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Das Lenkrad und der Fahrersitz eines Kraftfahrzeugs ist bei Fahrzeugen regelmäßig mit einer elektrischen Heizung als Komfortfunktion versehen, dazu ist der Griffbereich, insbesondere der Lenkradkranz des Lenkrads bzw. das Sitzpolster und das Rückenpolster des Sitzes mit einem Heizdraht durchzogen. Aus sicherheitstechnischen Überlegungen aber auch um zusätzliche Komfortfunktionen zu realisieren, besteht Bedarf ferner eine Berühr- oder zumindest eine Annäherungsdetektion durchführen zu können, wie die sogenannte Hands-On-Detektion, bei der es darum geht, das Ergreifen des Lenkradkranzes zu überwachen, oder die Fahrer-Beifahrer-Erkennung, bei der es beispielsweise darum geht, spezielle Komfortfunktionen sitzpositionsspezifisch zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Es bietet sich daher an, den Heizdraht in einer Nicht-Heizphase im sogenannten Messbetrieb als Elektrode zur kapazitiven Annäherungsdetektion zu verwenden. Da der Heizbetrieb üblicherweise mit einem pulsweitenmodulierten Heizstrom durchgeführt wird, sind Phasen, in denen kein Heizstrom anliegt, vorhanden, die für den Messbetrieb genutzt werden. Um in dem Messbetrieb „allseitige“, d.h. von allen den Heizstrom bereitstellenden Polen der Heizspannung Einstreuungen in die zwischen dem Heizdraht als kapazitive Elektrode und einer Referenzelektrode oder dem Massepotenzial zu vermeiden, ist es beispielsweise aus der
DE 11 2014 002 044 T5 bekannt, den Heizdraht allpolig mittels Feldeffekttransistoren im Messbetrieb von denen die unterschiedlichen Heizpotenziale bereitstellenden Polen zu trennen. Schaltmittel, insbesondere Feldeffekttransistoren weisen parasitäre Kapazitäten auf, die bei der Bestimmung der eigentlichen Messkapazität störend wirken können. Die
US 2010/0038351 A1 schlägt vor, die isolierende Wirkung der sperrenden Schaltmittel im Messbetrieb durch zusätzliche Impedanzen, insbesondere Dioden, zu unterstützen, wobei zusätzlich ein Abschirmsignal an die Verbindungsleitung zwischen den Dioden und den Schaltmitteln anliegen kann. Eine derartige Lösung hat den Nachteil, dass die zusätzlichen Impedanzen insbesondere die Dioden den Heizstrom beeinflussen, insbesondere ohmsche Verluste aufweisen und somit die elektrische Heizspannung nicht optimal in thermische vom Heizdraht abgegebene Heizleistung (Joulesche Wärme) umgesetzt werden kann. Ein weiteres Problem bei der Verwendung des Heizdrahtes als Elektrode zur kapazitiven Annäherungsdetektion ist, dass die Elektrode durch den Wechsel zwischen Heizbetrieb und dem Messbetrieb als Nicht-Heizbetrieb einer hohen thermischen Belastung und thermisch bedingter Ausdehnungsschwankungen unterliegt, wodurch sich letztlich auch ein Ausfall des Heizdrahtes aber auch Schwankungen der Sensitivität der mit dem Heizdraht verbundenen Detektionsschaltung ergeben.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltungsaufbau für den alternierenden Heiz- und kapazitiven Messbetrieb bereitzustellen, bei dem neben der effizienten Nutzung des Heizstroms im Heizbetrieb gleichzeitig die Zuverlässigkeit der kapazitiven Annäherungsmessung im Messbetrieb zumindest sichergestellt oder gar verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Schaltungsaufbau des Anspruchs 1. Weitere Merkmale, Ausführungsformen, Eigenschaften und Vorteile ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Durchführung eines alternierenden Heiz- und kapazitiven Messbetriebs mittels eines gemeinsamen Heizdrahts sowie die erfindungsgemäße Verwendung der Schaltungsanordnung sind jeweils Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche.
