EP1690326A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum steuern eines induktiven verbrauchers - Google Patents

Schaltungsanordnung und verfahren zum steuern eines induktiven verbrauchers

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EP1690326A1
EP1690326A1 EP04819691A EP04819691A EP1690326A1 EP 1690326 A1 EP1690326 A1 EP 1690326A1 EP 04819691 A EP04819691 A EP 04819691A EP 04819691 A EP04819691 A EP 04819691A EP 1690326 A1 EP1690326 A1 EP 1690326A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switch
consumer
input
circuit
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04819691A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Bauer
Mauricio Hernandez-Distancia
Milan Krstev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1690326A1 publication Critical patent/EP1690326A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/10—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to mechanical injury, e.g. rupture of line, breakage of earth connection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/045—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere
    • H02H9/047—Free-wheeling circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H02H5/10—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to mechanical injury, e.g. rupture of line, breakage of earth connection
    • H02H5/105—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection responsive to mechanical injury, e.g. rupture of line, breakage of earth connection responsive to deterioration or interruption of earth connection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement and a method for controlling an inductive consumer, in particular a protective circuit which prevents an actuator from being switched on in the event of a fault.
  • Electrical consumers and actuators are switched on and off by electronic control units.
  • electrical consumers such as the excitation coil of a fuel injection valve or a starter motor
  • a switching element which is connected in series with the consumer.
  • This switching element is often part of a control unit which is connected on the input side to the two poles of a supply voltage source. Often only one potential of the supply voltage source is fed to the consumer via the control unit.
  • the second potential is usually supplied to the consumer via the body, which is at ground potential.
  • a known solution to this problem is to provide such a safety-critical consumer with a second ground line, so that the consumer is electrically connected directly to the ground of the control device.
  • this proves to be complex and very costly for several consumers.
  • the object is achieved by a circuit arrangement having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 5.
  • the circuit arrangement has a first and a second input and an output.
  • the first input is electrically connected to a first potential of a supply voltage source and the second input is electrically connected to a second potential of the supply voltage source.
  • the consumer 80 is connected on the one hand to the output and on the other hand to the second potential of the supply voltage source.
  • the circuit arrangement further has a first switch, which can be controlled by a signal, for switching the consumer on and off, which is connected on the one hand to the first input and on the other hand to the output of the circuit arrangement.
  • a first switch which can be controlled by a signal, for switching the consumer on and off, which is connected on the one hand to the first input and on the other hand to the output of the circuit arrangement.
  • the circuit arrangement has a free-wheeling circuit which is connected on the one hand to the second input and on the other hand to the output of the circuit arrangement and has a second switch. If the consumer is switched off by switching off the first switch, the energy stored in the consumer is discharged via this freewheeling circuit. For this purpose, the second switch is closed.
  • a monitoring unit monitors a potential in the freewheeling circuit and opens or closes the second switch depending on
  • the second switch is preferably controlled in such a way that the freewheeling circuit is switched on during the switching off phase of the consumer and is switched off when the freewheeling circuit is not required.
  • the monitoring unit switches the second switch off or on when the voltage falls below or exceeds a predetermined voltage threshold. In this way, it is sufficient ⁇ that is, that is not accidentally turned on in the event of an error at a mass loss of L15 circuitry of consumers.
  • the monitoring unit also has a time delay element which, after falling below or exceeding the predetermined
  • L20 th voltage threshold turns off the second switch after a predetermined period of time. This ensures that the energy stored in the inductive consumer is discharged via the freewheeling circuit during this period. After this unloading process, the freewheeling circuit preferably remains
  • L25 is interrupted by the open second switch and current flow through this free-wheeling circuit to the consumer is prevented.
  • the circuit arrangement preferably has a logic unit
  • L35 which only enables the consumer to be switched on if an unintentional switch-on in the event of an error is excluded.
  • the first switch has received a switch-off signal and then a switch-on signal and / or the monitoring unit
  • FIG. 1 shows an embodiment of a circuit arrangement according to the invention
  • FIG. 2 shows a flowchart which shows the steps of an exemplary embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a time delay element and a logic unit.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a circuit arrangement L55 for controlling an inductive consumer 5.
  • the consumer 5 is described here instead as a series connection of an inductor L and a resistor R.
  • the circuit arrangement has a first input 1 and a
  • L60 NEN second input 2 each of which is electrically connected to a potential of a supply voltage source, here an accumulator 6.
  • a potential of a supply voltage source here an accumulator 6.
