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Die
Erfindung betrifft eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit den im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Merkmalen.
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Es
ist bekannt, daß Brennkraftmaschinen mittels
einer Startvorrichtung gestartet werden müssen, da diese nicht von alleine
anlaufen. Hierzu werden üblicherweise
Startermotoren eingesetzt, die über
ein als sogenanntes Einrückrelais
ausgebildetes Starterrelais mit einer Spannungsquelle verbunden
werden und gleichzeitig ein Ritzel des Startermotors mit der Brennkraftmaschine
zum Andrehen in Eingriff gebracht wird. Zum Einschalten des Starterrelais
ist es bekannt, dieses über
einen externen Schalter, beispielsweise einem Zündschalter oder Startschalter
des Kraftfahrzeugs oder ein externes Relais anzusteuern.
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Hierdurch
wird der relativ große
Strom, der beim Betätigen
des Starterrelais fließt,
besser beherrschbar. Das Starterrelais erzeugt mit diesem Strom
die erfoderliche Kraft, um die Startvorrichtung einzuspuren und
eine Kontaktbrücke
zu schließen, um
den Startermotor mit der Spannungsquelle zu verbinden. Das Starterrelais
weist hierzu bekanntermaßen
eine Einzugs- und Haltewicklung auf. Nach erfolgtem Start wird der
Startvorgang vom Führer
des Kraftfahrzeugs durch Trennen der Spannungsquelle von dem Startermotor
beendet.
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Aus
der
DE-OS 28 36 047 ist
eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Starterrelais bekannt, mit
dem eine manuelle Fehlbedienung des Starterrelais, beispielsweise über einen
Zündschalter,
einen Anlaßschalter
beziehungsweise einen kombinierten Zündanlaßschalter verhindert werden
soll. Darüber hinaus
sind beispielsweise aus der
US-PS
4,739,736 elektronische Einrichtungen bekannt, die zum
Ansteuern des Starterrelais einer Startvorrichtung eingesetzt werden.
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Aus
der
DE-OS 40 31 275 als
nächstliegendem
Stand der Technik ist eine Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine
bekannt, die einen Startermotor aufweist, welcher mit einem über ein Starterrelais
mit einer Spannungsquelle verbindbar und mit der Brennkraftmaschine
zum Andrehen in Eingriff bringbar ist. Dabei dient eine elektronische Einrichtung
dazu, ein elektronisches Relais anzusteuern, um mit diesem das Starterrelais
anzusteuern.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Startvorrichtung
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß der Startvorgang
der Brennkraftmaschine automatisiert und gleichzeitig koordiniert
in Abhängigkeit
weiterer Funktionszustände
des Kraftfahrzeugs ablaufen kann. Dadurch, daß die elektronische Einrichtung
von einem an oder in der Startvorrichtung angeordneten elektro nischen
Relais gebildet wird, das über
einen Logiksignaleingang von einem elektronischen Motor-Steuergerät des Kraftfahrzeugs
ansteuerbar ist, ist es vorteilhaft möglich, eine leistungs- und
damit energiearme sowie verschleißfreie Einleitung beziehungsweise
Beendigung des Startvorgangs zu erreichen. Durch die elektronische
Ansteuerung über
ein in der Regel im Kraftfahrzeug vorhandenes Motor-Steuergerät sind verschiedene
Steuerfunktionen des Starterrelais in einfacher Weise erreichbar.
So kann eine Versorgung des Starterrelais mit Einzugs- und Haltestrom
beim Startvorgang, eine sichere Unterbrechung des Einzugs- und Haltestroms
beziehungsweise gegebenenfalls nur des Haltestroms, bei Beendigung
des Startvorgangs erreicht werden. Nach Beendigung eines Startvorgangs
kann eine sichere Trennung der Startvorrichtung vom Bordnetz des
Kraftfahrzeugs realisiert werden, so daß Fehlbedienungen, insbesondere
das Einleiten eines Startvorgangs während einer laufenden Brennkraftmaschine,
verhindert werden können. Darüber hinaus
kann über
das mit der Startvorrichtung kombinierte elektronische Relais gleichzeitig sehr
vorteilhaft ein Selbstschutz gegen Überlastung, als Überspannungsschutz,
als Überstromschutz und/oder
als Übertemperaturschutz
erreicht werden.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das elektronische
Relais so ausgebildet ist, daß es
mit der Startvorrichtung integriert werden kann, das heißt, das
elektronische Relais ist als modulartige Baueinheit ausgebildet,
die entweder an Funktionseinheiten oder in Funktionseinheiten der Startvorrichtung
angeordnet werden kann. Hierdurch wird kein beziehungsweise nur
sehr geringer zusätzlicher
Bauraum für
das elektronische Relais benötigt. Darüber hinaus
ist eine zusätzliche
Verkabelung innerhalb des Kraftfahrzeugs nicht erforderlich. Durch den
Austausch einer kompletten Startvorrichtung beziehungsweise von
Teilen der Startvorrichtung, die das elektronische Relais aufweisen,
können
somit auch Kraftfahrzeuge nachgerüstet werden, die bisher nicht über eine
entsprechende elektronische Einrichtung zum Steuern der Startvorrichtung
verfügen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Startvorrichtung;
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2 ein
Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Startvorrichtung;
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3 eine
teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Startvorrichtung;
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4 bis 6 verschiedene Ansichten eines elektronischen
Relais;
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7 eine
Außenansicht
eines Schalterdeckels eines Starterrelais;
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8 eine
schematische Gesamtübersicht einer
Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs;
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9 bis 15 verschiedene
Schaltungsanordnungen einer Verschaltung des elektronischen Relais.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Anhand
des in 1 gezeigten Blockschaltbildes wird das Gesamtsystem
zum Starten eines Kraftfahrzeugs erläutert. Eine Startvorrichtung 10 besitzt
einen Startermotor 12 und ein Starterrelais 14. Das
Starterrelais 14 weist eine Einzugswicklung 16 und
eine Haltewicklung 18 auf. Eine hier angedeutete Schaltachse 20 des
Starterrelais 14 trägt
eine Schaltbrücke 22.
