durch Wahl eines passenden Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation 155 kann das zweite Stromventil 120 derart ein- und ausgeschaltet werden, dass sich bei geschlossenem ersten Stromventil 115 ein vorbestimmter Strom durch den Verbraucher 105 ergibt.
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Optional ist ein Längswiderstand (Shunt) 160 vorgesehen, der im Stromfluss durch den Verbraucher 105 liegt. Die Position des Längswiderstands 160 kann dabei frei gewählt werden; in der vorliegenden Ausführungsform liegt der Längswiderstand 160 zwischen dem zweiten Anschluss 105.2 des Verbrauchers 105 und dem zweiten Stromventil 120. Zum Schutz vor Überspannungen kann als Freilauf außerdem eine Diode 165 vorgesehen sein, die parallel zum Verbraucher 105 entgegen der Stromrichtung vom ersten Potential 135 zum zweiten Potential 140 geschaltet ist. Die über dem Längswiderstand 160 abfallende Spannung kann abgetastet werden, um einen durch den Verbraucher 105 fließenden Strom zu bestimmen. Die Pulsweitenmodulation 155 kann in Abhängigkeit dieses Stroms gesteuert werden.
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Im Betrieb des Verbrauchers 105 wird das erste Stromventil 115 geschlossen und das zweite Stromventil 120 derart betätigt, dass der durch den Verbraucher 105 fließende Strom einem vorbestimmten Wert entspricht. Dazu kann das zweite Stromventil 120 insbesondere in einem vorbestimmten Tastverhältnis (PWM) geöffnet und geschlossen werden, sodass sich am Verbraucher 105 eine vorbestimmte Spannung einstellt. Diese Ansteuerung eignet sich besonders gut, wenn der Verbraucher 105 eine induktive oder kapazitive Last umfasst.
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Sollte der Verbraucher 105 mittels des zweiten Stromventils 120 nicht abzuschalten sein, so wird das erste Stromventil 115 geöffnet. An der Steuervorrichtung 100 können zusätzliche Sicherheitsfunktionen installiert sein. Insbesondere kann bestimmt werden, ob der mittels der Abtasteinrichtung 125 abgetastete Spannungsabfall über dem ersten Stromventil 115 einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Dies kann dadurch ausgelöst sein, dass der erste Anschluss 105.1 oder der zweite Anschluss 105.2 des Verbrauchers 105 mit dem zweiten Potential 140 der Betriebsspannung 145 kurzgeschlossen ist.
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Es wird vorgeschlagen, als zusätzliche Sicherungsmaßnahme die Funktionsfähigkeit des ersten Stromventils 115 zu überprüfen, indem bei betätigtem zweiten Stromventil 120 das erste Stromventil 115 graduell geöffnet wird, bis die über dem ersten Stromventil 115 abfallende Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert – in einer Ausführungsform dem oben genannten Schwellenwert – erreicht. Das graduelle Öffnen erfolgt bevorzugterweise allmählich, und zwar wahlweise stufenlos (analog) oder in diskreten Schritten (digital). In einer weiteren Ausführungsform kann das erste Stromventil 115 auch unmittelbar teilweise geöffnet werden, wenn beispielsweise eine hierfür erforderliche Steuerspannung bekannt ist. Wird hierbei der Schwellenwert durch die abfallende Spannung nicht erreicht, so hat das Öffnen des ersten Stromventils 115 keinen Einfluss auf den durch den Verbraucher 105 fließenden Strom und es kann ein Kurzschluss zwischen dem ersten Anschluss 105.1 des Verbrauchers 105 und dem ersten Potential 135 der Betriebsspannung 145 bestimmt werden. Diese Vorgehensweise kann unabhängig davon verwendet werden, ob das erste Stromventil 115 einen High-Side-Schalter oder einen Low-Side-Schalter bildet. In beiden Fällen kann das zweite Stromventil 120 einen High-Side-Schalter oder einen Low-Side-Schalter bilden. Die Bestimmung eines Kurzschlusses über dem ersten Stromventil 115 soll mit Bezug auf 2 genauer beschrieben werden.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bestimmen eines Kurzschlusses an der Steuervorrichtung 100 von 1. Das Verfahren 200 ist insbesondere zum Ablaufen auf der Verarbeitungseinrichtung 110 eingerichtet. In unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Verfahren 200 periodisch, also zeitgesteuert oder ereignisgesteuert gestartet werden, beispielsweise immer dann, wenn der durch den Verbraucher 105 fließende Strom einen vorbestimmten Mindestwert übersteigt.