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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schaltungsaufbau für den alternierenden Heiz- und kapazitiven Messbetrieb unter Verwendung eines gemeinsamen Heizdrahtes, wobei im Heizbetrieb der Heizdraht, der beispielsweise ein Widerstandsdraht, wie ein Nickel-Chrom-Draht ist, mit aus zwei auf zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen liegenden Polen gespeisten elektrischen Heizstrom durchsetzt wird, wobei an dem Heizdraht eine Heizspannung abfällt. Die Schaltungsanordnung weist ein Paar erster Schaltelemente und ein Paar zweiter Schaltelemente auf. Bevorzugt sind die ersten Schaltelemente durch einen Transistor, bevorzugter jeweils durch einen Feldeffekttransistor, meist bevorzugt einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) ausgebildet. Noch bevorzugter sind erste und zweite Schaltelemente durch einen Transistor, bevorzugter jeweils durch einen Feldeffekttransistor, meist bevorzugt einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) realisiert. Der Heizdraht ist dabei so mit den ersten und zweiten Schaltelementen verschaltet, dass in dem Heizbetrieb, während dem die ersten und zweiten Schaltelemente, somit zeitgleich, in leitendem Zustand sind, die ersten und zweiten Schaltelemente und der Heizdraht in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der Heizdraht jeweils über ein erstes Schaltelement und ein über einen Leiterabschnitt mit dem ersten Schaltelement verbundenes, zweites Schaltelement mit einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen, beispielsweise einerseits Fahrzeugmasse und andererseits dem positiven Batteriepotenzial, leitend verbunden. Dadurch, dass im Heizbetrieb die ersten und zweiten Schaltelemente durchgeschaltet sind, wird der Heizdraht mit dem Heizstrom durchsetzt. Ist mindestens ein Schaltelement der ersten und zweiten Schaltelemente im nicht-leitenden bzw. sperrenden Zustand liegt kein Heizstrom an. Durch periodisches Umschalten und Verändern der Dauer des jeweiligen Heizbetriebs, beispielsweise durch Ansteuerung wenigstens eines oder aller Schaltelemente mittels eines pulsweitenmodulierten Signals, kann somit die Heizleistung des Heizdrahtes eingestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Detektionsschaltung vorgesehen, um in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs liegenden Messbetrieb, die Messkapazität des Heizdrahts gegenüber einem Referenzpotenzial, beispielsweise dem einer Referenzelektrode oder der Fahrzeugmasse, durch Beaufschlagung des Heizdrahtes mit einer Wechselspannung einer Wechselspannungsquelle zu ermitteln. Anhand einer Änderung dieser Messkapazität lässt sich beispielsweise eine Annäherung eines Fahrzeuginsassen oder zumindest die Annäherung einer Hand des Fahrzeuginsassen detektieren. Zur Bestimmung der Messkapazität dieser Art sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Erfindungsgemäß werden hier solche Verfahren angewandt, bei denen die Messkapazität zuverlässig durch Anlegen einer Wechselspannung an den Heizdraht als Sendeelektrode detektierbar ist. Amplitudenmodulierte Detektionsschaltungen versorgen den durch den Heizdraht gebildeten zu messenden Kondensator mit hochfrequentem Wechselstrom (z. B. 20 kHz) und erfassen den resultierenden Blindstrom.
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Bei frequenzmodulierten Detektionsschaltungen wird die zu messende Messkapazität mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis als Bestandteil eines LC-Oszillators zusammengeschaltet, dessen Frequenz gemessen wird, indem sie mit einer Referenz verglichen wird. Bei einer anderen Variante der frequenzmodulierten Detektionsschaltung ist die Messkapazität Bestandteil eines astabilen Multivibrators. Bevorzugt ist die Detektionsschaltung ausgelegt, im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung resultierenden Stromverlauf zwischen dem Heizleiter und der Wechselspannungsquelle zu messen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Stromverlauf die jeweilige Messkapazität zu ermitteln. Beispielsweise wird der Stromverlauf anhand eines Spannungsabfalls an einem Nebenschlusswiderstand (shunt) unter Signalverstärkung durch einen Messverstärker gemessen.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Steuerschaltung vorgesehen, um die ersten Schaltelemente und zweiten Schaltelemente von dem Heizbetrieb in den Messbetrieb zu schalten, während dem die ersten Schaltelemente und die zweiten Schaltelemente in sperrendem Zustand sind, so dass die beiden im Heizbetrieb elektrisch leitenden Verbindungen des Heizdrahts zu den zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen im Messbetrieb jeweils mehrfach unterbrochen sind. Die mehrfache Unterbrechung zu den beiden Heizpotenzialen hat den Vorteil, dass neben der besonders effektiven, kapazitiven Entkopplung des Heizdrahtes gegenüber den Heizpotenzialen und der Verminderung der parasitären Kapazitäten auf der mehrfach unterbrochenen Verbindung zu den Heizpotenzialen, bei der nunmehr die Schaltelemente als in Reihe geschaltete kapazitive Impedanzen zu betrachten sind, ferner eine eine Wechselspannung nutzende Detektionsschaltung verbessert genutzt werden kann, da die ersten Schaltelemente, beispielsweise anders als die nicht symmetrisch geschalteten Dioden im Stand der Technik, symmetrisch trennen und sich diese Trennung auf beide Stromrichtungen des im Messbetrieb generierten Wechselstroms auswirkt, was die Ermittlung der Messkapazität mittels Wechselspannung, aber insbesondere den bevorzugten Weg über die Detektion der Phasenverschiebung erleichtert und verbessert.