Der Startermotor 12 trägt
auf seiner Antriebsachse 24 ein axial verschiebbares Ritzel 26, das über die
Schaltachse 20 des Starterrelais 14 (Einrückrelais)
mit einem hier angedeuteten Zahnrad 28 einer nicht dargestellten
Brennkraftmaschine in Eingriff bringbar ist.
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Der
Startvorrichtung 10 ist eine elektronische Einrichtung 30,
die nachfolgend insgesamt als elektronisches Relais 32 bezeichnet
wird, zugeordnet. Das elektronische Relais 32 besitzt einen
Leistungsbaustein 34 sowie eine Freilaufdiode 36.
Der Leistungsbaustein 34 ist mit einer Anschlußklemme 38 verbunden,
die mit einer Spannungquelle des Kraftfahrzeugs verbunden ist. Als
Spannungsquelle des Kraftfahrzeugs sind allgemein eine Akkumulatorenbatterie 40 und
ein Generator 42 eingesetzt. Der Leistungsbaustein 34 ist
weiterhin mit einem Masseanschluß 43 versehen und
mit einer Anschlußklemme 44 verbunden,
die mit der Einzugswicklung 16 und der Haltewicklung 18 des
Starterrelais 14 verbunden ist. Der Leistungsbaustein 34 stellt
somit ein zwischen den Anschlußklemmen 38 und 44 liegendes
Schaltmittel dar. Die Anschlußklemme 44 ist
weiterhin mit der Kathode der Freilaufdiode 36 verbunden,
deren Anode an Masse liegt, so daß die Freilaufdiode 36 parallel
zur Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 geschaltet
ist. Die Anschlußklemme 38 ist
weiterhin mit einem ersten Kontakt der Schaltbrücke 22 verbunden,
deren zweiter Kontakt mit einer Anschlußklemme 46 verbunden
ist. Die Anschlußklemme 46 ist
mit der Wicklung des Startermotors 12 und der Einzugswicklung 16 des
Starterrelais 14 verbunden.
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Ein
Logiksignaleingang 47 des Leistungsbausteins 34 ist über eine
Anschlußklemme 48 mit
einem elektronischen Motor-Steuergerät 50 des Kraftfahrzeugs
verbunden. Das Motor-Steuergerät 50 ist weiterhin
mit der Anschlußklemme 38 und über eine Anschlußklemme 52 mit
einem Zündschloß 54 des Kraftfahrzeugs
verbunden.
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Die
in der 1 dargestellte Anordnung übt folgende Funktion aus:
Soll
das nicht dargestellte Kraftfahrzeug gestartet werden, wird durch
Betätigung
des Zündschlosses 54 das
elektronische Motor-Steuergerät 50 aktiviert. Dieses
stellt daraufhin dem elektronischen Relais 32 ein Ansteuersignal
bereit, das am Logiksignaleingang 47 des Leistungsbausteins 34 anliegt.
Dieses Signal stellt eine Information bereit, daß der Startvorgang eingeleitet
werden soll.
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Das
am Logiksignaleingang 47 anliegende Ansteuersignal besteht
beispielsweise aus einer Spannung, beispielsweise einer Spannung
von größer 8 V
gegen Masse, die während
des gesamten Startvorgangs anliegt. Das elektronische Relais 32 kann
so aufgebaut sein, daß die
Ansteuerspannung während
des Startvorgangs absinken kann, beispielsweise auf einen Wert von
kleiner als 4 V, ohne daß der
Startvorgang unterbrochen wird. Das elektronische Relais besitzt
einen hohen Eingangswiderstand, so daß der über den Logiksignaleingang 47 fließende Steuerstrom
eine geringe Stromstärke
von beispielsweise kleiner 0,1 A aufweist. Die geringe Stromstärke kann
problemlos von einer Endstufe des Motor-Steuergerätes 50 geliefert
werden.
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Durch
das Anlegen des Einschaltsignals an den Logiksignaleingang 47 schaltet
der Leistungsbaustein 34 die an der Anschlußklemme 38 anliegende
Versorgungsspannung Ubat auf die Einzugswicklung 16 und
die Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 durch.
Hierdurch wird in allgemein bekannter Weise die Schaltachse 20 des
Starterrelais 14 axial bewegt, so daß einerseits das Ritzel 26 des
Startermotors 12 mit dem Zahnkranz 28 in Eingriff
gebracht wird und andererseits die Schaltbrücke 22 geschlossen
wird. Hierdurch liegt an der Anschlußklemme 46 die Versorgungsspannung
Ubat an, und der Startermotor 12 ist
mit einer notwendigen Betriebsspannung verbunden. Gleichzeitig wird
die Einzugswicklung 16 stromlos geschaltet, da deren Wicklungsanfang über die Anschlußklemme 44 und
Wicklungsende über
Anschlußklemme 46 auf
gleichen Potentialen liegen. Das Starterrelais 14 wird
nur noch über
die Haltewicklung 18 bestromt, die eine ausreichend große Haltekraft
für die
Schaltachse 20 bereitstellt.