  • the first connection 1 with the positive pole + of the accumulator 6 and the second input 2 with the negative pole - of the accumulator 6 are electrically connected.
  • the electronics arranged in the control unit between inputs 1 and 2 are shown here as equivalent resistor 7.
  • the equivalent resistor 7 corresponds to a parallel connection of all components supplied directly or indirectly by the accumulator 6.
  • the circuit arrangement also has a first switch S1, which is electrically connected on the one hand to the first input 1 and on the other hand to an output 3.
  • the consumer 5 is on the one hand with the output 3 and on the other hand with ground
  • a free-wheeling circuit FLK is arranged between the second input 2 and the output 3.
  • This free-wheeling circuit FLK here has a series connection of a second switch S2 and a diode D F. Is the
  • the first switch S1 embodied here as a so-called “highside” switch, can also be embodied as a "low-side” switch.
  • the first switch S1 and the second switch S2 are designed as 220 controllable electrical switches, for example as power MOS field-effect transistors (MOSFETS) or as insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
  • MOSFETS power MOS field-effect transistors
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • the control connections of these switches S1, S2 are controlled by a control circuit 8.
  • the first switch 225 S1 is electrically connected to the control circuit 8 via a first control line UST1 and the second switch S2 via a second control line UST2.
  • the control circuit 8 has a logic unit 9, a 230 microcontroller 10, a supply voltage monitor 11 and a time delay element 12.
  • the supply voltage monitor 11 has two inputs, a first input UE, which is electrically connected to the first input 1 of the circuit arrangement, and a second input UA, 235, which is electrically connected to the output 3 of the circuit arrangement.
  • the supply voltage monitor 11 also has two outputs. One of these outputs U Ef ReSet is connected to the
  • the 240 linkage unit 9 is electrically connected and the second U A , si gna i is electrically connected to time delay element 12.
  • the microcontroller 10 has at least one output ENA, which is connected to the logic unit 9.
  • the linking unit 9 is further connected to the control line USTl
  • control circuit 8 connected.
  • FIG. 2 shows a flow chart, on the basis of which the method steps> 55 required for operating the consumer 5 are explained in more detail.
  • the start of the process is marked with "Start”.
  • the first switch S1 is switched on (step 101).
  • two possible error cases can be distinguished, namely the loss of mass when the consumer 5 is switched on and the loss of mass of the circuit arrangement when the consumer 5 is switched off.
  • step 102 checks whether the microprocessor 10 has a switch-off signal.
  • the second switch S2 is also switched off after a predetermined time period ⁇ t, during which the energy stored in the inductance L is essentially reduced via the free-wheeling circuit FLK. So that would also be the case
  • step 104 ' an inadvertent switching on of the consumer 5 in the event of an interruption in the connecting line between the negative connection - the accumulator 6 and the input 2 is excluded.
  • the predefined time period ⁇ t is selected here such that after this time period ⁇ t the inductance L is largely discharged. 285
  • the time period ⁇ t can be selected in the following range:
  • time period ⁇ t is chosen too long, it would be possible to switch it on again during this time in the event of an error.
  • the time period ⁇ t must therefore be so dimensionally be renated, as necessary for energy reduction in the consumer 5.
  • step 102 If a switch-on signal ENA of the microcontroller 10 is still present in step 102, a branch is made to step 103 and the output voltage U A is checked there. In normal operation, the output voltage 300 U A corresponds approximately to the input voltage U E.
  • the output voltage U A corresponds approximately to the forward voltage of the freewheeling diode D F.
  • This forward voltage depends on the type of the freewheeling diode D F and is approximately - 0.7 volts in the exemplary embodiment described here. Depending on this forward voltage, the diode D turns on
  • the first switch S1 is first opened, then after the predetermined time period ⁇ t, which, as already described, depends on the discharge time t en ti ad e of the inductor L, the second switch S2 is opened, and thus a current
  • an error flag can also be set here, via which the interruption of the ground line is reported to a control unit.
  • step 202 If the first switch S1 is not switched on in step 101, a branch is made to step 202, in which it is checked whether the second switch S2 is closed. If the switch S2 is closed, it is checked again in step 203 whether the
  • the second switch S2 can only be opened after the predetermined time period ⁇ t.
  • step 203 ′ a restart signal from the microcontroller 10 is waited for.
  • This reclosure signal can be, for example, a change in state of the switch-on signal ENA from state 0 to state 1. This prevents the 355 consumer from being switched on again unintentionally after a loss of mass.