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Erfindungsgemäß ist die Steuerschaltung ferner ausgebildet, in einer innerhalb des Messbetriebs liegenden Prüfphase eine mindestens ein drittes Schaltelement und eine Prüfimpedanz beinhaltende Prüfschaltung so zu schalten, dass der Messkapazität die Prüfimpedanz zugeschaltet wird, und eine zugehörige Messkapazitätsänderung und/oder eine Gesamtimpedanz aus der Messkapazität und Prüfimpedanz durch die Detektionsschaltung zumindest detektiert wird. Beispielsweise wird eine durch die Zuschaltung der Prüfimpedanz bewirkte Änderung der Messkapazität lediglich qualitativ detektiert. In einer anderen Ausgestaltung ist eine quantitative Messung der resultierenden Gesamtimpedanz aus Messkapazität und Prüfimpedanz vorgesehen, um eine Kalibrierung der Detektionsschaltung mittels der vorgegebenen Prüfimpedanz zu ermöglichen. In einer einfachen Ausgestaltung wird lediglich hinsichtlich zeitlicher Koinzidenz zwischen Messkapazitätsänderung und Schaltzustandsänderung untersucht. Durch das Vorsehen der Prüfphase und den zugehörigen konstruktiven Merkmalen ist es möglich durch vergleichsweise einfache technische konstruktive Erweiterung einer Heiz- und Messschaltung einerseits die Unversehrtheit des Heizdrahtes aber auch die Detektionsschaltung auf Funktion zu überprüfen und bei quantitativer Untersuchung, beispielsweise durch Ermitteln der Messkapazitätsänderung oder der in der Prüfphase resultierenden Gesamtimpedanz eine Kalibrierung der Detektionsschaltung oder nachgeschalteter Auswerteinrichtungen durchzuführen. Bevorzugt ist die Dauer der Prüfphase kürzer als die Dauer eines zwischen zwei abfolgenden Heizbetrieben durchgeführten Messbetriebs. In dem außerhalb der Prüfphase liegenden Zeitbereich ist wenigstens ein drittes Schaltelement in sperrendem Zustand. Beispielsweise ist das Zeitverhältnis aus der Dauer der Prüfphase zu Gesamtdauer des die Prüfphase beinhaltenden Messbetriebs weniger als 1/10.
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In einer Ausgestaltung findet die Prüfphase ausschließlich über einen Zeitraum statt, innerhalb dessen eine händische Annäherung an das Lenkrad ausgeschlossen ist, beispielsweise im verriegelten, unbesetzten Zustand der Fahrzeugkabine. In einer anderen Ausgestaltung wird die Prüfphase ausschließlich dann durchgeführt, wenn in einem zeitlich vorhergehenden, sich außerhalb der Prüfphase befindlichen Messbetrieb keine Annäherung detektiert wurde. In einer Ausgestaltung wird die Prüfphase zu Beginn eines Messbetriebs durchgeführt. Bei der alternierenden Abfolge von Heizbetrieb und Messbetrieb kann vorgesehen sein, dass bei mehreren Messbetrieben wenigstens einer ohne Prüfphase, bevorzugt die Mehrzahl von Messbetrieben ohne Prüfphase durchgeführt werden.
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Das Zuschalten umfasst beispielsweise, dass der Messkapazität eine Prüfimpedanz in Serie zugeschaltet wird. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die zur Prüfschaltung gehörige Prüfimpedanz in der Prüfphase der Messkapazität parallel zugeschaltet ist.
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Bevorzugt verbindet in der Prüfphase das dritte Schaltelement den Heizdraht über die Prüfimpedanz mit dem Referenzpotenzial elektrisch leitend. Bevorzugt ist die Prüfimpedanz ein Kondensator mit einer vorgegebenen Prüfkapazität. Zur Vermeidung parasitärer Kapazitäten ist das dritte Schaltelement bevorzugt ein Bipolartransistor.