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Wird über das
Motor-Steuergerät 50 das
am Logiksignaleingang 47 anliegende Steuersignal so beeinflußt, daß es unter
die Abschaltspannung des elektronischen Relais 32 fällt oder
wird der Eingang 47 auf Masse gelegt, trennt der Leistungsbaustein 34 die
Anschlußklemmen 38 und 44,
so daß die
Haltewicklung 18 des Starterrelais 14 stromlos
wird und somit das Starterrelais 14 abfällt. Hierdurch wird einerseits
der Ritzel 26 ausgespurt und die Schaltbrücke 22 geöffnet. Der
Startvorgang ist somit beendet und die Brennkraftmaschine 28 angedreht.
Die Freilaufdiode 36 gewährleistet, daß beim Abschalten
der Haltewicklung 18 entstehende induktive Überspannungen
abgebaut werden können.
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2 zeigt
ein Schaltbild der in 1 dargestellten Anordnung. Gleiche
Teile wie in 1 sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen und nicht nochmals erläutert.
Anhand der Schaltungsanordnung wird deutlich, daß das elektronische Relais 32 einen
als Schaltmittel 56 ausgebildetes Leistungsbaustein 34 besitzt.
Dem Schaltmittel 56 ist parallel eine Schutzdiode 58 geschaltet.
Ferner ist eine Verpolschutzdiode 60 vorgesehen, deren
Anode mit der Anschlußklemme 38 und
deren Kathode mit dem Leistungsbaustein 34 verbunden ist.
Die Verpolschutzdiode dient dem Schutz des Leistungsbausteins 34 gegenüber einem
falschen Anschließen. Der
Verpolschutz kann jedoch auch durch konstruktive Maßnahmen,
die einen eindeutigen Einbau des elektronischen Relais 32 gewährleisten,
sichergestellt werden, so daß auf
die Anordnung der Verpolschutzdiode 60 verzichtet werden
kann. Weiterhin ist eine Überspannungsdiode 62 vorgesehen,
die den Leistungsbaustein 34 vor Überspannungen des Bordnetzes
des Kraftfahrzeugs schützen
soll. Insbesondere bei Betrieb des Generators 42 (1)
kann es zu üblichen
Spannungsschwankungen kommen. Ist jedoch der Generator 42 mit
sogenannten Load-Dump-Dioden ausgestattet, die an sich schon einen Überspannungsschutz
gewährleisten,
kann auf die Anordnung der Überspannungsdiode 62 ebenfalls
verzichtet werden.
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Der
Leistungsbaustein 34 ist ein smart-power-MOSFET, der neben
dem durch einen Leistungstransistor realisierten Schaltmittel 56 einen
integrierten Überspannungsschutz,
eine Überstrombegrenzung
und eine Temperaturabschaltung besitzt, so daß sich der Leistungsbaustein 34 selbst
gegen Überlastung
schützt.
Der MOSFET ist als high-side-Schalter mit integrierter Ladungspumpe
ausgeführt.
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In
der 3 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht
der Startvorrichtung 10 gezeigt. Auf die Erläuterung
von für
die vorliegende Erfindung nicht relevanten Details wurde verzichtet,
zumal der konstruktive Aufbau der Startvorrichtung 10 allgemein
bekannt ist. Anhand der 3 sollen die möglichen
Einbauorte des elektronischen Relais 32 innerhalb der Startvorrichtung 10 verdeutlicht
werden. Eine erste Möglichkeit
besteht darin, das elektronische Relais 32 in das Starterrelais 14 zu
integrieren. Hierbei kann ein Einbauraum zwischen den Wicklungen 16 und 18 des
Starterrelais und der Schaltbrücke 22 genutzt
werden. Das elektronische Relais 32 besitzt hierbei einen
anhand der 4 bis 7 noch detaillierter
erläuterten
Aufbau. Der Einbauort des elektronischen Relais 32 im Starterrelais 14 bietet den
Vorteil, daß eine örtliche
Nähe zu
den Anschlußklemmen
der Startvorrichtung 10 und der Haltewicklung 18 sowie
der Einzugswicklung 16 des Starterrelais 14 gegeben
ist.
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Darüber hinaus
ist es möglich,
das elektronische Relais 32 an der hier mit 64 bezeichneten
Position anzuordnen. Hierbei kann das elektronische Relais 32 als
entsprechend gekapseltes Modul 66 ausgebildet sein, das
an ein Polgehäuse 68 des
Startermotors 12 angebracht, beispielsweise angeschraubt, ist.
Als weiterer möglicher
Einbauort kommt ein Raum unterhalb einer Kommutatorlagerkappe 70 oder
im Bereich des Antriebslagers 72 des Startermotors 12 in
Frage. Hierzu wäre
die Kommutatorlagerkappe 70 beziehungsweise das das Antriebslager 72 umgebende
Gehäuseteil
der Bauform des elektronischen Relais 32 entsprechend anzupassen.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll sich nicht auf einen
bestimmten Einbauraum des elektronischen Relais 32 festgelegt
werden, vielmehr sollen die verschiedenen Möglichkeiten der platzsparenden Anordnung
in Kombination mit der gesamten Startvorrichtung 10 aufgezeigt
werden. Insgesamt ist es also möglich,
ohne daß die
Startvorrichtung 10 einen größeren, gegebenenfalls nur einen
geringfügig
vergrößerten Einbauraum
im Kraftfahrzeug benötigt, das
elektronisch Relais 32 anzuordnen. Durch Kombination des
elektronischen Relais 32 mit der Startvorrichtung 10 ist
es darüber
hinaus möglich,
bereits in Kraftfahrzeugen eingebaute Startvorrichtungen 10 durch
eine Startvorrichtung 10 zu ersetzen, die ein elektronisches
Relais 32 aufweist.