  • the implementation of the method described here can be started, for example, as a function of an operating state of the consumer 5 or of the microcontroller 10 or also by an external control signal 360.
  • FIG. 3 shows an embodiment of the time delay element 12 and the linking unit 9. 365 If the switch S1 is turned on, a voltage U A is present at the consumer 5, which corresponds approximately to the input voltage U E.
  • the time delay element 12 has a power supply input 1 ′ which is independent of the switching element S1 and which serves to supply the circuit arrangement with voltage. be-
  • a series circuit comprising a first resistor R1, a diode D1 connected in the reverse direction, a second resistor R2 and a third resistor R3 is arranged.
  • the switch S2 is designed here as an n-channel MOSFET, with its drain connection
  • the gate connection is connected to the center tap of a series circuit consisting of a fourth resistor R4 and a first capacitor C1, the
  • the base-emitter path of a transistor T1 is arranged parallel to the second resistor R2.
  • the transistor T1 is a pnp transistor.
  • the base connection of the transistor T1 is connected to the tap between the second resistor R2 and the diode Dl.
  • the emitter connection is connected to the tap between the second and third resistors R2 and R3.
  • the collector terminal of the transistor T1 is connected to the Output 3 facing connection of the freewheeling diode D F connected.
  • the circuit arrangement is dimensioned such that the switch S2 is turned on before a larger amount of energy has been stored in the inductance L of the consumer 5.
  • the supply voltage monitor 11 supplies gang U E , ReSet a signal with a high level, as long as the 440 supply voltage VCC is sufficiently high.
  • a low level at the input U E , R e se t stands for a supply voltage VCC which is below a predetermined voltage threshold.
  • the signal ENA coming from the microcontroller 10 is inverted in a first inverter 13 and fed to an AND gate 14.
  • the second input of the AND gate 14 is connected to the output U E , reset of the supply voltage monitor 11.
  • the output of the AND gate 14 has one
  • the voltage levels at the outputs are assigned to levels 455 "Low” and "High” as follows:
  • the output signal of the AND gate 14 is fed to the set input S of a D flip-flop 15.
  • the output signal of the first inverter 13 is fed to the clock input CLK of the D flip-flop 15 via a low pass consisting of a resistor R6 and a capacitor C2 and two further inverters 16 and 17.
  • the inverted output Q is fed back to the D input D of the D flip-flop 15.
  • the output Q of the D flip-flop 15 is here connected to the control line U S n.
  • the switch S1 remains switched off.
  • the first switch S1 is switched on with a negative edge at the input ENA, i. H. with a change from a high to a low level or with a positive edge at the clock input Clk of the D flip-flop.
  • two inverters 16, 17 are connected as Schmitt trigger inverters, by means of which the edge steepness at the clock 500 input CLK is improved.
  • a non-inverting Schmitt trigger gate can also be arranged instead of the two inverters.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

Schaltungsanordnung und Verfahren zum Steuern eines indukti­ven Verbrauchers, insbesondere zum Schutz des Verbraucher vor unbeabsichtigtem Einschalten. Die Schaltungsanordnung weist einen Freilaufkreis (FLK) auf, um im Verbraucher (5) gespeicherte Energie abzubauen. Um bei Unterbrechung der Masseleitung zwischen einem Energiespeicher (6) und der Schaltungsanordnung ein versehentliches Einschalten des Verbrauchers (5) zu verhindern, wird dieser Freilaufkreis (FLK) nach dem Ausschalten des Verbrauchers (5) nach einer vorgegebenen Zeit (Δt) unterbrochen. Somit wird ein Aufladen des Verbrau­chers (5) durch einen Stromfluss vom positiven Pol (+) des Energiespeichers (6) über die Elektronik (7) der Schaltungsanordnung und den Freilaufkreis (FLK) verhindert.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Steuern eines induktiven Verbrauchers
Die Erfindung betrifft einen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Steuern eines induktiven Verbrauchers, insbesondere eine Schutzschaltung, die das Einschalten eines Aktors im Fehlerfall verhindert .
Elektrische Verbraucher und Stellglieder werden durch elektronische Steuergeräte ein- und ausgeschaltet . In der Automobiltechnik werden elektrische Verbraucher, wie beispielsweise die Erregerspule eines Kraftstoffeinspritzventils oder eines Anlassermotors üblicherweise durch ein Schaltelement betätigt, das in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet ist. Dieses Schaltelement ist häufig Teil eines Steuergerätes, das ein- gangsseitig mit den beiden Polen einer Versorgungsspannungs- quelle verbunden ist. Häufig wird nur ein Potenzial der Ver- sorgungsspannungsquelle über das Steuergerät dem Verbraucher zugeführt. Das zweite Potenzial wird in der Automobiltechnik üblicherweise über die Karosserie, die auf Massepotenzial liegt, dem Verbraucher zugeführt.