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Bevorzugt ist der Schaltungsaufbau ausgelegt, dass der Heizbetrieb und Messbetrieb im alternierenden Wechsel betrieben wird. Beispielsweise ist die Steuerschaltung ausgebildet, ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal für die ersten und/oder zweiten Schaltelemente zu erzeugen. Ferner ist beispielsweise ein Mikrokontroller vorgesehen, um den Tastgrad des pulsweitenmodulierten Steuersignals in Abhängigkeit einer gewünschten und/oder vorgegebenen Heizleistung zu variieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus ist ferner eine Abschirmschaltung vorgesehen, die ausgebildet ist, während des Messbetriebs mindestens die Leiterabschnitte zwischen jeweils dem ersten und zweiten Schaltelement mit der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle zu beaufschlagen. Hierbei soll mit der erneuten Verwendung des Begriffs Wechselspannung darauf abgestellt, dass die im Messbetrieb am Heizdraht anliegende Wechselspannung und die an den Leiterabschnitten anliegende Wechselspannung im Wesentlichen in Amplitude, Frequenz und Phase übereinstimmen, um eine optimale Abschirmung zu erreichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest die ersten Schaltelemente Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, und ist die Abschirmschaltung ausgelegt, dass die Wechselspannung im Messbetrieb jeweils an einem Steueranschluss des zugehörigen Transistors, wie Basis oder Gate, anliegt, um eine besonders effektive Abschirmung zu erreichen. Dabei ist die Wechselspannung und/oder sind die ersten Schaltelemente so ausgelegt, dass ein Schaltvorgang der ersten Schaltelemente im Messbetrieb ausgeschlossen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Detektionsschaltung zur Kompensation eines temperaturabhängigen Sperrverhaltens der ersten Schaltelemente durch eine Kompensationsschaltung ergänzt, insbesondere wenn diese als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind und ein temperaturabhängiger Blindstrom nicht ganz unterbunden werden kann. Um dies zu kompensieren, ist die Kompensationsschaltung beispielsweise ausgebildet, den Arbeitspunkt des den Wechselstromverlauf messenden Messverstärkers temperaturabhängig, der Änderung des Sperrverhaltens entgegenwirkend zu ändern. Dazu weist die Kompensationsschaltung beispielsweise eine ein R2R-Netzwerk ausbildende, mikrocontrollergesteuerte Referenzschaltung auf.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung des Schaltungsaufbaus in einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen in einem Kraftfahrzeug, wobei der Heizdraht in ein Lenkrad des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in einen Lenkradkranz des Lenkrades, integriert ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Durchführung eines alternierenden Heiz- und kapazitiven Messbetriebs mittels eines gemeinsamen Heizdrahts mit den folgenden Schritten.
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In einem Heizbetrieb sind durch eine Steuerschaltung ein Paar aus ersten Schaltelementen und ein Paar aus zweiten Schaltelementen in leitendem Zustand geschaltet. Während dieses Heizbetriebs sind die ersten Schaltelemente und die zweiten Schaltelemente und der Heizdraht in Reihe geschaltet. Ferner ist im Heizbetrieb der Heizdraht jeweils über ein erstes Schaltelement und ein über einen Leiterabschnitt mit dem ersten Schaltelement verbundenes, zweites Schaltelement mit einem von zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen leitend verbunden, so dass der Heizdraht aufgrund der unterschiedlichen Heizpotentiale mit einem Heizstrom beaufschlagt wird.
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In einem nachfolgenden Schritt erfolgt ein Auslösen eines Wechsels der ersten Schaltelemente und der zweiten Schaltelemente von dem Heizbetrieb in einen Messbetrieb durch die Steuerschaltung, wobei während des Messbetriebs die ersten Schaltelemente und die zweiten Schaltelemente in sperrendem Zustand sind. Dadurch sind im Messbetrieb die beiden im Heizbetrieb elektrisch leitenden Verbindungen des Heizdrahts zu den zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen jeweils mehrfach unterbrochen. Während des Messbetriebs wird die Messkapazität des Heizdrahts gegenüber einem Referenzpotenzial durch Beaufschlagung des Heizdrahtes mit einer Wechselspannung durch eine Detektionsschaltung ermittelt. Nachfolgend erfolgt bevorzugt ein Wechsel von dem Messbetrieb in den Heizbetrieb, noch bevorzugter werden Heizbetrieb und Messbetrieb im alternierenden Wechsel betrieben.
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Erfindungsgemäß wird in einer innerhalb des Messbetriebs liegenden Prüfphase durchgeführt, während der mittels einer mindestens ein drittes Schaltelement und eine Prüfimpedanz beinhaltenden Prüfschaltung, die Prüfschaltung durch die Steuerschaltung so geschaltet wird, dass der Messkapazität eine Prüfimpedanz zugeschaltet wird und eine zugehörige Messkapazitätsänderung und/oder eine Gesamtimpedanz aus der Messkapazität und Prüfimpedanz durch die Detektionsschaltung zumindest detektiert wird.
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Beispielsweise wird eine durch die Zuschaltung der Prüfimpedanz bewirkte Änderung der Messkapazität lediglich qualitativ detektiert. In einer anderen Ausgestaltung ist eine quantitative Messung der resultierenden Gesamtimpedanz aus Messkapazität und Prüfimpedanz vorgesehen, um eine Kalibrierung der Detektionsschaltung mittels der vorgegebenen Prüfimpedanz zu ermöglichen. In einer einfachen Ausgestaltung wird lediglich hinsichtlich zeitlicher Koinzidenz zwischen Messkapazitätsänderung und Schaltzustandsänderung untersucht.
