DE102017215415A1

DE102017215415A1 - Überlasterkennung mit dynamischer Steigungsanpassung

Info

Publication number: DE102017215415A1
Application number: DE102017215415.2A
Authority: DE
Inventors: Jakob Reislhuber
Original assignee: Siemens Schweiz AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen (insbesondere Halbleiterbauelementen, wie z.B. MOSFET Transistoren) oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils oder des Gerätes angebracht ist, und mittels eines mit dem temperaturabhängigen Bauteil gekoppelten Mikrocontroller oder Fensterkomparator die Temperatursteigung und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil oder Gerät bestimmbar ist, wobei basierend auf der ermittelten Steigung der Temperatur und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur bei Erreichen eines definierten Schwellwertes der Temperatursteigung und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur durch den Mikrocomputer Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil oder zu überwachende Gerät aktivierbar sind, wobei der Schwellwert für die Temperatursteigung und/oder der Änderungsgeschwindigkeit bei der Schutzmechanismen aktivierbar sind, auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes erfolgt, oder in Abhängigkeit von einer bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen oder Geräten.
Temperaturüberwachung bzw. zur Überlasterkennung von elektronischen Bauteilen, wie z.B. Halbleiterbauelementen, wie MOSFET Transistoren ist u.a. die Temperaturmessung am Bauteil und der Vergleich der gemessenen Temperatur mit einem Referenzwert bekannt.
Die deutsche Patentanmeldung DE102010042905A1 offenbart ein Halbleiterbauelement mit der Möglichkeit zur Detektion thermisch bedingter Fehler. Das offenbarte Halbleiterbauelement umfasst eine Temperatursensoranordnung, die ein Temperaturmesssignal bereitstellt, das von der Temperatur in oder nahe einem aktiven Bereich abhängt, wobei das Messsignal einen Anstieg (d.h. einen Gradienten) von zeitabhängiger Steilheit aufweist.
In der US Patentschrift US6717225B2 sind ein Verfahren und ein elektrischer Schaltkreis zur Temperaturüberwachung von elektrischen Bauelementen unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts offenbart, wobei die Überwachung über eine Schwellwerterkennung erfolgt.
Bei einer Temperaturüberwachung über Schwellwerterkennung werden im Überlastfall entsprechende Gegenmassnahmen zum Schutz des Bauteils (wie z.B. Abschalten oder Reduzierung der Stromzufuhr) oft zu spät eingeleitet.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen bereitzustellen, um in einem Überlastfall sicher Gegenmassnahmen zum Schutz des Bauteils einleiten zu können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes angebracht ist, die Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil oder Gerät bestimmt wird, wobei basierend auf der ermittelten Steigung der Temperatur jeweils bei Erreichen eines definierten Schwellwertes für die Temperatursteigung Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil oder das Gerät aktiviert werden, wobei der Schwellwert für die Temperatursteigung (d.h. den Temperaturanstieg), bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, abhängig ist von einer bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes. Die Temperatursteigung entspricht der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur. Die Bestimmung des Schwellwertes für die Temperatursteigung, bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, erfolgt jeweils auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät. Ein aktuell erfasster Temperaturwert am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät entspricht somit einer Ausgangstemperatur für die Ermittlung der Temperatursteigung.
Die Temperaturüberwachung ist z.B. zum Schutz der Bauelemente(z.B. Schaltelement) in einem Gerät für das Lichtmanagement (z.B. Dimmer) einsetzbar. Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Temperatur in der Nähe oder direkt am zu überwachenden Bauelement gemessen und die Änderungsgeschwindigkeit (dT/dt) der Temperatur bzw. die Temperatursteigung berechnet. Auf Grundlage der Änderungsgeschwindigkeit können Rückschlüsse auf die zu erwartende Temperatur im Gerät bzw. am Bauelement getroffen und prädiktiv Schutzmechanismen zum Schutz des Bauelements eingeleitet werden, um das Bauelement bzw. das Gerät in dem sich das Bauelement befindet, vor Beschädigungen zu schützen.
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet insbesondere die Möglichkeit, über eine erkannte Temperatursteigerung Rückschlüsse auf die zu erwartende Temperatur zu machen und daraus auf eine zu erwartende Überlast zu schliessen. Das erfindungsgemässe Verfahren basiert somit auf einer Überlasterkennung mit dynamischer Steigungsanpassung, wobei die Steigungsanpassung auf der Vorbelastung des zu überwachenden Bauteils bzw. Gerätes basiert.