Bei einer Unterbrechung der Masseleitung, die vom negativen Anschluss der Versorgungsspannungsquelle zum Steuergerät führt, kann es bei bestimmten Verbrauchern nicht ausgeschlossen werden, dass der Verbraucher auch ungewollt mit Energie versorgt wird.
Speziell bei induktiven Verbrauchern, die die in ihnen gespeicherte Energie nach dem Abschalten über einen Freilaufkreis abbauen müssen, kann es bei einer Masseunterbrechung zu ungewollten Energieversorgung des Verbrauchers kommen.
Hierbei können zwei Fälle unterschieden werden, zum einen wird bei eingeschaltetem Schaltelement der Verbraucher auch weiterhin durch einen vom positiven Potenzial der Versor- gungsspannungsquelle über das Schaltelement und den Verbrau- eher zum externen Masseanschluss fließenden Strom mit Energie versorgt. Zum anderen wird bei ausgeschaltetem Schaltelement die interne Masse des Steuergeräts abhängig von der Beschaffenheit der Steuerelektronik und des elektrischen Verbrauchers in Richtung des positiven Potenzials der Versorgungs- spannungsquelle "gezogen". Hierdurch kommt es zu einem Stro - fluss vom Pluspol der Versorgungsspannungsquelle über den Freilaufkreis und den nach externer Masse. Problematisch hierbei ist die Gefahr, dass der elektrische Verbraucher aufgrund dieses Stromflusses ungewollt eingeschaltet werden kann. Für das Beispiel des Starterrelais kommt es in diesem
Fall zu einem ungewollten Startvorgang, der aus sicherheitstechnischen Gründen unbedingt verhindert werden muss.
Eine bekannte Lösungsmöglichkeit dieses Problems ist es, ei- nen solchen sicherheitskritischen Verbraucher mit einer zweiten Masseleitung zu versehen, so dass der Verbraucher direkt mit der Masse des Steuergeräts elektrisch verbunden ist. Dies erweist sich jedoch bei mehreren Verbrauchern als aufwendig und sehr kostenintensiv.
Bei einer bekannten Schaltungsanordnung (US 5,166,852 A) wird bei einem Masseverlust die Last ausgeschaltet. So wird jedoch der oben erläuterte zweite Fall, das Wiedereinschalten der Last, nicht verhindert.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Steuern eines induktiven Verbrauchers zu schaffen, die auch im Fehlerfall ein Einschalten des induktiven Verbrauchers verhindert .
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. 75 Die Schaltungsanordnung weist einen ersten und einen zweiten Eingang sowie einen Ausgang auf. Der erste Eingang ist mit einem ersten Potenzial einer Versorgungsspannungsquelle und der zweite Eingang mit einem zweiten Potenzial der Versorgungsspannungsquelle elektrisch verbunden. Der Verbraucher 80 ist einerseits mit dem Ausgang und andererseits mit dem zweiten Potenzial der Versorgungsspannungsquelle verbunden.
Im hier vorliegenden Fall besteht somit keine direkte Verbindung zwischen dem der Schaltungsanordnung zugeführten zweiten 85 Potenzial und dem Verbraucher. Die Schaltungsanordnung weist weiter einen ersten durch ein Signal steuerbaren Schalter zum Ein- und Ausschalten des Verbrauchers auf, der einerseits mit dem ersten Eingang und andererseits mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung verbunden ist. Bei eingeschaltetem Schal- 90 ter fließt im Normalbetrieb ein Strom vom ersten Potenzial der Versorgungsspannungsquelle über den steuerbaren Schalter und den Verbraucher zum zweiten Potenzial der Versorgungsspannungsquelle .
95 Weiter weist die Schaltungsanordnung einen Freilaufkreis auf, der einerseits mit dem zweiten Eingang und andererseits mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung verbunden ist und einen zweiten Schalter aufweist. Wird der Verbraucher durch Ausschalten des ersten Schalters abgeschaltet, so entlädt sich 100 die im Verbraucher gespeicherte Energie über diesen Freilaufkreis. Hierzu ist der zweite Schalter geschlossen.