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Durch das Vorsehen der Prüfphase und den zugehörigen konstruktiven Merkmalen ist es möglich durch vergleichsweise einfache technische konstruktive Erweiterung einer Heiz- und Messschaltung einerseits die Unversehrtheit des Heizdrahtes aber auch die Detektionsschaltung auf Funktion zu überprüfen und bei quantitativer Untersuchung, beispielsweise durch Ermitteln der Messkapazitätsänderung oder der in der Prüfphase resultierenden Gesamtimpedanz eine Kalibrierung der Detektionsschaltung oder nachgeschalteter Auswerteinrichtungen durchzuführen. Bevorzugt ist die Dauer der Prüfphase kürzer als die Dauer eines zwischen zwei abfolgenden Heizbetrieben durchgeführten Messbetriebs. In dem außerhalb der Prüfphase liegenden Zeitbereich ist wenigstens ein drittes Schaltelement in sperrendem Zustand. Beispielsweise ist das Zeitverhältnis aus der Dauer der Prüfphase zu Gesamtdauer des die Prüfphase beinhaltenden Messbetriebs weniger als 1/10.
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In einer Ausgestaltung findet die Prüfphase ausschließlich über einen Zeitraum statt, innerhalb dessen eine händische Annäherung an das Lenkrad ausgeschlossen ist, beispielsweise im verriegelten, unbesetzten Zustand der Fahrzeugkabine. In einer anderen Ausgestaltung wird die Prüfphase ausschließlich dann durchgeführt, wenn in einem zeitlich vorhergehenden, sich außerhalb der Prüfphase befindlichen Messbetrieb keine Annäherung detektiert wurde. In einer Ausgestaltung wird die Prüfphase zu Beginn eines Messbetriebs durchgeführt. Bei der alternierenden Abfolge von Heizbetrieb und Messbetrieb kann vorgesehen sein, dass bei mehreren Messbetrieben wenigstens einer ohne Prüfphase, bevorzugt die Mehrzahl von Messbetrieben ohne Prüfphase durchgeführt werden.
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Das Zuschalten umfasst beispielsweise, dass der Messkapazität eine Prüfimpedanz in Serie zugeschaltet wird. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die zur Prüfschaltung gehörige Prüfimpedanz während der Prüfphase der Messkapazität parallel zugeschaltet ist.
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Bevorzugt verbindet in der Prüfphase das dritte Schaltelement den Heizdraht über die Prüfimpedanz mit dem Referenzpotenzial elektrisch leitend. Bevorzugt ist die Prüfimpedanz ein Kondensator mit einer vorgegebenen Prüfkapazität. Zur Vermeidung parasitärer Kapazitäten ist das dritte Schaltelement bevorzugt ein Bipolartransistor.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Messbetriebs die Leiterabschnitte durch eine Abschirmschaltung mit der Wechselspannung der Wechselspannungsquelle beaufschlagt. Hierbei wird mit der Verwendung des Begriffs Wechselspannung darauf abgestellt, dass die im Messbetrieb am Heizdraht anliegende Wechselspannung und die an den Leiterabschnitten anliegende Wechselspannung im Wesentlichen in Amplitude, Frequenz und Phase übereinstimmen, um eine optimale Abschirmung zu erreichen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind zumindest die ersten Schaltelemente durch Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren, realisiert, wobei durch Auslegung der Abschirmschaltung die Wechselspannung im Messbetrieb jeweils an einem Steueranschluss des zugehörigen Transistors, wie Basis oder Gate, anliegt, um eine besonders effektive Abschirmung zu erreichen. Dabei ist die Wechselspannung und/oder sind die ersten Schaltelemente so ausgelegt, dass ein Schaltvorgang der ersten Schaltelemente im Messbetrieb ausgeschlossen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird im Messbetrieb ein aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung resultierender Stromverlauf zwischen dem Heizleiter und der Wechselspannungsquelle durch die Detektionsschaltung gemessen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird ein temperaturabhängiges Sperrverhaltens der ersten Schaltelemente bei der Detektion kompensiert, insbesondere wenn diese als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind und ein temperaturabhängiger Blindstrom nicht ganz unterbunden werden kann. Um dies zu kompensieren, ist die Detektionsschaltung um eine Kompensationsschaltung ergänzt, die den Arbeitspunkt des den Wechselstromverlauf messenden Messverstärkers temperaturabhängig und der Änderung des Sperrverhaltens entgegenwirkend ändert. Dazu weist die Kompensationsschaltung beispielsweise eine ein R2R-Netzwerk ausbildende, mikrocontrollergesteuerte Referenzschaltung auf.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:
- 1 eine schematische Aufsicht auf ein Lenkrad mit einem darin integrierten, zum erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau gehörigen Heizdraht;
- 2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus.