Das temperaturabhängige Bauteil (z.B. ein Temperatursensor (z.B. ein Halbleitertemperatursensor) oder ein Thermistor) erkennt das Delta (d.h. eine Änderung) einer elektrischen Kenngrösse des zu überwachenden elektronischen Bauteils bzw. des zu überwachenden elektrischen Gerätes. Beim temperaturabhängigen Bauteil kann es sich z.B. um ein aktives Thermoelement handeln (z.B. Seebeck-Gerät, Thermoelement mit Seebeck-Effekt, wobei eine elektrische Leistungsänderung (Strom und/oder Spannung) erkannt wird) oder um ein passives (z.B. NTC, PTC; wobei eine Änderung des ohmschen Widerstandes erkannt wird). Als temperaturabhängiges Bauteil kann somit z.B. ein Temperatursensor (z.B. ein Halbleitertemperatursensor) oder ein Thermistor verwendet werden.
Insbesondere in einem Mehrkanal-Dimmer wird, durch Schaltvorgänge und Leitungsverluste Wärmeenergie erzeugt. Durch diese erhitzen sich die eingesetzten Schaltelemente und können bei zu hoher Belastung dadurch geschädigt oder sogar zerstört werden. Da der Anschluss einer Überlast nur sehr schwer zu verhindern ist, stellt das erfindungsgemässe Verfahren einen Mechanismus bereit, der vor Überhitzung schützt. Erfindungsgemäss wird die Schwellsteigung (d.h. der Schwellwert der Temperatursteigung) dynamisch zu der bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils (z.B. eines Schaltelements) oder Gerätes angepasst. Die Vorbelastung des zu überwachenden Bauteils (z.B. eines Schaltelements) oder Gerätes wird somit bei der Bestimmung des Schwellwertes bei dessen Erreichen Schutzmassnahmen eingeleitet werden, berücksichtigt. Mit Vorteil werden die Schutzmassnahmen bei Erreichen des Schwellwertes automatisch eingeleitet.
Über die erkannte Steigung der Temperatur bzw. über die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur lassen sich insbesondere für eine prädiktive und vorausschauende Überwachung effektivere und zeitlich adäquatere Schutzmechanismen aktivieren als über eine Überwachung basierend auf einer absoluten Schwellwerterkennung bzw. einer Schwellwerterkennung ohne Berücksichtigung der Vorbelastung des zu überwachenden Bauteils.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schwellwert für die Steigung bzw. der Schwellwert für die Änderungsgeschwindigkeit bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, abhängig ist von einer Starttemperatur bzw. einer aktuell erfassten Temperatur. Die Erwärmungskurve folgt im Wesentlichen einer E-Funktion.
Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Schwellwert für die Temperatursteigung dynamisch zur bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes angepasst wird. Damit wird das Risiko einer Überhitzung vermindert oder sogar komplett vermieden. Mit Vorteil ist die Beziehung zwischen der Bauteiltemperatur und der Temperatursteigerungsschwelle frei einstellbar. Dadurch erreicht man eine maximale Flexibilität hinsichtlich der temperaturabhängigen Auslösung von Schutzmassnahmen für das zu überwachende Bauelement oder Gerät. Mit Vorteil wird die Abhängigkeit von einer geeigneten elektronischen Schaltung z.B. Microcontroller gesteuert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Beziehung zwischen Ausgangstemperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes und des jeweiligen Schwellwertes für die Temperatursteigung bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden indirekt-proportional ist. Mit Vorteil wird die Schwellsteigung dynamisch zur bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes angepasst. Mit Vorteil ist die Beziehung ist indirekt-proportional, d.h. je höher die Ausgangstemperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes desto geringer wird die Temperatursteigerung die erreicht werden darf bevor Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass zur Bestimmung der Temperatursteigung bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes am zu überwachenden Bauteil oder Gerät ein Timer gestartet wird, der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert am zu überwachenden Bauteil oder Gerät erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne, den Messzeitpunkten für den ersten und den zweiten Temperaturwert und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes die Steigung der Temperatur am zu überwachenden Bauteil oder Gerät bestimmt wird. Die Ermittlung von Steigung der Temperatur bzw. Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur ist leicht entsprechende Software oder Firmware auf dem Mikrocontroller implementierbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass es sich beim temperaturabhängigen Bauteil um einen temperaturabhängigen Widerstand (z.B. Thermistor), insbesondere einen NTC-Widerstand, einen PTC-Widerstand, oder ein Thermoelement, insbesondere einen Temperatursensor, handelt.