Eine Überwachungseinheit überwacht ein Potenzial im Freilaufkreis und öffnet oder schließt den zweiten Schalter in Abhän-
L05 gigkeit von diesem Potenzial. Der zweite Schalter wird hierbei vorzugsweise so angesteuert, dass der Freilaufkreis während der Ausschaltphase des Verbrauchers eingeschaltet ist und dann, wenn der Freilaufkreis nicht benötigt wird, ausgeschaltet ist.
L10 Die Überwachungseinheit schaltet den zweiten Schalter beim Unterschreiten oder Überschreiten eines vorbestimmten Spannungsschwellwerts aus oder ein. Auf diese Weise wird er¬ reicht, dass im Fehlerfall, d. h. bei einem Masseverlust der L15 Schaltungsanordnung, der Verbraucher nicht versehentlich eingeschaltet wird.
Die Überwachungseinheit weist weiter ein Zeitverzögerungsglied auf, das nach Unter- oder Überschreiten des vorbestimm-
L20 ten Spannungsschwellwerts den zweiten Schalter nach einer vorbestimmten Zeitdauer ausschaltet. So wird sicher gestellt, dass die im induktiven Verbraucher gespeicherte Energie in dieser Zeitspanne über den Freilaufkreis entladen wird. Nach diesem Entladevorgang bleibt der Freilaufkreis vorzugsweise
L25 durch den geöffneten zweiten Schalter unterbrochen und ein Stromfluss über diesen Freilaufkreis zum Verbraucher hin wird verhindert .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter- L30 ansprüchen beschrieben.
Um im Fehlerfall ein Wiedereinschalten der Last durch Einschalten des ersten Schalters auszuschließen, weist die Schaltungsanordnung vorzugsweise eine Verknüpfungseinheit
L35 auf, die ein Einschalten des Verbrauchers nur dann möglich macht, wenn ein unbeabsichtigtes Einschalten bei einem Fehlerfall ausgeschlossen ist. Vorzugsweise dann, wenn der erste Schalter zunächst ein Ausschalt- und anschließend ein Einschaltsignal erhalten hat und/ oder die Überwachungseinheit
L40 den zweiten Schalter eingeschaltet hat.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Beschreibung und der Figuren eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
.45 Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, Figur 2 ein Ablaufdiagramm, das die Schritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens wie- 150 dergibt, und Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Zeitverzögerungsglieds und eines Verknüpfungseinheit.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanord- L55 nung zum Steuern eines induktiven Verbrauchers 5. Der Verbraucher 5 wird hier ersatzweise als Serienschaltung einer Induktivität L und eines Widerstands R beschrieben.
Die Schaltungsanordnung weist einen ersten Eingang 1 und ei-
L60 nen zweiten Eingang 2 auf, die jeweils mit einem Potenzial einer Versorgungsspannungsquelle, hier einem Akkumulator 6, elektrisch verbunden sind. Hier ist der erste Anschluss 1 mit dem positiven Pol + des Akkumulator 6 und der zweite Eingang 2 mit dem negativen Pol - des Akkumulator 6 elektrisch ver-
L65 bunden. Die im Steuergerät zwischen den Eingängen 1 und 2 angeordnete Elektronik wird hier als Ersatzwiderstand 7 wiedergegeben. Der Ersatzwiderstand 7 entsprich einer Parallelschaltung aller direkt oder indirekt vom Akkumulator 6 versorgten Bauelemente.
L70 Die Schaltungsanordnung weist weiter einen ersten Schalter Sl auf, der einerseits mit dem ersten Eingang 1 und andererseits mit einem Ausgang 3 elektrisch verbunden ist. Der Verbraucher 5 ist einerseits mit dem Ausgang 3 und andererseits mit Masse
L75 GND2 elektrisch verbunden.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel existiert keine direkte Verbindung zwischen der internen Masse der Schaltungsanordnung GNDx und der Masse GND2 des Verbrauchers 5. Im Be- .80 reich der Automobiltechnik wird als Masseverbindung üblicherweise die Karosserie des Kraftfahrzeugs verwendet.
Um nach dem Abschalten des Verbrauchers (wird hier durch das Öffnen des Schalters Sl erreicht) die in der Induktivität L 185 gespeicherte Energie E abzubauen und somit ein Ausschalten des Verbrauchers 5 zu realisieren, ist zwischen dem zweiten Eingang 2 und dem Ausgang 3 ein Freilaufkreis FLK angeordnet Dieser Freilaufkreis FLK weist hier eine Serienschaltung eines zweiten Schalters S2 und einer Diode DF auf. Ist der
190 zweite Schalter S2 geschlossen, so fließt nach dem Ausschalten des ersten Schalters Si für einen begrenzten Zeitraum entide ein Strom I vom Verbraucher 5 über die Diode DF und den Schalter S2.