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1 zeigt die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsaufbaus 1 in einem Lenkrad 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Ein Heizdraht 2, der beispielsweise ein Widerstandsdraht, wie ein Nickel-Chrom-Draht ist, ist in den Griffbereich 20, hier den Lenkradkranz, des Lenkrads integriert, um einerseits den Griffbereich 20 für einen das Lenkrad 10 ergreifenden Fahrzeuginsassen B in einem Heizbetrieb des Schaltungsaufbaus 1 zu beheizen und um andererseits eine kapazitive Berühr-bzw. Annäherungsdetektion betreffend die Berührung des Griffbereichs 20 oder Annäherung an den Griffbereich 20 durch die Hand des Fahrzeuginsassen B durchzuführen. Aus sicherheitstechnischen Überlegungen aber auch um zusätzliche Komfortfunktionen zu realisieren, ist diese kapazitive Berühr- oder zumindest eine Annäherungsdetektion vorgesehen, um beispielsweise die sogenannte Hands-On-Detektion durchzuführen, bei der es darum geht, das Ergreifen des Lenkradkranzes zu überwachen, oder die Fahrer-Beifahrer-Erkennung durchzuführen, bei der es beispielsweise darum geht, spezielle Komfortfunktionen sitzpositionsspezifisch zu aktivieren bzw. zu deaktivieren. Wie 1 andeutet, wird im Heizbetrieb der Heizdraht 2 mit einem Heizstrom aus den unterschiedlichen Heizpotenzialen VH+, VH- beaufschlagt. Beispielsweise liegt VH- auf Fahrzeugmassepotenzial. Im Messbetrieb wird der Heizdraht 2 durch den erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau 1 mit einer Wechselspannung VAC beaufschlagt.
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2 zeigt schematisch den elektrischen Schaltungsaufbau 1 für den alternierenden Heiz- und kapazitiven Messbetrieb unter Verwendung eines gemeinsamen Heizdrahtes 2. Dabei wird im Heizbetrieb der Heizdraht 2 mit einem aus zwei auf den zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen VH+, VH- liegenden Polen gespeisten elektrischen Heizstrom durchsetzt, wobei an dem Heizdraht 2 eine Heizspannung abfällt. Die Schaltungsanordnung 1 weist dazu ein Paar erster Schaltelemente 3a, 3b und ein Paar zweiter Schaltelemente 4a, 4b auf. Hier sind die ersten Schaltelemente 3a, 3b jeweils durch einen Feldeffekttransistor, insbesondere einen selbstsperrenden Feldeffekttransistor, bevorzugt einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) ausgebildet. Die zweiten Schaltelemente 4a, 4b sind beispielsweise ebenfalls jeweils durch einen Transistor, bevorzugter jeweils durch einen Feldeffekttransistor, meist bevorzugt einen Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FET) realisiert. Der Heizdraht 2 ist dabei so mit den ersten Schaltelementen 3a, 3b und den zweiten Schaltelementen 4a, 4b verschaltet, dass in dem Heizbetrieb, während dem die ersten Schaltelemente 3a, 3b und die zweiten Schaltelemente 4a, 4b, somit zeitgleich, in leitendem Zustand sind, die ersten Schaltelemente 3a, 3b und die zweiten Schaltelemente 4a, 4b und der Heizdraht 2 in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der Heizdraht 2 jeweils über ein erstes Schaltelement 3a, 3b und ein über einen Leiterabschnitt 5a, 5b mit dem ersten Schaltelement 3a, 3b verbundenes, zweites Schaltelement 4a, 4b mit einem der zwei unterschiedlichen Heizpotenziale VH+, VH-leitend verbunden. Dadurch, dass im Heizbetrieb die ersten Schaltelemente 3a, 3b und die zweiten Schaltelemente 4a, 4b durchgeschaltet (leitend) sind, wird der Heizdraht 2 mit dem Heizstrom durchsetzt. Ist mindestens ein Schaltelement der ersten Schaltelemente 3a, 3b und zweiten Schaltelemente 4a, 4b im nicht-leitenden bzw. sperrenden Zustand liegt kein Heizstrom an. Durch periodisches Umschalten und Verändern der Dauer des jeweiligen Heizbetriebs, beispielsweise durch Ansteuerung wenigstens eines oder aller Schaltelemente 3a, 3b; 4a, 4b mittels eines pulsweitenmodulierten Steuersignals PWMa bzw. PWMb eines zur Steuerschaltung 6a, 6b, 13 gehörigen Mikrocontrollers 13, der die den Schaltelementen 3a, 3b; 4a, 4b zugeordnete Steuerschaltungsteile 6a, 6b der Steuerschaltung 6a, 6b, 13 ansteuert, kann somit die Heizleistung des Heizdrahtes 2 eingestellt werden. Während des Heizbetriebs ist das zur nachfolgend eingehend erläuterten Prüfschaltung 14, 15 gehörige Schaltelement 14 in den sperrenden Zustand geschaltet.