Als temperaturabhängiges Bauteil können somit handelsübliche Bauelemente verwendet werden. Ein PTC-Widerstand (auch als Kaltleiter bekannt) ist ein temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC steht für Positive Temperature Coefficient). Ein NTC-Widerstand (auch als Heissleiter bekannt) ist auch ein temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand, allerdings mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC steht für Negative Temperature Coefficient).
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen oder elektrischen Geräten (z.B. Heizlüfter), wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils oder des Gerätes angebracht ist, und mittels eines mit dem temperaturabhängigen Bauteil gekoppelten Mikrocontroller oder Fensterkomparator die Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil oder Gerät bestimmbar ist, wobei basierend auf der ermittelten Steigung der Temperatur bei Erreichen eines definierten Schwellwertes der Temperatursteigung durch den Mikrocomputer Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil oder zu überwachende Gerät aktivierbar sind, wobei der Schwellwert für die Temperatursteigung bei der Schutzmechanismen aktivierbar sind, jeweils auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes bestimmbar ist. Die Schaltungsanordnung ist mit handelsüblichen Schaltungselementen realisierbar. Als temperaturabhängiges Bauteil sind z.B. temperaturabhängige Widerstände verwendbar, wie z.B. PTC- oder NTC-Widerstände. Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung bietet insbesondere die Möglichkeit, über eine erkannte Temperatursteigerung Rückschlüsse auf die zu erwartende Temperatur zu machen und daraus auf eine zu erwartende Überlast zu schliessen. Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung basiert somit auf einer Überlasterkennung mit dynamischer Steigungsanpassung, wobei die Steigungsanpassung auf der Vorbelastung des zu überwachenden Bauteils bzw. Gerätes basiert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass zur Bestimmung der Temperatursteigung bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes am zu überwachenden Bauteil oder Gerät, mittels des Mikrocontrollers bzw. mittels des Fensterkomparators ein Timer gestartet wird, der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert am zu überwachenden Bauteil oder Gerät erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne, den Messzeitpunkten für den ersten und den zweiten Temperaturwert und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes die Steigung der Temperatur am zu überwachenden Bauteil oder Gerät im Mikrocomputer bzw. im Fensterkomparator bestimmt wird. Dies lässt sich mit dem Mikrocomputer bzw. einem Mikroprozessor leicht mit entsprechender Software oder Firmware implementieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Mikrocontroller über einen Port mit einem Spannungsteiler aus einem ohmschen Widerstand und dem temperaturabhängigen Bauteil verbunden ist, wobei aus der am Port anliegenden Spannung vom Mikrocomputer die Temperatur des temperaturabhängigen Bauteils bestimmbar ist. Der Spannungsteiler ist mit handelsüblichen Bauteilen aus einem Ohmschen Widerstand und z.B. einem geeigneten handelsüblichen NTC-Widerstand als temperaturabhängiges Bauteil realisierbar. Ein ohmscher Widerstand hat einen festen ohmschen Wert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass es sich beim temperaturabhängigen Bauteil (R1) um einen temperaturabhängigen Widerstand, insbesondere einen NTC-Widerstand, einen PTC-Widerstand, oder ein Thermoelement, insbesondere einen Temperatursensor, handelt. Als temperaturabhängiges Bauteil sind somit geeignete handelsübliche Bauelemente verwendbar. Als Thermoelement sind z.B. geeignete Halbleiter-Temperatursensoren oder Thermistoren verwendbar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass für die Bestimmung der Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil am zu überwachenden Bauteil ein entsprechend konfigurierter Fensterkomparator verwendet wird. Durch die Verwendung eines Komparators kann der Mikrokontroller und somit die Schaltungsanordnung kostengünstiger bereitgestellt werden. Der Komparator erkennt die Schwellspannungen und damit auch die Schwelltemperaturen.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden am Beispiel der nachfolgenden Figuren erläutert. Dabei zeigen:

1 eine erste beispielhafte Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen,
2 ein beispielhaftes Zeit-/Temperatur-Diagramm zur Ermittlung der Steigung der Temperatur,
3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen,
4 eine zweite beispielhafte Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen, und
5 ein beispielhaftes Diagramm für den Verlauf von Schwellwerten in Abhängigkeit einer erfassten Bauteiltemperatur.