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Anhand
der 4, 5, 6 und 7 wird eine
konkrete konstruktive Ausgestaltung eines elektronischen Relais 32 erläutert, wobei
hier davon ausgegangen wird, daß das
elektronische Relais 32 in das Starterrelais 14 integriert
wird. Die 4 und 5 zeigen
hierbei eine Draufsicht auf das elektronische Relais 32,
wobei in der 5 eine Abdeckung abgenommen
ist, so daß in
das elektronische Relais 32 hineinbetrachtet werden kann.
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6 zeigt eine Schnittdarstellung des elektronischen
Relais 32 entsprechend der Linie I-I in 4,
während 7 eine
Draufsicht auf einen Schalterdeckel des Starterrelais 14 zeigt.
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Den 4 bis 6 ist ohne weiteres zu entnehmen, daß das elektronische
Relais 32 als kompakte Baueinheit 74 ausgebildet
ist. Das elektronische Relais 32 weist die Freilaufdiode 36 sowie
den als den Chip 76 ausgebildeten Leistungsbaustein 34 auf.
Der Chip 76 trägt
hierbei die einzelnen Bestandteile des Leistungsbausteins 34,
wie beispielsweise das Schaltmittel 56, die Überstrombegrenzung,
die Temperaturabschaltung sowie den Überspannungsschutz, die hier
nicht detailliert dargestellt sind. Der Leistungsbaustein 34 und
die Freilaufdiode 36 sind in einem Gehäuse 78 angeordnet,
welches aus einem Isoliermaterial besteht. Das Gehäuse 78 kann
beispielsweise ein Kunststoffspritzteil sein. Innerhalb des Gehäuses 78 ist
ein Einbauraum 80 für
die Freilaufdiode 36 und ein Einbauraum 82 für den Leistungsbaustein 34 ausgebildet.
Zur Herstellung der elektrischen Anschlüsse der Freilaufdiode 36 und des
Leistungsbausteins 34 ist ein Stanzgitter 84 vorgesehen,
das die entsprechenden elektrischen Leiterbahnen ausbildet. Das
Stanzgitter 84 ist mit dem Leistungsbaustein 34,
insbesondere mit dem Chip 76, über eine entsprechende Anzahl
von Bonddrähten 86 verbunden.
Zur Aufnahme der Freilaufdiode 36 bildet das Stanzgitter 84 einen
Kragen 88 aus, in den die Freilaufdiode 36 mit
ihrem Sockel 90 eingepreßt ist. Zur Stabilisierung
des Stanzgitters 84 ist dieses formschlüssig mit ent sprechenden Isolierstoffbereichen 92 des
Gehäuses 78 verbunden.
Das Stanzgitter 84 führt
zu den Anschlußklemmen 38, 48, 44 sowie
zu dem Masseanschluß 94 (vergleiche 1).
Der Einbauraum 82 ist mittels einer Kappe 96 verschließbar. Die
Kappe 96 ist mittels einer Rastverbindung 98 mit
dem Gehäuse 78 lösbar verbindbar. Durch
die lösbare
Verbindung der Kappe 96 mit dem Gehäuse 78 kann diese
abgenommen werden, wie 5 zeigt, so daß der Einbauraum 82 mit
dem Leistungsbaustein 34 zugänglich wird. Der Chip 76 des Leistungsbausteins 34 ist über eine
Unterlage 100 auf einem Kühlkörper 102, beispielsweise
einem Kupferblock, angeordnet. Das Gehäuse 78 weist eine
in etwa zentral angeordnete Durchgangsöffnung 102 auf, durch
die die Schaltachse 20 des Starterrelais 14 führbar ist.
Durch Ausbildung der Durchgangsöffnung 102 kann
das elektronische Relais 32 sehr vorteilhaft in das Starterrelais 14 integriert
werden, wobei beidseitig des elektronischen Relais 32 Funktionselemente
des Starterrelais 14 angeordnet werden können. Ferner
sind als Bohrungen ausgebildete Öffnungen 104 vorgesehen,
durch die Befestigungsschrauben zum Befestigen des Gehäuses 78 geführt werden
können.
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In 7 ist
eine Draufsicht auf einen Deckel 106 des Starterrelais 14 gezeigt.
Der Deckel 106 weist die hier mit 108 und 110 bezeichneten
Hauptstromkontakte auf, die mittels der Schaltbrücke 22 miteinander
verbunden werden können.
Weiterhin sind die Anschlußklemmen 38, 44, 48 und 94 herausgeführt, so
daß eine
Kontaktierung entsprechend der in 1 gezeigten
Verschaltung durchgeführt
werden kann. Somit müssen
keine zusätzlichen
Anschlüsse
nach außen,
aus dem Starterrelais 14 herausgeführt werden.
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In
der 8 ist eine schematische Gesamtübersicht über das elektronische Steuersystem
eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Anhand der Übersicht wird deutlich, daß das Motor-Steuergerät 50 eine
Vielzahl von Funktionselementen des Kraftfahrzeugs überwacht
beziehungsweise ansteuert, wobei auf die detaillierte Funktion und
Wirkungsweise des Motor-Steuergerätes 50 im Rahmen der
vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden soll. Anhand
der Übersicht
soll lediglich deutlich gemacht werden, daß durch die Kopplung der Startvorrichtung 10 über das
elektronische Relais 32 mit dem Motor-Steuergerät 50 eine
Einbindung der Startvorrichtung 10 in das gesamte Steuermanagement
des Kraftfahrzeugs in einfacher Weise möglich ist. Somit kann eine
Betätigung
beziehungsweise eine Außerbetriebsetzung
der Startvorrichtung 10 in Abhängigkeit weiterer momentaner
Zustände
der anderen Funktionselemente des Kraftfahrzeugs realisiert werden.