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Das Verfahren 200 beginnt in einem Schritt 205. In einem Schritt 210 wird das zweite Stromventil 120 betätigt, sodass ein Strom durch den Verbraucher 105 fließt. Der Schritt 210 kann auch als Randbedingung für das Verfahren 200 vorliegen und muss nicht im Rahmen des Verfahrens 200 durchgeführt werden.
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In einem Schritt 215 ist das erste Stromventil 115 geschlossen. Auch dieser Schritt kann als Voraussetzung für den Ablauf des Verfahrens 200 gesehen werden. In einem nachfolgenden Schritt 220 wird das erste Stromventil 115 graduell weiter geöffnet. Das erste Stromventil 115 umfasst bevorzugterweise einen Transistor, der mittels einer Steuerspannung in einen leitenden oder nichtleitenden Zustand gebracht werden kann. Das graduelle Schließen des ersten Stromventils 115 umfasst in diesem Fall ein Verändern der Steuerspannung von einem ersten Wert, der einem leitenden Zustand entspricht, in Richtung eines zweiten Werts, der einem sperrenden Zustand entspricht. In einer Ausführungsform ist eine Steuerspannung, bei der das erste Stromventil 115 nur noch teilweise geschlossen ist, sodass über dem ersten Stromventil 115 eine bestimmbare Spannung abfällt, bekannt und diese Steuerspannung wird unmittelbar am ersten Stromventil 115 eingestellt. In einer anderen Ausführungsform wir die Steuerspannung sukzessive in Richtung des nichtleitenden Zustands verändert. Diese Ausführungsform ist dem Ablaufdiagramm von 2 zugrunde gelegt.
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In einem Schritt 225 wird überprüft, ob die über dem ersten Stromventil 115 abfallende Spannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht bzw. überschreitet. Umfasst die Abtasteinrichtung 125 einen Komparator, so kann eine Unterbrechung (Interrupt) in der Verarbeitungseinrichtung 110 ausgelöst werden, wenn dies der Fall ist. Das Erreichen des Schwellenwerts bedeutet, dass das erste Stromventil 115 zum Unterbrechen des durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms verwendet werden kann. In einem Schritt 230 wird das erste Stromventil 115 möglichst schnell wieder vollständig geschlossen, um den Stromfluss durch den Verbraucher 105 nicht zu behindern. Das Verfahren 200 endet dann in einem Schritt 235.
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Wird im Schritt 225 jedoch keine ausreichende, über dem ersten Stromventil 115 abfallende Spannung bestimmt, so wird in einem Schritt 240 überprüft, ob das erste Stromventil 115 bereits ausreichend geöffnet ist. Dazu kann beispielsweise die Steuerspannung am ersten Stromventil 115 mit einem vorbestimmten Wert verglichen werden. Ist das erste Stromventil 115 noch nicht ausreichend geöffnet, so kehrt das Verfahren 200 bevorzugterweise zum Schritt 220 zurück und kann erneut durchlaufen. Ist das erste Stromventil 115 jedoch bereits ausreichend geöffnet, um eine sichere Aussage zuzulassen, so wird in einem Schritt 245 das Vorliegen eines Kurzschlusses zwischen dem ersten Anschluss 105.1 des Verbrauchers 105 und dem ersten Potential 135 der Betriebsspannung 145 bestimmt. Eine entsprechende Nachricht kann bereitgestellt werden. Der Verbraucher 105 wird außerdem bevorzugterweise in einen sicheren Zustand gebracht, in dem er mittels des zweiten Stromventils 120 abgeschaltet wird. Ein entsprechendes pulsweitenmoduliertes Signal zur Ansteuerung des zweiten Stromventils 120 kann beispielsweise ein Taktverhältnis von 0 % oder 100 % aufweisen, sodass das zweite Stromventil 120 möglichst vollständig geschlossen ist.