195 Der Entladezeitraum tentiade ist abhängig von der in der Induktivität L des Verbrauchers 5 gespeicherten Energie E: E = - L - I2 2
Beim Laden der Induktivität L nimmt die Stromstärke I zu-
200 nächst linear zu und nähert sich dem konstanten Endwert Io an: UΛ R ein.
205 Die Entladezeit tentiade der Spule L lässt sich aus der Gleichung R 1 1 = 1, L ableiten.
2.10 Der hier als sogenannter "Highside"-Schalter ausgeführte erste Schalter Sl kann auch als "Lowside"-Schalter ausgeführt sein. Als Folge dessen ändern sich lediglich die Verbindung der Anschlüsse 1 und 2 mit den Polen des Akkumulators 6 und die Durchflussrichtung der Freilaufdiode DF. Der Verbraucher
.15 5 wäre dann mit ihrem dem Ausgang 3 abgewandten Anschluss mit dem positiven Potenzial + des Akkumulators 6 elektrisch verbunden . Der erste Schalter Sl und der zweite Schalter S2 sind als 220 steuerbare elektrische Schalter, beispielsweise als Leistungs-MOS Feldeffekttransistoren (MOSFETS) oder als Insu- lated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT's) ausgebildet. Die Steueranschlüsse dieser Schalter Sl, S2 werden von einer Steuerschaltung 8 angesteuert. Dabei ist der erste Schalter 225 Sl über eine erste Steuerleitung USTl und der zweite Schalter S2 über eine zweite Steuerleitung UST2 mit der Steuerschaltung 8 elektrisch verbunden.
Die Steuerschaltung 8 weist eine Verknüpfungseinheit 9, einen 230 MikroController 10, eine Versorgungsspannungsüberwachung 11 und ein Zeitverzögerungsglied 12 auf. Die Versorgungsspan- nungsüberwachung 11 weist zwei Eingänge auf, einen ersten Eingang UE, der mit dem ersten Eingang 1 der Schaltungsanordnung elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Eingang UA, 235 der mit dem Ausgang 3 der Schaltungsanordnung elektrisch verbunden ist .
Die Versorgungsspannungsüberwachung 11 weist weiter zwei Ausgänge auf. Einer dieser Ausgänge UEf ReSet ist mit der Ver-
240 knüpfungseineinheit 9 elektrisch verbunden und der zweite UA, signai ist mit Zeitverzögerungsglied 12 elektrisch verbunden. Der Mikrocontroller 10 weist zumindest einen Ausgang ENA auf, der mit der Verknüpfungseinheit 9 verbunden ist. Die Verknüpfungseinheit 9 ist weiter mit der Steuerleitung USTl der
245 Steuerschaltung 8 verbunden. Das Zeitverzögerungsglied 12 ist mit der zweiten Steuerleitung UST2 der Steuerschaltung 8 ver¬ bunden .
Solange kein Fehlerfall vorliegt und der erste Schalter Sl .50 eingeschaltet ist, fällt über den Verbraucher 5 eine Spannung UA ab, die in etwa der Eingangsspannung UE entspricht.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, anhand dessen die zum Betrieb des Verbrauchers 5 erforderlichen Verfahrensschritte >55 näher erläutert werden. Der Beginn des Ablaufs ist mit "Start" gekennzeichnet. Hier wird zunächst abgefragt, ob der erste Schalter Sl eingeschaltet ist (Schritt 101) . Anhand dieser Unterscheidung können zwei mögliche Fehlerfälle, nämlich der Masseverlust bei ein- 260 geschaltetem Verbraucher 5 und der Masseverlust der Schaltungsanordnung bei ausgeschaltetem Verbraucher 5 unterschieden werden.