Es wird ein aufeinander abgestimmtes Verhalten möglich, wobei Fehlfunktionen
ausgeschlossen werden können.
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Nachfolgend
werden die einzelnen Elemente der Systemkonfiguration kurz benannt,
ohne eine detaillierte Erläuterung
zu geben. Über
die dargestellten Steuerleitungen 114 erhält das Motor-Steuergerät 50 Informationen
oder gibt entsprechende Steuersignale, beispielsweise an einen Kraftstoffbehälter 116, eine Elektrokraftstoffpumpe 118,
einen Kraftstoffilter 120, einen Druckregler 122,
Einspritzventile 124, einen Hochspannungsverteiler 126,
einen Leerlaufdrehzahlsteller 128, einen Lufttemperaturfühler 130, einen
Drosselklappenschalter 132, eine Lambda-Sonde 134,
eine Zündspule 136,
einen Motortemperaturfühler 138,
einen Drehzahlgeber 140, einen Klimaschalter 142,
den Startzündschalter 54 sowie der
Startvorrichtung 10. Über
die Batterie 40 erfolgt eine Spannungsversorgung des Motor-Steuergerätes 50.
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Durch
die Einbindung der Startvorrichtung 10 in das Gesamtsystem
wird dessen Ansteuerbarkeit in einfacher Weise möglich, wobei eine Ansteuerspannung
beispielsweise zwischen 8 V und 24 V bei einem Ansteuerstrom kleiner
als 2 A für
eine Batteriespannung von 12 V oder 24 V möglich ist. Somit ist eine insgesamt
leistungsarme Ansteuerung der Startvorrichtung 10 möglich. Mittels
des elektronischen Relais 32 kann neben der beschriebenen Funktion
als analoge elektronische, energiearme Schnittstelle zwischen der
Startvorrichtung 10 und dem Motor-Steuergerät 50 eine
Reihe von weiteren Funktionen realisiert werden. Hierbei können unter anderem
die in dem Chip 76 des Leistungsbausteins 34 integrierten
Schaltungen der Temperaturbegrenzung, der Überstrombegrenzung und des Überspannungsschutzes
sehr vorteilhaft mit in die Ansteuerfunktionen des Motor-Steuergerätes 50 einbezogen werden.
So ist es beispielsweise möglich,
eine Startwiederholfunktion zu realisieren, bei der mittels einer Grenztemperaturabschaltung
des Leistungstransistors und deren Hysterese ein erneuter Start versuch nach
Erreichen einer unteren Grenztemperatur eingeleitet werden kann.
Eine weitere Möglichkeit
der Realisierung der Startwiederholfunktion besteht darin, die Spannung
an der Schaltbrücke 22 zu
messen und für
den Fall, wenn nach einer bestimmten wählbaren Zeitspanne nach Einleitung
des Startvorgangs keine Spannung vorhanden ist, der Startvorgang
abgebrochen und/oder nach einer weiteren Zeitspanne wiederholt wird.
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Darüber hinaus
kann ein Abschalten der Startvorrichtung 10 bei Überschreiten
einer Startergrenztemperatur realisiert werden, indem beispielsweise
ein Einfachtemperatursensor der Startvorrichtung zugeordnet wird,
der beispielsweise in der Nähe der
Kohlebürsten
des Startermotors 12 angeordnet ist, ein Signal bereitstellt,
das ein Abschalten des elektronischen Relais und damit ein Ausspuren
der Startvorrichtung 10 bewirkt. Weiterhin kann eine integrale
Auswertung des Quadrates des Motorstroms des Startermotors 12 vorgenommen
werden. Dieser erhaltene Wert ist proportional einem Verlustintegral im
Startermotor und damit ein Maß für die Erwärmung des
Startermotors 12. Bei Überschreiten
eines bestimmten wählbaren
Grenzwertes wird der Startvorgang abgebrochen.
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Es
ist bekannt, zur Vermeidung von Relaisschäden des Starterrelais 14 durch Überhitzung
die Wicklung in die Einzugswicklung 16 und die Haltewicklung 18 aufzuteilen,
die einen unterschiedlichen Drahtquerschnitt aufweisen können. Die
hohe Anzugskraft des Starterrelais 14 beim Einspuren wird durch
kurzzeitiges Parallelschalten beider Wicklungen erzeugt. Die erforderliche
kleinere Haltekraft während
des Startens der Brennkraftmaschine, die für einen längeren Zeitraum als die Anzugskraft
benötigt
wird, wird durch die Haltewicklung 18 bei kleinem Strom
und geringen Verlusten alleine erzeugt. Das elektronische Relais 32 bietet
hier die Möglichkeit,
beide Funktionen, also das Aufbringen der Anzugskraft und das Aufbringen
der Haltekraft, mit einer Wicklung zu realisieren. Dies wird erreicht,
indem mittels des elektronischen Relais 32 zwei unterschiedliche
Stromstärken
durch feste Taktverhältnisse
für das
Einspuren und das Halten des Starterrelais 14 bereitgestellt
werden. Der Umschaltzeitpunkt kann beispielsweise durch eine Sensierung
der an der Anschlußklemme 46 anliegenden
Spannung ermittelt werden. Hierdurch wird eine Fertigungsvereinfachung
und eine Materialeinsparung für
das Starterrelais 14 erzielt.