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3 zeigt ein integriertes Stromventil 305 zur Steuerung eines Verbrauchers 105. Das integrierte Stromventil 305 kann insbesondere als erstes Stromventil 115 in der in 1 dargestellten Steuervorrichtung 100 eingesetzt werden. Das integrierte Stromventil 305 fasst einen Halbleiterschalter 310, der in der Darstellung von 1 durch eines der Stromventile 115, 120 gebildet ist, einen Komparator 315, eine Ansteuervorrichtung 320 und eine Signalisierung 325 zusammen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst das integrierte Stromventil 305 auch den Verpolschutz 150 von 1. Das integrierte Stromventil 305 kann einen dedizierten integrierten Schaltkreis umfassen. In einer Ausführungsform sind alle Elemente mit Ausnahme des Halbleiterschalters 310 von der Verarbeitungseinrichtung 110 umfasst, die als System-Basis-Chip ausgeführt sein kann.
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Der Halbleiterschalter 310 umfasst bevorzugterweise einen MOSFET mit drei Anschlüssen, die Gate (G), Drain (D) und Source (S) genannt werden. Andere Schaltertypen sind auch möglich, beispielsweise IGBT. Ein Strom zwischen Source und Drain kann mittels einer Steuerspannung Ugs, die zwischen Source und Gate anliegt, gesteuert werden. Die Ansteuervorrichtung 320 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines Signals an einem ersten Steuereingang 330 die Steuerspannung Ugs zwischen S und D alternativ in Richtung eines leitenden Zustands oder eines nichtleitenden Zustands des Halbleiterschalters 310 zu verändern, sodass der Strom durch den Verbraucher 105 ermöglicht oder verhindert wird.
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Der Komparator 315 vergleicht einen Spannungsabfall Usd über den Halbleiterschalter 310, der zu einem durch den Halbleiterschalter 310 fließenden Strom und einem vorbestimmten elektrischen Widerstand zwischen Source und Drain proportional ist, mit einem vorbestimmten Wert. Der Widerstand ist bekannt für einen leitenden Zustand des Halbleiterschalters 310 und der Wert ist bevorzugterweise derart vorbestimmt, dass sein Überschreiten durch die abfallende Spannung einem Überschreiten eines maximal zulässigen Stroms durch den Strom durch den Halbleiterschalter 310 entspricht, wenn der Halbleiterschalter 310 im leitenden Zustand ist. In diesem Fall kann mittels der Signalisierung 325 ein entsprechendes Signal über einen Ausgang 335 ausgegeben werden. Parallel dazu kann die Steuerspannung Ugs so verändert werden, dass der Strom begrenzt oder abgeschaltet wird.
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Mittels eines Signals an einem zweiten Steuereingang 335 kann die Ansteuervorrichtung 320 dazu angesteuert werden, die Steuerspannung Ugs zu einem gewissen Grad in Richtung des nichtleitenden Zustands zu verändern. Das Verändern erfolgt bevorzugterweise allmählich, wie oben mit Bezug auf 2 beschrieben ist, und nur soweit, dass der durch den Halbleiterschalter 310 fließende Strom nicht abgeschaltet wird. Durch das graduelle (teilweise) Öffnen des Halbleiterschalters 310 steigt der elektrische Widerstand zwischen Source und Drain an, sodass die über dieser Strecke abfallende Spannung ansteigt, falls ein Strom durch den Halbleiterschalter 310 fließt. Das Ansteigen der abfallenden Spannung wird durch den Komparator 315 erfasst. In dieser Betriebsart wird nur dann ein Fehlersignal mittels der Signalisierung 325 erzeugt, wenn die abfallende Spannung nicht über den vorbestimmten Wert ansteigt. Dieses Verhalten weist auf einen Kurzschluss über dem Halbleiterschalter 310, also zwischen Source und Drain, hin. Im Fehlerfall kann der durch den Halbleiterschalter 310 fließende Strom begrenzt oder abgeschaltet werden.
