DE4342053A1 - Kurzschlußfeste Verpolschutzschaltung mit geringer temperaturabhängiger Spannungsdrift für einen kfz-tauglichen Geber - Google Patents

Description

Der Gegenstand der Anmeldung betrifft eine kurzschlußfeste Verpolschutzschaltung mit geringer temperaturabhängiger Spannungsdrift für einen Kfz- tauglichen Geber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs.

Die gesuchte kurzschlußfeste, elektrisch verpolungssichere Eingangsbeschaltung mit geringer temperaturabhängiger Spannungsdrift ist für einen Kfz- tauglichen Geber, insbesondere für einen Beschleunigungsgeber, vorgesehen,

• 1. wobei der Geber einen Sensor zur Wandlung einer nicht elektrischen Meßgröße, insbesondere einer Beschleunigung, in ein elektrisches Signal enthält und das Meßsignal als analoges Spannungssignal am Geberausgang bereitstellt,
• 2. wobei das der Ruhelage des Sensors entsprechende Nullsignal am Ausgang des Gebers auf einen vorgegebenen Anteil von dessen Versorgungsspannung eingestellt ist,
• 3. wobei sich der Spannungsbereich für das analoge Meßsignal ratiometrisch zur Versorgungsspannung verhält,
• 4. wobei die bevorzugte Anwendung des Gebers im Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Bordspannungen von üblicherweise bis zu 30 Volt Gleichspannung besteht,
• 5. wobei die Sperrwirkung des Verpolungsschutzes zur Vermeidung einer Zerstörung der Geberelektronik beim Vertauschen der Versorgungsleitungen für die in einem Kraftfahrzeug üblichen Spannungen ausgelegt ist,
• 6. wobei der an der Verpolschutzschaltung verursachte Spannungsabfall im Durchlaßbetrieb höchstens 1% der Versorgungsspannung beträgt und
• 7. wobei die Schwankungen der an der Verpolschutzschaltung abfallenden Spannung infolge von Temperatureinflüssen auf diese Schaltungsanordnung für einen Betriebstemperaturbereich des Gebers von -40° bis +125°C deutlich weniger als 1% der Versorgungsspannung betragen.

Die gesuchte Lösung muß allen diesen aufgezeigten Forderungen genügen.

Es ist bekannt, Dioden als Verpolschutzelement zu verwenden. Der Spannungsabfall an einer Siliziumdiode beträgt üblicherweise etwa 0,7 Volt und ist damit bei Versorgungsspannungen von vorzugsweise 5 Volt für den beabsichtigten Einsatz ungeeignet. Außerdem ist die Durchlaßspannung temperaturabhängig.

Ferner ist bekannt, daß ein in einer Basisschaltung betriebener Bipolartransistor aus Silizium im aktiven Vorwärtsbetrieb über die Kollektor-Emitter-Strecke einen Spannungsabfall von etwa 200 mV und im inversen Betrieb einen Spannungsabfall von weniger als 50 mV aufweist. Bei Messungen an Transistoren, die aktiv invers betrieben wurden, zeigte sich aber, daß der Verpolschutz bei Spannungen von etwa 5 bis 6 Volt endet. Bei einer verpolten Versorgungsspannung, die über diesem Wert liegt, läuft die Ausgangsspannung mit einem um diese Potentialdifferenz reduzierten Wert mit. Ein Verpolschutz in dem gefordertem Umfang kann auf diese Weise also nicht realisiert werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung besteht nun darin, eine einfache und kostengünstige fahrzeugtaugliche Schaltungsanordnung aufzuzeigen,

• a. die bei Verpolung der Versorgungsspannung eine Sperrwirkung für die im Kfz üblichen Bordspannungen aufweist,
• b. die im Durchlaßbetrieb einen geringen Spannungsabfall über der Verpolschutzschaltung hat und
• c. die über einen weiten Temperaturbereich weitgehend keine störende Einwirkung auf das Meßsignal nimmt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Schutzanspruchs gelöst. Eine vorteilhafte Ausbildung der vorgeschlagenen Lösung soll nun anhand der Fig. 1 näher erläutert werden. Die heiteren Fig. 2 und 3 offenbaren alternative Ausgestaltungen der gefundenen Lösung.

Fig. 1 zeigt einen pnp-Transistor T1, z. B. einen vom Typ BSR33, mit dessen Kollektor und Emitter in der positiven Versorgungsleitung. Der Kollektor ist dem Eingang der Gleichspannungsversorgung UB zugewandt. Die vor einem Kurzschluß und der elektrischen Verpolung zu schützende Geberelektronik G samt dem Sensor ist emitterseitig angeordnet.

Der Transistor T1 darf keine integrierte parasitäre Diode zur Überbrückung der Emitter-Kollektor-Strecke aufweisen, die bei Verpolung in Durchlaßrichtung betrieben wird, weshalb beispielsweise als Transistor MOSFET-Typen ungeeignet sind, die stets eine derartige parasitäre Diode zwischen Drain und Source aufweisen.

In der Steuerleitung des Transistors T1 ist ein ohmscher Widerstand R1 zur Strombegrenzung sowie eine Diode D1, z. B. eine vom Typ BAV70, angeordnet. Die Diode D1 liegt zur Sperrung der Basis des Transistors T1 gegen eine Falschpolung mit ihrer Kathode am negativen Bezugspotential für die Geberelektronik G und mit ihrer Anode an der Basis des Transistors T1. Die Spannung UG entspricht der um den Spannungsabfall UT über dem Transistor verringerten Versorgungsspannung UB, wobei eine Minimierung von UT angestrebt wird.