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Darüber hinaus
ist es mittels des elektronischen Relais möglich, über eine getaktete Ansteuerung
beziehungsweise eine Stromregelung den Bewegungsablauf des Ankers
des Starterrelais 14 beim Einspuren zu steuern, so daß ein sicheres,
verschleiß-
und geräuscharmes
Einspuren möglich
wird. Hierdurch kommt es neben einer deutlichen Komforterhöhung zu
einer Vergrößerung der
Standzeit des Starterrelais 14.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, mittels des elektronischen Relais 32 die
Wicklung des Starter relais 14 als Vorwiderstand für den Startermotor 12 zu
schalten, um ein langsames Durchdrehen des Startermotors 12 beim
Einspuren zu ermöglichen.
Da hierbei ein relativ hoher Relaisstrom von ca. 200 A fließt, muß eine entsprechende
Auslegung des elektronischen Relais 32 für diese
Stromstärken
erfolgen. Dies kann beispielsweise durch eine Parallelschaltung
von zwei Leistungsbausteinen 34 erfolgen.
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Ferner
ist es möglich,
mittels des elektronischen Relais 32 ein automatisches
Ausspuren der Startvorrichtung 10 bei Erreichen einer Starterleerlaufdrehzahl
zu realisieren. Hier wird ein wirksamer Schutz der Startvorrichtung 10 gegen
zu hohe Drehzahlen erreicht. Weiterhin ist eine zusätzliche
Sicherheitsfunktion zu dem bereits bekannterweise realisierten Freilauf
möglich.
Aufgrund der doppelten Sicherheit für den Startermotor 12 kann
eine konstruktive Vereinfachung im Feld- und Ankerbereich des Startermotors 12 erfolgen.
Die Drehzahl des Startermotors 12 kann beispielsweise über einen
Drehzahlsensor oder über
eine Beobachtung des Starterstroms ermittelt werden. Hierzu kann
beispielsweise zu einem Zeitpunkt, zu dem der Starterstrom einen Minimalwert
(Leerlaufstrom) unterschreitet, die Startvorrichtung 10 abgeschaltet
werden.
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Eine
weitere sehr vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, über
das elektronische Relais 32 in Verbindung mit dem Motor-Steuergerät 50 eine
elektronische Wegfahrsperre für
das Kraftfahrzeug zu realisieren. Über die Anschlußklemme 48 kann
das Motor-Steuergerät 50 dem
elektronischen Relais 32 vor jedem Startvorgang eine Impulsfolge übergeben,
die das elektronische Relais 32 mit einer internen Impulsfolge
vergleicht. Erst bei Übereinstimmen
der beiden Impulsfolgen wird der Startvorgang eingeleitet. Stimmen
die Impulsfolgen nicht überein,
wird der Startvorgang über
das elektronische Relais 32 gesperrt. Hierzu ist es möglich, daß jedes
elektronische Relais 32 bei seiner Herstellung einen fest
eingeprägten
Code erhält,
der beispielsweise an das Herstellungsdatum gekoppelt und monatlich
gewechselt werden kann. Die Einprägung des Codes beim Herstellungsprozeß des Relais 32 kann
beispielsweise über
die in dem Chip 76 vorhandene Hochtemperaturlogik, das
heißt
der Übertemperaturschutzschaltung,
realisiert werden. Weiterhin ist es möglich, in das elektronische
Relais 32 einen Mikroprozessor oder eine programmierbare
Logik zu integrieren. Hier kann der Frage- und Antwortcode frei
programmiert werden und über
das Motor-Steuergerät 50 festgelegt
beziehungsweise turnusmäßig verändert werden.
Bei Einsatz des elektronischen Relais 32 als elektronische
Wegfahrsperre sollte eine entsprechende mechanische Sicherung beziehungsweise durch
Wahl des Einbauortes des elektronischen Relais 32 eine
Manipulation zum Überbrücken ausgeschlossen
werden. Letztendlich wird es hiermit möglich, eine Überbrückung des
elektronischen Relais 32 nur durch Zerstörung der
Startvorrichtung 10 zu erreichen, so daß ein unbefugtes Wegfahren
des Kraftfahrzeugs ausgeschlossen ist.
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Durch
die Schnittstelle zwischen dem Motor-Steuergerät 50 und dem elektronischen
Relais 32 kann für
die Steuerung der Startvorrichtung 10 die Software des
Motor-Steuergerätes 50 sehr
vorteilhaft mit eingesetzt werden. So ist beispielsweise ein automatisches
Beenden des Startvorgangs bei Lauf der Brennkraftmaschine möglich, und
es ist ein Einspuren der Startvorrichtung 10 in eine laufende
Brennkraftmaschine zu verhindern. Insgesamt ist also der Startvorgang
eines Kraftfahrzeugs sicherer zu beherrschen und weitgehend vor
Fehlbedienungen geschützt.
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Nach
nicht dargestellten Ausführungsbeispielen
ist es selbstverständlich
möglich,
das elektronische Relais 32 auch von beliebigen anderen
Steuergeräten,
also nicht dem Motor-Steuergerät 50,
anzusteuern. Auch ist eine direkte Betätigung des elektronischen Relais 32,
beispielsweise über
das Zündschloß 54,
möglich,
so daß die
in den Chip 76 des Leistungsbausteins 34 integrierten
Funktionen realisierbar sind.
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Anhand
der 9 bis 15 sind verschiedene Ausstattungsvarianten
des elektronischen Relais 32, insbesondere des Leistungsbausteins 34,
gezeigt. Hierbei wird dem Gedanken Rechnung getragen, daß das elektronische
Relais 32 redundant ausgelegt ist, das heißt, zur
Erhöhung
der Sicherheit der Einleitung und der Beendigung des Startvorgangs sind
logische Verknüpfungen
zwischen Schaltungsteilen vorgesehen, die beim Vorliegen beziehungsweise
Nichtvorliegen einer bestimmten Information eine Funktion des elektronischen
Relais 32 verhindern. In den 9 bis 15 sind
gleiche Teile wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen und nicht nochmals erläutert.