1 zeigt eine erste beispielhafte Schaltungsanordnung SA zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen BT oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil R1, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils BT oder des Gerätes angebracht ist, und mittels eines mit dem temperaturabhängigen Bauteil R1 gekoppelten Mikrocontroller C oder Fensterkomparator FK die Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil BT oder Gerät bestimmbar ist, wobei basierend auf der ermittelten Steigung G der Temperatur bei Erreichen eines definierten Schwellwertes der Temperatursteigung durch den Mikrocomputer C Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil BT oder zu überwachende Gerät aktivierbar sind, wobei der Schwellwert für die Temperatursteigung bei der Schutzmechanismen aktivierbar sind, jeweils auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes des zu überwachenden Bauteils BT oder Gerätes bestimmbar ist. Das Bauteil BT ist z.B. Komponente eines elektrischen Gerätes. Basierend auf der ermittelten Steigung (G; 2 bzw. 5) der Temperatur und/oder der ermittelten Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur, können durch den Mikrocomputer C Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil BT aktiviert werden, z.B. Reduktion des Stromes oder Abschalten des Bauteils BT.
Mit Vorteil wird als temperaturabhängiges Bauteil R1 ein temperaturabhängiger Widerstand verwendet, Z.B. ein NTC- oder PTC-Widerstand.
Mit Vorteil ist der Mikrocomputer C über ein Port mit einem Spannungsteiler aus einem Standard-Widerstand R2 und dem temperaturabhängigen Widerstand R1 verbunden, wobei aus der am Port anliegenden Spannung vom Mikrocomputer C die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes R1 bestimmbar ist.
Wenn es sich beim zu überwachenden Bauteil BT z.B. um einen Mosfet-Transisitor handelt, wird mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstands R1 die Temperatur des Drain-Anschluss des Mosfet überwacht. Der Temperaturabhängige Widerstand R1 ist über einen Spannungsteiler an einen Port mit mehreren Spannungsschwellen am Microcontroller C angeschlossen. Aus der am Port anliegenden Spannung kann der Controller C errechnen, welche Temperatur der temperaturabhängige Widerstand R1 gerade hat. Wird an diesem Widerstand R1 eine gewisse Grenztemperatur überschritten, startet der Microcontroller C einen Timer. Stellt sich nun am Widerstand R1 eine zweite höhere Grenztemperatur ein wird der Timer gestoppt und aus der gemessenen Zeit, die Steigung der Temperatur abhängig von der Zeit errechnet. Sollte diese Steigung einen Grenzwert überschreiten und damit eine zu hohe Endtemperatur des Mosfets zu erwarten sein, wird das Gerät die ausgegebene Leistung reduzieren oder komplett abschalten. Beim Gerät kann es sich z.B. um ein Busgerät eines Installationsbuses handeln, in dem sich das Bauteil BT (z.B. der Mosfet-Transisitor) befindet.
Der Microcontroller C ist mit einem Spannungsteiler aus einem Standard Widerstand R2 und einem temperaturabhängigen Widerstand R1 (z.B. NTC oder PTC) verbunden. Der temperaturabhängige Widerstand R1 in der Nähe oder auch direkt am zu überwachenden Bauteil(z.B. Mosfet-Transisitor) platziert. Dies gibt dem Controller C die Möglichkeit über die am Port anliegende Spannung Rückschlüsse auf die Temperatur zu machen.
Der Microcontroller C hat einen Eingang zur Spannungsmessung. Damit sind keine Komparatoren zur Spannungs- bzw. TemperaturÜberwachung erforderlich.
Es ist aber auch möglich die Spannungs- bzw. TemperaturÜberwachung nur mit geeigneten Komparatoren, d.h. ohne Mikrocontroller zu realisieren.