Da der Transistor T1 beim ordnungsgemäßen Anschluß der Versorgungsleitungen, d. h. also im Normalbetrieb, aktiv invers betrieben wird, ist seine Stromverstärkung gering. Durch die Dimensionierung des Basiswiderstandes R1 ergibt sich die Möglichkeit zur Festlegung desjenigen Laststromes, bei dem der Spannungsabfall UT über die Kollektor-Emitter-Strecke einen deutlichen Anstieg verzeichnet. Durch diese Maßnahme wird die geforderte Kurzschlußfestigkeit der Schaltung erreicht.

Durch die Wahl einer Diode mit einer genügend großen Sperrspannung und einem kleinen Rückstrom wird der Verpolschutz des Transistors vorteilhaft erweitert, wobei die Grenze der Verpolungssicherheit durch die Sperrspannung der Diode und die zulässige Kollektor- Emitter-Spannung des Transistors bestimmt wird.

Transistor T1, Diode D1 und der Widerstand R1 bilden damit zusammen eine wirksame Verpolschutzschaltung mit einem geringen Spannungsabfall über der Kollektor- Emitter-Strecke im Durchlaßbetrieb bei ausreichender Kurzschlußfestigkeit.

Die gefundene Lösung macht sich unter anderem die Erkenntnis zunutze, daß ein geringer absoluter Spannungsabfall über der Kollektor-Emitter-Strecke auch nur geringe absolute Spannungsschwankungen infolge von Temperaturänderungen aufweist. Deshalb wird der Transistor invers betrieben. Da der Spannungsabfall entlang der Kollektor-Emitter-Strecke im aktiv inversen Betrieb erheblich geringer ist als im Normalbetrieb des Transistors, sind auch die Auswirkungen von Temperatureinwirkungen dem absoluten Betrage nach geringer, selbst wenn die Temperaturabhängigkeit in beiden Betriebsarten relativ gleich sein sollte. Um als Lösung für das gestellte Problem überhaupt in Betracht zu kommen, muß die absolute Änderung der Spannung UT im Durchlaßbetrieb im Temperaturbereich von -40° bis +125°C bei einer Versorgungsspannung von UB = 5 Volt deutlich unter 10 mV bleiben und sollte besser im Bereich von 2 mV liegen.

Die Forderung nach geringer Spannungsdrift muß vor dem Hintergrund gewürdigt werden, daß es sich bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung um eine Eingangsbeschaltung für einen Kfz-tauglichen Geber, insbesondere für einen Beschleunigungsgeber, handelt. Bei einer ratiometrischen Abhängigkeit des Meßsignalspannungsbereiches UM von der hinter der Verpolschutzschaltung abgreifbaren Spannung UG - und damit auch von der Versorgungsspannung UB des Gebers - wirkt sich jede Änderung der Potentialdifferenz von der am Eingang der Geberschaltung anliegenden Spannung UG direkt auf das Meßsignal aus. Das Meßsignal wird üblicherweise in einer nicht gezeigten weiteren elektronischen Schaltungsanordnung ausgewertet.

Durch temperaturbedingte Änderungen der Meßspannung UM werden Fehlinterpretationen durch die Auswerteelektronik möglich, die letztlich zu folgenschweren Fehlreaktionen in einer der Auswerteelektronik nachgeordneten Steuerung führen können. Die Anforderungen an die Drift der Spannung UT sind deshalb so hoch, damit beispielsweise nicht durch die temperaturempfindliche Eingangsbeschaltung eines Beschleunigungsgebers ungewollt ein Airbag oder das Registrierverfahren eines Unfalldatenspeichers ausgelöst werden.

Als weitere zu erfüllende Forderung soll die Potentialdifferenz der Versorgungsspannung UB zu 80 oder mehr Prozent als Hub für den Meßspannungsbereich zur Verfügung stehen. Eine aufwendige Schaltungsanordnung zur Temperaturstabilität kommt deshalb als Problemlösung wegen des damit unvermeidbar über diese Schaltungsanordnung verbundenen Spannungsabfalls nicht in Frage. Daher wird das Problem in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise mit nur einer einzigen Schaltstrecke über nur einen Transistor gelöst.

Zusätzlich muß die gesuchte Lösung den besonders kritischen Kostengesichtspunkten für elektronische Schaltungsanordnungen im Kraftfahrzeug gerecht werden. Da die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lediglich aus drei Bauelementen besteht, ist sie kostengünstig und platzsparend aufbaubar.

Die Fig. 2 zeigt einen zur Fig. 1 komplementären Schaltungsaufbau zur Einfügung des Schaltelements in die negative Versorgungsleitung.

Die Lösung gemäß der Fig. 3 erweitert die Verpolschutzschaltung auf beide Versorgungsleitungen durch gleichzeitige Verwendung der Basisschutzschaltung z. B. nach Fig. 1 zusammen mit ihrem Komplement, wodurch eine erhöhte Anschlußsicherheit erreicht wird, da nur bei einer Beaufschlagung der Schaltung mit der richtigen Polarität die Geberelektronik spannungsversorgt und sonst von beiden Versorgungspotentialen vollständig abgekoppelt ist.

Claims (1)

1. Kurzschlußfeste Verpolschutzschaltung mit geringer temperaturabhängiger Spannungsdrift für einen Kfz- tauglichen Geber, insbesondere für einen Beschleunigungsgeber, dadurch gekennzeichnet, daß in der parallel zum Eingang der Geberelektronik G zwischen den beiden Versorgungsleitungen angeordneten Steuerleitung eines invers aktiv betriebenen Transistors T, der keine parasitäre Dioden aufweisen darf, eine Diode D und ein ohmscher Widerstand R vorgesehen sind, wobei die Anode der Diode D mit der Basis des Transistors T verbunden ist.