Im einzelnen wird nur auf die Besonderheiten der jeweiligen Schaltungsvariante
eingegangen.
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In
der 9 besteht der Leistungsbaustein 34 aus
zwei in Reihe zueinander geschalteten Power-MOS-Chips 144.
Die PMOS-Transistoren 144 sind über eine Logikschaltung 146 miteinander
verknüpft.
Die Logikschaltung 146 – die gegebenenfalls auch auf
den PMOS-Chips 144 mit integriert ist – überprüft, ob zwischen den Transistoren 144 im
ausgeschalteten Zustand, das heißt, an der Anschlußklemme 48 liegt
kein Signal an, an einer zwischen den Transistoren 144 liegenden
Klemme 148 eine Spannung anliegt. Für den Fall, daß an der
Klemme 148 eine Spannung anliegt, wird ein Fehler sensiert und über die
Logikschaltung 146 die Transistoren 144 blockiert,
so daß ein
Einleiten beziehungsweise ein erneutes Einleiten eines Startvorgangs
verhindert wird. Neben der Blockierung des elektronischen Relais 32 kann
diese Fehlermeldung zur Weiterverarbeitung auch einer nicht dargestellten
Auswerteeinheit zugeführt
werden.
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Bei
der in 10 gezeigten Schaltungsvariante
besitzt das elektronische Relais 32 zwei parallel zueinander
geschaltete PMOS-Transistoren 144. Diese sind wiederum über die
Logikschaltung 146 miteinander verknüpft. Ein erster – hier links
dargestellter – Transistor 144 steuert
eine erste Wicklung 150 und ein zweiter Transistor 144 eine
zweite Wicklung 152 des Starterrelais 14 an. Die
Wicklungen 150 und 152 sind so ausgelegt, daß nur beim
Bestromen beider Wicklungen ein Anziehen des Starterrelais 14 möglich ist.
Zum Aufbringen der Haltekraft hingegen reicht ein Bestromen der
Wicklung 152 aus. Die Logikschaltung 146 überwacht
die Transistoren 144 dahingehend, ob ein Durchschalten
ohne Anlegen eines Steuersignals an der Anschlußklemme 48 erfolgt.
Für den
Fall, daß einer
der Transistoren 144 durchschaltet, wird ein Fehler detektiert
und das elektronische Relais 32 blockiert, so daß weitere
Startversuche verhindert werden können.
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Bei
der in 11 gezeigten Variante wird die Freilaufdiode 36 aus 1 durch
einen Transistor 154 ersetzt, der über die Logikschaltung 146 mit
dem Leistungsbaustein 34 verknüpft ist. Die Logikschaltung 146 überwacht
hierbei, ob der Leistungsbaustein 34 fehlerhaft durchgeschaltet
wird. Ist dies der Fall, wird der Transistor 154 angesteuert,
so daß die Wicklungen 16 und 18 des
Starterrelais 14 über
die Anschlußklemme 44 kurzgeschlossen
werden. Hierdurch wird das Einleiten eines Startvorgangs sicher vermieden.
Weiterhin ist der Transistor 154 für höhere Stromstärken ausgelegt
als der Transistor des Leistungsbausteins 34. Hierdurch
wird gewährleistet, daß im Fehlerfall
die Bondverbindungen 86 (5) schmelzen
und somit als Sicherung wirken.
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Bei
der in 12 dargestellten Schaltungsvariante
ist zusätzlich
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 11 dem
Leistungsbaustein 34 ein Sicherungselement 156 zugeordnet.
Das Sicherungselement 156, das als gesondertes Bauteil
ausgebildet sein kann oder in eine Verbindungsleitung zwischen den
einzelnen Bauelementen integriert sein kann, übernimmt hierbei beim Auftreten
von im Fehlerfall auftretenden hohen Strömen die Abschaltung des elektronischen
Relais 32.
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13 zeigt
eine Ausführungsvariante,
bei der das elektronische Relais 32 anstatt mit der Anschlußklemme 38 mit
der Anschlußklemme 52 verbunden
ist, so daß über das
Zündschloß 54 ein
Zu- beziehungsweise Abschalten des elektronischen Relais 32 erfolgen
kann. Hierdurch wird ein manueller Eingriff in die Abfolge des Startvorgangs
der Startvorrichtung 10 möglich. Nach einer weiteren
Ausführungsvariante
kann die in 13 gestrichelt dargestellte
Verbindung 158 vorgesehen sein, die das Motor-Steuergerät 50 überbrückt. Die
Verbindung zwischen dem Motor-Steuergerät 50 und der Anschlußklemme 48 kann
in diesem Falle entfallen, so daß ein vom Motor-Steuergerät 50 unabhängiges Ansteuern des
elektronischen Relais 32 möglich ist. Das elektronische
Relais 32 wird dann ausschließlich über das Zündschloß 54 angesteuert und
mit der Spannungsquelle verbunden. Die Redundanz ergibt sich hierbei durch
die Reihenschaltung des Zündschlosses 54 und
des elektronischen Relais 32.