Beispielhaftes Szenario zur erfindungsgemässen Schaltungsanordnung SA: Die Last am Gerät wird eingeschaltet und die Temperatur steigt. Erreicht die gemessene Temperatur z.B. 40°C wird im Controller C ein Timer gestartet. Dieser läuft so lange bis die Temperatur z.B. 70°C erreicht. Hat die Temperatur also 70°C erreicht, weiß wann wie lange es am NTC (temperaturabhängiger Widerstand) von 40°C auf 70°C gedauert hat. Mit dieser Zeit kann man dann die Steigung (G; 2 bzw. 5) der Temperatur errechnen. Ist die Steigung zu groß ist damit zu rechnen, dass das Bauteil BT (z.B. ein Mosfet-Transisitor) eine zu große Temperatur erreichen wird. Daraus folgt, dass das Gerät abgeschaltet werden oder die ausgegebene Leistung reduziert werden muss.
Insbesondere bei einem Mehrkanaldimmer wird, durch Schaltvorgänge und Leitungsverluste Wärmeenergie erzeugt. Durch diese erhitzen sich die eingesetzten Schaltelemente und können bei zu hoher Belastung dadurch geschädigt oder sogar zerstört werden. Da der Anschluss einer Überlast nur sehr schwer zu verhindern ist, ermöglicht die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung SA einen Schutz vor Überhitzung des Mehrkanaldimmers, unter Berücksichtigung der Vorbelastung des Mehrkanaldimmers.
Die Steigungsschwelle der Temperatur wird dynamische zur Temperatur des zu überwachenden elektronischen Bauteils BT oder elektrischen Gerätes (z.B. Heizlüfter) angepasst. Damit wird das Risiko einer Überhitzung des zu überwachenden elektronischen Bauteils BT bzw. des zu überwachenden elektrischen Gerätes verringert bzw. vermieden.
2 zeigt ein beispielhaftes Zeit-/Temperatur-Diagramm zur Ermittlung der Steigung der Temperatur in einem elektrischen Bauteil bzw. Bauelement. Auf der Abszisse ist die Zeit dargestellt, auf der Ordinate die Temperatur zu einer gewissen Zeit. Es wird die Temperatur in der Nähe oder direkt am Bauelement gemessen und die Änderungsgeschwindigkeit (dT/dt) der Temperatur berechnet. Auf Grundlage der Änderungsgeschwindigkeit können Rückschlüsse auf die zu erwartende Temperatur im Gerät bzw. am Bauelement getroffen werden. Sollte diese zu hoch sein werden Schutzmechanismen aktiviert, um das Bauelement und das Gerät vor Beschädigungen zu schützen. Eine Lastüberwachung des Bauteils erfolgt somit nicht über eine einfache Grenzwertüberschreitung der Temperatur, sondern über die Temperatursteigerung werden Rückschlüsse auf die zu erwartende Temperatur am Bauteil gemacht.
Zur Bestimmung der Temperatursteigung und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur wird bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes T1 am Bauteil, im Mikrocomputer ein Timer gestartet wird, der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert T2 am Bauteil erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne (t₂ - t₁ ), den Messzeitpunkten t₁ bzw. t₂ für den ersten und den zweiten Temperaturwert T1 bzw. T2 und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes T1, T2 die Steigung G der Temperatur und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil im Mikrocomputer bestimmt.
Sollte diese Steigung G einen Grenzwert überschreiten und damit eine zu hohe Endtemperatur des Mosfets zu erwarten sein, wird das Gerät (in dem sich das zu überwachende Bauteil befindet) die ausgegebene Leistung reduzieren oder komplett abschalten.
3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil (z.B. einen temperaturabhängigen Widerstand), das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils angebracht ist, und über einen mit dem temperaturabhängigen Bauteil gekoppelten Mikrocontroller oder Fensterkomparator die Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil bestimmt wird.
Mit Vorteil wird zur Bestimmung der Temperatursteigung und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes am zu überwachenden Bauteil, im Mikrocomputer ein Timer gestartet (VS1), der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert am zu überwachenden Bauteil erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne, den Messzeitpunkten für den ersten und den zweiten Temperaturwert und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes die Steigung der Temperatur und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil im Mikrocomputer bestimmt wird (VS2).
Mit Vorteil werden, basierend auf der ermittelten Steigung der Temperatur und/oder der ermittelten Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur durch den Mikrocomputer Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil aktiviert (VS3).