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Erfindungsgemäß ist ferner eine Detektionsschaltung 9 vorgesehen, um in einem zeitlich außerhalb des Heizbetriebs liegenden Messbetrieb, die Messkapazität des Heizdrahts 2 gegenüber einem Referenzpotenzial, wie der Fahrzeugmasse 16, durch Beaufschlagung des Heizdrahtes 2 mit einer Wechselspannung VAC einer Wechselspannungsquelle 12, hier ein durch den Mikrokontroller 12 gesteuerten Sinusgenerator, zu ermitteln. Anhand einer Änderung dieser Kapazität lässt sich beispielsweise eine Annäherung eines Fahrzeuginsassen B oder zumindest die Annäherung einer Hand des Fahrzeuginsassen B detektieren. Dabei ist die Detektionsschaltung 9 ausgelegt, im Messbetrieb einen aus der Beaufschlagung mit der Wechselspannung VAC resultierenden Stromverlauf zwischen dem Heizleiter 2 und der Wechselspannungsquelle 12 zu messen, um daraus anhand einer Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung VAC und dem Stromverlauf die Kapazität zu ermitteln. Im Detail wird der Stromverlauf anhand eines Spannungsabfalls an einem Nebenschlusswiderstand 8 (shunt) unter Signalverstärkung durch einen Messverstärker der Detektionsschaltung gemessen, dessen Messergebnis dem Mikrocontroller 12 übermittelt wird.
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Der Wechsel vom Heizbetrieb in den Messbetrieb wird durch den Mikrokontroller 13 in Zusammenwirken mit den Steuerschaltungsteilen 6a, 6b bewirkt, so dass im Messbetrieb die ersten Schaltelemente 3a, 3b und die zweiten Schaltelemente 4a, 4b in sperrendem Zustand sind, so dass die beiden im Heizbetrieb elektrisch leitenden Verbindungen des Heizdrahts 2 zu den zwei unterschiedlichen Heizpotenzialen VH+, VH- im Messbetrieb jeweils mehrfach unterbrochen sind.
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Die mehrfache Unterbrechung zu den beiden Heizpotenzialen VH+, VH- hat den Vorteil, dass neben der besonders effektiven, kapazitiven Entkopplung des Heizdrahtes 2 gegenüber den Heizpotenzialen VH+, VH- und der Verminderung der parasitären Kapazitäten auf der mehrfach unterbrochenen Verbindung zu den Heizpotenzialen VH+, VH-, bei der nunmehr die Schaltelemente 3a, 3b; 4a, 4b als in Reihe geschaltete kapazitive Impedanzen zu betrachten sind, ferner eine eine Wechselspannung VAC zur Detektion nutzende Detektionsschaltung 9 verbessert genutzt werden kann, da die ersten Schaltelemente 3a, 3b, beispielsweise anders als die nicht symmetrisch geschalteten Dioden im Stand der Technik, symmetrisch trennen und sich diese Trennung auf beide Stromrichtungen des im Messbetrieb generierten Wechselstroms auswirkt, was die Ermittlung der Kapazität mittels Wechselspannung VAC aber insbesondere den bevorzugten Weg über die Detektion der Phasenverschiebung erleichtert und verbessert. Durch die Ansteuerung mittels der pulsweitenmodulierten Steuersignale PWMa bzw. PWMb der Steuerschaltungsteile 6a, 6b durch den Mikrocontroller 13 ist der Schaltungsaufbau 1 ausgelegt, dass der Heizbetrieb und Messbetrieb im alternierenden Wechsel betrieben wird. Der Mikrocontroller 13 regelt dabei den Tastgrad der pulsweitenmodulierten Steuersignale PWMa bzw. PWMb in Abhängigkeit einer gewünschten und/oder vorgegebenen Heizleistung.
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Bei dem gezeigten erfindungsgemäßen Schaltungsaufbau 1 ist ferner eine Abschirmschaltung 7 vorgesehen, die ausgebildet ist, während des Messbetriebs nicht nur die Leiterabschnitt 5a, 5b zwischen jeweils dem ersten Schaltelement 3a, 3b und dem zweiten Schaltelement 4a, 4b sondern auch die Steueranschlüsse Ga, Gb der ersten Schaltelemente 3a, 3b mit der Wechselspannung VAC der Wechselspannungsquelle 12 zu beaufschlagen. Hierbei wird mit der Verwendung des Begriffs Wechselspannung darauf abgestellt, dass die im Messbetrieb am Heizdraht 2 anliegende Wechselspannung VAC und die an den Leiterabschnitten 5a, 5b anliegende Wechselspannung VAC im Wesentlichen in Amplitude, Frequenz und Phase übereinstimmen, um eine optimale Abschirmung zu erreichen.