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Anhand
der 14 und 15 wird
die Funktionsweise der Logikschaltung 146 gemäß der in 9 gezeigten
Ausführungsvariante,
nach der das elektronische Relais 32 zwei in Reihe geschaltete
Transistoren 144 aufweist, näher erläutert. Die Transistoren 144 sind hier
zur besseren Unterscheidung mit Transistor 144' und Transistor 144'' bezeichnet. Die Logikschaltung 146 aus 9 besteht hier
aus zwei Logikbausteinen 158 und 160, wobei der
Logikbaustein 158 auf dem Chip des PMOS-Transistors 144' und der Logikbaustein 160 auf
dem Chip des PMOS-Transistors 144'' mit
integriert ist. Anhand 14 wird deutlich, daß die Logikbausteine 158 und 160 einerseits
jeweils mit der Anschlußklemme 48 und
mit Masse und andererseits mit dem Gate, Source beziehungsweise
Drain der Transistoren 144 verbunden sind. Weiterhin erfolgt eine
Kopplung der Logikbausteine 158 und 160 über eine
Querverbindung 162.
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Der
Logikbaustein 158 weist gemäß 15 ein
Zeitverzögerungsglied 164 auf,
das einerseits mit der Anschlußklemme 48 und
andererseits mit einem ersten Eingang eines NAND-Gliedes 166 verbunden ist.
Der Ausgang des NAND-Gliedes 166 ist mit einem ersten Eingang
eines UND-Gliedes 168 verbunden. Der zweite Eingang des
UND-Gliedes 168 ist mit der Anschlußklemme 48 verbunden,
per Ausgang des UND-Gliedes 168 ist mit einer Kontrollogik 170 des
Transistors 144' verbunden.
Weiterhin ist ein Überwachungsglied 172 vorgesehen,
dessen Ausgang mit einem Flipflop 174 verbunden ist. Der Q --Ausgang
des Flipflops 174 ist mit dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes 166 verbunden.
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Der
zweite Logikbaustein 160 weist ein zweites UND-Glied 176,
dessen erster Eingang über
die Querverbindung 162 mit dem Ausgang des Zeitverzögerungsgliedes 164 des
Logikbausteins 158 verbunden ist. Der zweite Eingang des
UND-Gliedes 176 ist mit der Anschlußklemme 48 verbunden.
Ein Ausgang des UND-Gliedes 176 ist mit einem ersten Eingang
eines dritten UND-Gliedes 178 verbunden. Die
Anschlußklemme 48 ist
weiterhin mit einem ersten Eingang eines Komparators 180 verbunden,
dessen zweiter Eingang mit der Klemme 148 verbunden ist.
Der Ausgang des Komparators 180 ist mit einem Flipflop 182 verbunden,
dessen Q --Ausgang mit dem zweiten Eingang des UND-Gliedes 178 verbunden ist.
Der Ausgang des UND-Gliedes 178 ist mit einer Kontrollogik 184 des
Transistors 144'' verbunden.
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Die
in den 14 und 15 gezeigte Schaltungsanordnung übt folgende
Funktion aus:
Liegt an der Anschlußklemme 48 über das
Motor-Steuergerät 50 ein
Steuersignal an, also ein high-Signal, wird der Transistor 144' eingeschaltet. Der
Transistor 144'' wird zunächst nicht
eingeschaltet, da das Eingangs-UND-Glied 176 des Leistungsbausteins 160 mit
dem Zeitverzögerungsglied 164 verbunden
ist, und ein Durchschalten erst dann erfolgt, wenn sowohl an der
Anschlußklemme 48 als auch
an der Querverbindung 162 ein Signal im high-Zustand anliegt. Über das Überwachungsglied 172 wird
detektiert, ob über
den Transistor 144' ein Strom
fließt.
Für den
Fall, daß kein
Strom fließt,
ist eine Differenzspannung ΔU
zwischen dem Source und der Drain des Transistors 144' gleich Null.
Da der Transistor 144'' noch gesperrt
ist, bedeutet es, daß kein
Fehler vorliegt, wenn über
den Transistor 144' kein
Strom fließt.
Hierdurch wird das Flipflop 174 gesetzt (Q - = Low), so daß über die Verkettung
der UND-Glieder 166 und 168 in Verbindung mit
dem Zeitverzögerungsglied 164 der
Transistor 144' auch dann
eingeschaltet bleibt, wenn die Verzögerungszeit des Zeitverzögerungsgliedes 164 abgelaufen
ist.
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Für den Fall,
daß der
Transistor 144'' im Fehlerfall
kurzgeschlossen ist, erkennt das Überwachungsglied 172,
indem ΔU
größer 0 ist,
einen Stromfluß durch
den Transistor 144'.
Hierdurch wird ein Signal für
das Flipflop 174 bereitgestellt, so daß dieses nicht gesetzt wird
(Q - = high). Da nunmehr am zweiten Eingang des NAND-Gliedes 166 high-Signal anliegt,
wird nach Ablauf der Verzögerungszeit
des Zeitverzögerungsgliedes 164 der
Transistor 144' abgeschaltet.
Somit kann über
den Leistungsbaustein 158 eine Überwachung des Transistors 144'' erfolgen.
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Im
AUS-Zustand, das heißt
an der Anschlußklemme 48 liegt
kein Signal an, so daß sich
der low-Zustand ergibt, wird der Transistor 144' nicht durchgeschaltet,
so daß der
in Reihe hierzu liegende Transistor 144'' keine
Versorgungsspannung erhält. Ist
jedoch der Transistor 144' defekt,
das heißt
kurzgeschlossen, liegt an der Klemme 148 eine Versorgungsspannung
an, obwohl über
die Anschlußklemme 148 kein
Steuersignal bereitgestellt ist. Über den Komparator 180 wird
hierauf das Flipflop 182 gesetzt (Q - = low), so daß über die
Verknüpfung
mit dem UND-Glied 178 selbst bei nunmehr anliegendem Steuersignal
an der Anschlußklemme 48 der
Transistor 144'' nicht durchgeschaltet
werden kann. Hiermit erfolgt quasi mit dem Logikbaustein 160 eine Überwachung
des Transistors 144'.