Das erfindungsgemässe Verfahren kann zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen oder elektrischen Geräten (z.B. Heizlüfter) verwendet werden. Das erfindungsgemässe Verfahren kann durch einen Mikrocontroller oder einen entsprechend eingerichteten Fensterkomparator (Window-Comparator) realisiert werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bei einer Realisierung durch einen Mikrocomputer C liegt darin, dass über ein temperaturabhängiges Bauteil, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils BT bzw. des zu überwachenden elektrischen Gerätes angebracht ist, und über einen mit dem temperaturabhängigen Bauteil R1 gekoppelten Mikrocontroller C die Temperatursteigung G und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil oder Gerät bestimmt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bei einer Realisierung durch einen Mikrocomputer C liegt darin, dass zur Bestimmung der Temperatursteigung G und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes T1 am zu überwachenden Bauteil, im Mikrocomputer C ein Timer gestartet wird, der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert T2 am zu überwachenden Bauteil BT erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne, den Messzeitpunkten (t₁ , t₂ ) für den ersten und den zweiten Temperaturwert (T1, T2) und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes (T1, T2) die Steigung G der Temperatur und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil BT im Mikrocomputer C bestimmt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung bei einer Realisierung durch einen Mikrocomputer C liegt darin, dass basierend auf der ermittelten Steigung G der Temperatur und/oder der ermittelten Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur jeweils bei Erreichen eines definierten Schwellwertes für die Temperatursteigung bzw. für die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur durch den Mikrocomputer C Schutzmechanismen oder Gegenmassnahmen (z.B. Abschalten, Kühlen) für das zu überwachende Bauteil BT bzw. für das zu überwachende Gerät aktiviert werden. Mit Vorteil ist der Schwellwert für die Temperatursteigung, bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, abhängig ist von einer bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils BT oder Gerätes.
Mit Vorteil wird der Schwellwert für die Temperatursteigung bzw. für die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur dynamisch zur bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils BT oder Gerätes angepasst.
Mit Vorteil ist die Beziehung zwischen Ausgangstemperatur des zu überwachenden Bauteils BT oder Gerätes und des jeweiligen Schwellwertes für die Temperatursteigung bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, indirekt proportional. D.h. je höher die Ausgangstemperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes desto geringer wird die Temperatursteigerung die erreicht werden darf bevor Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
Die Bestimmung des Schwellwertes für die Temperatursteigung, bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, erfolgt mit Vorteil jeweils auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes am zu überwachenden Bauteil BT oder Gerät. Ein aktuell erfasster Temperaturwert am zu überwachenden Bauteil BT oder Gerät kann somit als Ausgangstemperatur für die Ermittlung der Temperatursteigung verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in einer Schaltungsanordnung SA zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen BT oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil R1, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils BT oder des Gerätes angebracht ist, und über einen mit dem temperaturabhängigen Bauteil R1 gekoppelten Mikrocontroller C oder über einen mit dem temperaturabhängigen Bauteil R1 gekoppelten Fensterkomparator die Temperatursteigung und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil BT oder Gerät am bestimmt wird.
4 zeigt eine zweite beispielhafte Schaltungsanordnung SA zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen BT oder Geräten (z.B. Schalter, Kabel, Transistoren), wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil (z.B. einen temperaturabhängigen Widerstand) R1, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils BT angebracht ist, und über einen mit dem temperaturabhängigen Bauteil R1 gekoppelten Fensterkomparator FK (Window Comparator) die Temperatursteigung (G; 2 bzw. 5) am zu überwachenden Bauteil BT und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil BT bestimmt wird. Das Bauteil BT ist z.B. Komponente eines elektrischen Gerätes. Der Fensterkomparator FK erkennt eine Eingangsspannung, die abhängig ist vom temperaturabhängigen Widerstand R1, d.h. der Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes R1 auf einen oberen und einen unteren Schwellwert (Schwelle 1 bzw. Schwelle 2). Der Fensterkomparator FK umfasst u.a. eine entsprechende Auswerteschaltung zur Weiterverarbeitung der durch die Eingänge gelieferten Werte bzw. Messwerte.