Im ersten Fall bei eingeschaltetem ersten Schalter Sl wird im 265 Schritt 102 überprüft, ob vom Mikroprozessor 10 ein Ausschaltsignal vorliegt. In diesem Fall wäre das Einschaltsignal ENA vom Zustand "0" auf den Zustand "1" gesetzt worden und in Folge dessen wird dann der erste Schalter Sl ausgeschaltet (ENA="1" entspricht hier einem Low-Pegel) . Falls es 270 die Sicherheitsanforderungen an den Verbraucher 5 erforderlich machen, wird nach einer vorgegebenen Zeitdauer Δt, während der die in der Induktivität L gespeicherte Energie über den Freilaufkreis FLK im Wesentlichen abgebaut wird, auch der zweite Schalter S2 ausgeschaltet. Somit wäre auch im Falle
275 des dann ausgeschalten Verbrauchers 5 ein versehentliches Einschalten des Verbrauchers 5 bei einer Unterbrechung der Verbindungsleitung zwischen dem negativen Anschluss - des Akkumulators 6 und dem Eingang 2 ausgeschlossen (Schritt 104'). Nach Schritt 104' wird zum Ende des Ablaufdiagramms ver-
280 zweigt.
Die vorgegebene Zeitdauer Δt wird hier so gewählt, dass nach Ablauf dieser Zeitdauer Δt die Induktivität L weitestgehend entladen ist. 285 Die Zeitdauer Δt kann im folgenden Bereich gewählt werden:
5 τ < Δt < 10 τ mit τ = L/R.
290 Wird die Zeitdauer Δt zu groß gewählt, so wäre in einem Fehlerfall bereits während dieser Zeitdauer ein Wiedereinschalten möglich. Die Zeitdauer Δt muss von daher so dimensio- niert werden, wie für den Energieabbau im Verbraucher 5 nötig.
295 Liegt in Schritt 102 weiterhin ein Einschaltsignal ENA des MikroControllers 10 vor, so wird zum Schritt 103 verzweigt und dort eine Überprüfung der Ausgangsspannung UA vorgenommen. Im normalen Betriebsfall entspricht die AusgangsSpannung 300 UA in etwa der EingangsSpannung UE.
Bei ausgeschaltetem ersten Schalter Sl und/ oder im Falle eines Masseverlusts, d. h. hier einer Leitungsunterbrechung zwischen dem negativen Pol - des Akkumulators 6 und dem zwei-
305 ten Eingang 2, entspricht die Ausgangsspannung UA in etwa der Durchlassspannung der Freilaufdiode DF. Diese Durchlassspannung ist vom Typ der Freilaufdiode DF abhängig und beträgt im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in etwa - 0,7 Volt. Abhängig von dieser Durchlassspannung der Diode D wird ein
310 Spannungsschwellwert UA, MIN definiert, unterhalb dessen ein Strom im Freilaufkreis FLK fließt.
Liegt die Ausgangsspannung UA oberhalb dieses vorbestimmten Schwellwertes UA, MIN SO kann ein Fehlerfall ausgeschlossen 315 werden und es wird zum Ende des Ablaufsdiagramms verzweigt.
Liegt die AusgangsSpannung UA jedoch unterhalb des vorbestimmten Schwellwerts UA, msr so ist bei eingeschaltetem ers¬ ten Schalter Sl von einer "abgetrennten" Masseverbindung der
320 Schaltungsanordnung auszugehen und es wird nach Schritt 104 verzweigt. Dort wird zunächst der erste Schalter Sl geöffnet, dann nach der vorbestimmten Zeitdauer Δt, die wie bereits beschrieben von der Entladezeit tentiade der Induktivität L abhängt, der zweite Schalter S2 geöffnet und somit ein Strom-
325 fluss vom Akkumulator 6 über den Eingang 1, den Ersatzwiderstand 7, den zweiten Schalter S2, die Diode D und den Verbraucher 5 unterbrochen. Nach dem Ausschalten des zweiten Schalters S2 ist somit ein unbeabsichtigtes Einschalten des Verbrauchers 5 ausgeschlossen und es wird zum Ende des Ab- 330 laufdiagramms verzweigt.
Alternativ kann hier zusätzlich ein Fehlerflag gesetzt werden, über das die Unterbrechung der Masseleitung an ein Steuergerät gemeldet wird.
335 Ist im Schritt 101 der erste Schalter Sl nicht eingeschaltet, so wird nach Schritt 202 verzweigt, in dem überprüft wird ob der zweite Schalter S2 geschlossen ist. Ist der Schalter S2 geschlossen, so wird in Schritt 203 wieder geprüft, ob die
340 Ausgangsspannung UA unterhalb des vorbestimmten Schwellwerts UA, MIN liegt. Ist dies der Fall, so wird nach Schritt 204 verzweigt und der Schalter S2 geöffnet und im Anschluss daran zum Ende des Ablaufdiagramms verzweigt. Ist dies nicht der Fall oder ist die Ausgangsspannung UA gleich Null, so wird
345 direkt zum Ende des Ablaufdiagramms verzweigt. Alternativ kann der zweite Schalter S2 auch erst nach der vorbestimmten Zeitdauer Δt geöffnet werden.