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Die Detektionsschaltung 9 ist zur Kompensation eines temperaturabhängigen Sperrverhaltens der ersten Schaltelemente 3a, 3b durch eine Kompensationsschaltung 11 ergänzt, um einen temperaturabhängigen Blindstrom bzw. ein temperaturabhängiges Sperrverhalten dieser ersten Schaltelemente 3a, 3b zu kompensieren. Hier ist die Kompensationsschaltung 11 vorgesehen und ausgebildet, den Arbeitspunkt des den Wechselstromverlauf messenden Messverstärkers der Detektionsschaltung 9 temperaturabhängig, der Änderung des Sperrverhaltens entgegenwirkend zu ändern. Dazu weist die Kompensationsschaltung beispielsweise eine ein R2R-Netzwerk ausbildende Referenzschaltung auf, die mit dem Mikrokontroller 13 zur Steuerung der Kompensation verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist die Steuerschaltung 6a, 6b 13 ferner ausgebildet, in einer innerhalb des Messbetriebs liegenden Prüfphase eine ein drittes Schaltelement 14 und eine Prüfimpedanz 15 beinhaltende Prüfschaltung 14, 15 so zu schalten, dass der Messkapazität die Prüfimpedanz 15 zugeschaltet wird, und eine zugehörige Messkapazitätsänderung und/oder eine Gesamtimpedanz aus der Messkapazität und Prüfimpedanz durch die Detektionsschaltung 9 zumindest detektiert wird. Beispielsweise wird eine durch die Zuschaltung der Prüfimpedanz 15 bewirkte Änderung der Messkapazität lediglich qualitativ detektiert. In einer anderen Ausgestaltung ist eine quantitative Messung der resultierenden Gesamtimpedanz aus Messkapazität und Prüfimpedanz 15 vorgesehen, um eine Kalibrierung der Detektionsschaltung mittels der vorgegebenen Prüfimpedanz zu ermöglichen. In einer einfachen Ausgestaltung wird lediglich hinsichtlich zeitlicher Koinzidenz zwischen Messkapazitätsänderung und Schaltzustandsänderung untersucht. Durch das Vorsehen der Prüfphase und den zugehörigen konstruktiven Merkmalen ist es möglich durch vergleichsweise einfache technische konstruktive Erweiterung einer Heiz- und Messschaltung einerseits die Unversehrtheit des Heizdrahtes 2 aber auch die Detektionsschaltung 9 auf Funktion zu überprüfen und bei quantitativer Untersuchung, beispielsweise durch Ermitteln der Messkapazitätsänderung oder der in der Prüfphase resultierenden Gesamtimpedanz eine Kalibrierung der Detektionsschaltung 9 oder nachgeschalteter Auswerteinrichtungen durchzuführen. Bevorzugt ist die Dauer der Prüfphase kürzer als die Dauer eines zwischen zwei abfolgenden Heizbetrieben durchgeführten Messbetriebs. In dem außerhalb der Prüfphase liegenden Zeitbereich des Messbetrieb ist zumindest das dritte Schaltelement 14 in sperrendem Zustand. Um den Heizdraht 2 über seine gesamte Länge überprüfen zu können, erfolgt dabei die Einspeisung der Wechselspannung VAC an einem Ende des Heizdrahtes 2, während die Prüfimpedanz 15 am entgegengesetzten Ende des Heizdrahtes 2 zugeschaltet wird, so dass die zur Prüfschaltung 14, 15 gehörige Prüfimpedanz 15 in der Prüfphase der Messkapazität parallel zugeschaltet ist. Hier verbindet in der Prüfphase das dritte Schaltelement 14 den Heizdraht 2 über die Prüfimpedanz 15 mit dem Referenzpotenzial 16 elektrisch leitend. Dabei ist die Prüfimpedanz 15 ein Kondensator mit einer vorgegebenen Prüfkapazität. Zur Vermeidung parasitärer Kapazitäten ist das dritte Schaltelement 14 ein Bipolartransistor. Beispielsweise beträgt das Zeitverhältnis aus der Dauer der Prüfphase zu Gesamtdauer des die Prüfphase beinhaltenden Messbetriebs weniger als 1/10.
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Die zeitliche Abfolge von Heizbetrieb und Messbetrieb ist nicht näher dargestellt. In einer Ausgestaltung findet die Prüfphase ausschließlich über einen Zeitraum statt, innerhalb dessen eine händische Annäherung an das Lenkrad ausgeschlossen ist, beispielsweise im verriegelten, unbesetzten Zustand der Fahrzeugkabine. In einer anderen Ausgestaltung wird die Prüfphase ausschließlich dann durchgeführt, wenn in einem zeitlich vorhergehenden, sich außerhalb der Prüfphase befindlichen Messbetrieb keine Annäherung detektiert wurde. In einer Ausgestaltung wird die Prüfphase zu Beginn eines Messbetriebs durchgeführt. Bei der alternierenden Abfolge von Heizbetrieb und Messbetrieb kann vorgesehen sein, dass bei mehreren Messbetrieben wenigstens einer ohne Prüfphase, bevorzugt die Mehrzahl von Messbetrieben ohne Prüfphase durchgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112014002044 T5 [0001]
- US 2010/0038351 A1 [0001]