5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm für den Verlauf von Schwellwerten in Abhängigkeit einer erfassten Bauteiltemperatur. Die Darstellung gemäss 5 stellt ein kartesisches Koordinatensystem dar, wobei die Bauteiltemperatur (BTT) auf der Abszisse dargestellt ist, und die Steigungsschwelle (SS), d.h. der entsprechende Steigungsschwellwert auf der Ordinatenachse. In der Darstellung gemäss 5 sind drei Schwellwertkurven SWK1 - SWK3 dargestellt. Die Schwellwertkurve SWK1 stellt eine Gerade dar und somit eine lineare Beziehung zwischen der jeweiligen Bauteiltemperatur (BTT) und des darauf basierenden einzustellenden Schwellwertes (SS) bei dessen Erreichung Schutzmassnahmen (z.B. Abschalten, Kühlung, Leistungsverminderung) für das zu überwachende Bauteil eingeleitet werden. Bei der Verwendung einer linearen Schwellwertkurve SWK1 wird die Vorbelastung des zu überwachenden Bauteils nicht oder nur unzureichend berücksichtigt.
Wenn der Schwellwert (SS) aber auf der jeweiligen aktuell erfassten Bauteiltemperatur (BTT) basiert und entsprechend eingestellt wird, kann die Vorbelastung des zu überwachenden Bauteils bei der Bestimmung des Schwellwertes (SS) berücksichtigt werden.
Die Schwellwertkurven SWK2 und SWK3 stellen dynamische Verläufe für die Schwellwertbestimmung dar. In Abhängigkeit von der jeweiligen Bauteiltemperatur (BTT) wird für die Auslösung von Schutzmassnahmen ein entsprechender Schwellwert bzw. eine entsprechende Schwellwertschwelle (SS) eingestellt. Die dynamischen Schwellwertkurven SWK2 und SWK3 können z.B. basierend auf einer linearen Schwellwertkurve SWK1 durch eine entsprechende Transformation EV eingestellt werden. Bei den dynamischen Schwellwertkurven SWK2 und SWK3 kann es sich z.B. um ein Polynom zweiter oder höherer Ordnung handeln.
Mit Vorteil wird bei der Erstellung einer dynamischen Schwellwertkurve SWK2 und SWK3 ein Modell (z.B. Badewannenkurve) der Lebensdauer des zu überwachenden Bauteils bzw. des zu überwachenden Gerätes verwendet. Mit Vorteil erfolgt die Erstellung einer dynamischen Schwellwertkurve SWK2 und SWK3 durch einen entsprechend eingerichteten Mikroprozessor.
Die Erstellung einer dynamischen Schwellwertkurve SWK2 und SWK3 kann auch auf der mittleren Betriebsdauer bis zum Ausfall (MTTF, Mean Time To Failure) des zu überwachenden Bauteils bzw. des zu überwachenden Gerätes basieren.
Die Beziehung zwischen der Bauteiltemperatur (BTT) und der Temperatursteigungsschwelle (SS) ist prinzipiell frei einstellbar. Dadurch erreicht man eine maximale Flexibilität. Gesteuert wird die Abhängigkeit zwischen der Bauteiltemperatur (BTT) und der Temperatursteigungsschwelle (SS) mit Vorteil von einer geeigneten elektronischen Schaltung z.B. Microcontroller.
Verfahren und Schaltungsanordnung zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen (insbesondere Halbleiterbauelementen, wie z.B. MOSFET Transistoren) oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil, das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils oder des Gerätes angebracht ist, und mittels eines mit dem temperaturabhängigen Bauteil gekoppelten Mikrocontroller oder Fensterkomparator die Temperatursteigung und/oder die Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am zu überwachenden Bauteil oder Gerät bestimmbar ist, wobei basierend auf der ermittelten Steigung der Temperatur und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur bei Erreichen eines definierten Schwellwertes der Temperatursteigung und/oder der Änderungsgeschwindigkeit der Temperatur durch den Mikrocomputer Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil oder zu überwachende Gerät aktivierbar sind, wobei der Schwellwert für die Temperatursteigung und/oder der Änderungsgeschwindigkeit bei der Schutzmechanismen aktivierbar sind, auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes erfolgt, oder in Abhängigkeit von einer bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils oder Gerätes.