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Diese Abläufe werden mit Bezug auf 4 noch einmal beschrieben. In horizontaler Richtung sind eine Zeit und in vertikaler Richtung Spannungen bzw. logische Signale an jeweils bezeichneten Komponenten des integrierten Stromventils 305 angetragen. Die angegebenen Spannungen und die verwendete positive Logik („1“ entspricht aktiv, „0“ inaktiv) sind beispielhaft.
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Zu einem Zeitpunkt t0 wird mittels eines Signals am ersten Steuereingang 330 ein Durchschalten des Halbleiterschalters 310 bewirkt. Die Steuerspannung Ugs ist hoch, die über dem Halbleiterschalter 310 abfallende Spannung Uds niedrig, der Komparator 315 bestimmt kein Überschreiten des vorbestimmten Werts und es liegt kein Fehlersignal vor.
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Zwischen einem Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 wird die Steuerspannung Ugs linear abgesenkt, bis die abfallende Spannung Uds den vorbestimmten Wert überschreitet und der Ausgang des Komparators 315 aktiv wird. Dieses Verhalten weist darauf hin, dass der Halbleiterschalter 310 dazu verwendet werden kann, den Strom durch ihn – und durch den Verbraucher 105 – abzuschalten, indem die Steuerspannung Ugs weiter in Richtung nichtleitendem Zustand verändert wird, im vorliegenden Beispiel also weiter abgesenkt wird. Mit dem Signal des Komparators 315 wird das Absenken der Steuerspannung Ugs bevorzugterweise abgebrochen und möglichst schnell wieder rückgängig gemacht, sodass am Halbleiterschalter 310 möglichst wenig Leistung in Wärme umgesetzt wird.
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Zu einem Zeitpunkt t3 werden aufgrund eines Fehlers der erste Anschluss 135 der Betriebsspannung 145 und der erste Anschluss 105.1 des Verbrauchers 105 miteinander kurzgeschlossen. Der elektrische Widerstand des Kurzschlusses ist üblicherweise geringer als der zwischen Source und Drain des Halbleiterschalters 310 im leitenden Zustand.
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Zu einem Zeitpunkt T4 beginnt die gleiche Vorgehensweise wie zum Zeitpunkt t1, jedoch erreicht die Steuerspannung Ugs einen vorbestimmten niedrigen Wert, ohne dass der Komparator 315 einen Spannungsabfall am Halbleiterschalter 310 signalisiert hätte, der den vorbestimmten Wert übersteigt. Dieser Zusammenhang weist darauf hin, dass der Halbleiterschalter 310 aufgrund eines Kurzschlusses nicht zur Unterbrechung des durch den Verbraucher 105 fließenden Stroms zur Verfügung steht. Auf diesen Fehler wird durch Ausgeben eines Signals am Ausgang 340 hingewiesen. Eine Abschaltung erfolgt dann durch das Stromventil 120.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Steuervorrichtung
- 105
- Verbraucher
- 105.1
- erster Anschluss
- 105.2
- zweiter Anschluss
- 110
- Verarbeitungseinrichtung
- 115
- erstes Stromventil
- 120
- zweites Stromventil
- 125
- Abtasteinrichtung
- 135
- erstes Potential
- 140
- zweites Potential
- 145
- Betriebsspannung
- 150
- Verpolschutz
- 155
- Pulsweitenmodulation
- 160
- Längswiderstand (Shunt)
- 165
- Diode
- 200
- Verfahren
- 205
- Start
- 210
- zweites Stromventil betätigt
- 215
- erstes Stromventil geschlossen
- 220
- erstes Stromventil weiter öffnen
- 225
- Überstrom-Alarm?
- 230
- erstes Stromventil ausreichend geöffnet?
- 235
- Ende
- 240
- erstes Stromventil vollständig geöffnet
- 245
- Kurzschluss bestimmen
- 305
- integriertes Stromventil
- 310
- Halbleiterschalter
- 315
- Komparator
- 320
- Ansteuervorrichtung
- 325
- Signalisierung
- 330
- erster Steuereingang
- 335
- zweiter Steuereingang
- 340
- Ausgang (Err)