Bezugszeichenliste

SA: Schaltungsanordnung
C: Mikrocomputer
R1 - R5: Widerstand
GND: Erdung (Ground)
BT: Bauteil
t₁, t₂: Zeitpunkt
T1, T2: Temperaturwert
GT: Grenztemperatur
HT: Höchsttemperatur
G: Gerade
VS1 - VS3: Verfahrensschritt
FK: Fensterkomparator
SWK1 - SWK3: Schwellwertkurve
EV: Einstellbarer Verlauf
SS: Steigungsschwelle
BTT: Bauteiltemperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042905 A1 [0003]
US 6717225 B2 [0004]

Claims

Verfahren zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen (BT) oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil (R1), das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils (BT) oder Gerätes angebracht ist, die Temperatursteigung (G) am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät bestimmt wird, wobei basierend auf der ermittelten Steigung (G) der Temperatur jeweils bei Erreichen eines definierten Schwellwertes für die Temperatursteigung Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil (BT) oder das Gerät aktiviert werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (SS) für die Temperatursteigung, bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden, abhängig ist von einer bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils (BT) oder Gerätes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schwellwert (SS) für die Temperatursteigung dynamisch zur bereits erreichten Temperatur des zu überwachenden Bauteils (BT) oder Gerätes angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beziehung zwischen Ausgangstemperatur des zu überwachenden Bauteils (BT) oder Gerätes und des jeweiligen Schwellwertes (SS) für die Temperatursteigung bei der Schutzmechanismen eingeleitet werden indirekt proportional ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Bestimmung der Temperatursteigung (G) bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes (T1) am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät ein Timer gestartet wird, der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert (T2) am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne, den Messzeitpunkten (t₁, t₂) für den ersten und den zweiten Temperaturwert (T1, T2) und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes (T1, T2) die Steigung (G) der Temperatur am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich beim temperaturabhängigen Bauteil (R1) um einen temperaturabhängigen Widerstand, insbesondere einen NTC-Widerstand, einen PTC-Widerstand, oder ein Thermoelement, insbesondere einen Temperatursensor, handelt.
Schaltungsanordnung (SA) zur Temperaturüberwachung von elektronischen Bauteilen (BT) oder elektrischen Geräten, wobei über ein temperaturabhängiges Bauteil (R1), das am oder in der Nähe des zu überwachenden Bauteils (BT) oder des Gerätes angebracht ist, und mittels eines mit dem temperaturabhängigen Bauteil (R1) gekoppelten Mikrocontroller (C) oder Fensterkomparator (FK) die Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät bestimmbar ist, wobei basierend auf der ermittelten Steigung (G) der Temperatur bei Erreichen eines definierten Schwellwertes (SS) der Temperatursteigung durch den Mikrocomputer (C) Schutzmechanismen für das zu überwachende Bauteil (BT) oder zu überwachende Gerät aktivierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert für die Temperatursteigung bei der Schutzmechanismen aktivierbar sind, jeweils auf Basis eines aktuell erfassten Temperaturwertes des zu überwachenden Bauteils (BT) oder Gerätes bestimmbar ist.
Schaltungsanordnung (SA) nach Anspruch 6, wobei zur Bestimmung der Temperatursteigung (G) bei Erreichung eines ersten definierten Temperaturwertes (T1) am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät, mittels des Mikrocontrollers (C) bzw. mittels des Fensterkomparators (FK) ein Timer gestartet wird, der solange läuft, bis ein zweiter definierter Temperaturwert (T2) am zu überwachenden Bauteil oder Gerät erreicht wird, wobei mit der vom Timer ermittelten Zeitspanne, den Messzeitpunkten (t₁, t₂) für den ersten und den zweiten Temperaturwert (T1, T2) und den ersten und zweiten definierten Temperaturwertes (T1, T2) die Steigung (G) der Temperatur am zu überwachenden Bauteil (BT) oder Gerät im Mikrocomputer (C) bzw. im Fensterkomparator (FK) bestimmt wird.
Schaltungsanordnung (SA) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei der Mikrocontroller (C) über einen Port mit einem Spannungsteiler aus einem ohmschen Widerstand (R2) und dem temperaturabhängigen Bauteil (R1) verbunden ist, wobei aus der am Port anliegenden Spannung vom Mikrocomputer (C) die Temperatur des temperaturabhängigen Bauteils (R1) bestimmbar ist.
Schaltungsanordnung (SA) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei es sich beim temperaturabhängigen Bauteil (R1) um einen temperaturabhängigen Widerstand, insbesondere einen NTC-Widerstand, einen PTC-Widerstand, oder ein Thermoelement, insbesondere einen Temperatursensor, handelt.
Schaltungsanordnung (SA) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei für die Bestimmung der Temperatursteigung am zu überwachenden Bauteil (BT) ein entsprechend konfigurierter Fensterkomparator (FK) verwendet wird.