Ist der Schalter S2 im Schritt 202 geöffnet (S2=0), so wird 350 nach Schritt 203' verzweigt, wo auf ein Wiedereinschaltsignal des Mikrocontrollers 10 gewartet wird. Diese Widereinschaltsignal kann beispielsweise ein Zustandswechsel des Einschaltsignal ENA vom Zustand 0 in den Zustand 1 sein. Auf diese Weise wird verhindert, dass nach einem Masseverlust der 355 Verbraucher unbeabsichtigt wieder eingeschaltet wird.
Das Durchführen des hier beschriebenen Verfahrens kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand des Verbrauchers 5 oder des Mikrocontrollers 10 oder auch durch 360 ein externes Steuersignal gestartet werden.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Zeitverzögerungsglieds 12 und der Verknüpfungseinheit 9. 365 Wird der Schalter Sl eingeschaltet, so liegt am Verbraucher 5 eine Spannung UA an, die in etwa der Eingangsspannung UE entspricht. Das Zeitverzögerungsglied 12 weist einen vom Schaltelement Sl unabhängigen Stromversorgungseingang 1' auf, der zur Spannungsversorgung der Schaltungsanordnung dient. Zwi-
370 sehen dem Ausgang 3 und diesem Eingang 1' ist eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand Rl, einer in Sperrrichtung geschalteten Diode Dl, einem zweiten Widerstand R2 und einem dritten Widerstand R3 angeordnet. Der Schalter S2 ist hier als n-Kanal-MOSFET ausgeführt, wobei sein Drainanschluss
375 mit dem zweiten Eingang 2 und sein Sourceanschluss über die in Flussrichtung geschaltete Freilaufdiode DF mit dem Ausgang 3 verbunden ist. Der Gateanschluss ist mit dem Mittelabgriff einer Serienschaltung, bestehend aus einem vierten Widerstand R4 und einem ersten Kondensators Cl, verbunden, wobei der
380 zweite Anschluss des vierten Widerstands R4 mit dem Mittelabgriff zwischen dem zweiten Widerstand R2 und dem dritten Wi- • derstand R3 verbunden ist. Der zweite Anschluss des Kondensators Cl ist mit dem Sourceanschluss des Schalters S2 verbunden.
385 Ebenfalls mit dem Gateanschluss des Schalters S2 ist der Mittelabgriff zwischen einer zweiten Diode D2 und einem fünften Widerstand R5 verbunden, wobei die zweite Diode D2 parallel zum vierten Widerstand R4 mit ihrer Durchflussrichtung in
390 Richtung des Gateanschlusses des Schalters S2 und der fünfte Widerstand R5 parallel zum ersten Kondensator Cl angeordnet ist .
Parallel zum zweiten Widerstand R2 ist die Basis-Emitter- 395 Strecke eines Transistors Tl angeordnet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich beim Transistor Tl um einen pnp-Transistor . Der Basisanschluss des Transistors Tl ist mit dem Abgriff zwischen dem zweitem Widerstand R2 und der Diode Dl verbunden. Der Emitteranschluss ist mit dem Ab- 100 griff zwischen zweitem und dritten Widerstand R2 und R3 verbunden. Der Kollektoranschluss des Transistors Tl ist mit dem Ausgang 3 abgewandtem Anschluss der Freilaufdiode DF verbunden.
405 Bei eingeschaltetem Schalter Sl sperrt der Transistor Tl und der Kondensator Cl wird über den dritten Widerstand R3 und die zweite Diode D2 auf die am Eingang 1' anliegende Versorgungsspannung VCC aufgeladen. Infolge dessen wird der Schalter S2 eingeschaltet und damit der Freilaufkreis FLK akti-
410 viert. Die Schaltungsanordnung wird so dimensioniert, dass der Schalter S2 eingeschaltet ist, bevor in der Induktivität L des Verbrauchers 5 eine größere Energiemenge gespeichert wurde .
415 Wird nun der Schalter Sl ausgeschaltet, so fließt aufgrund der in der Induktivität L des Verbrauchers 5 gespeicherten Energie ein Strom durch den aus Schalter S2 und Freilaufdiode DF gebildeten Freilaufkreis FLK. Über dem Verbraucher 5 fällt nun eine Ausgangsspannung UA von ca. 0,7 Volt ab. Dies ent-
420 spricht der Durchlassspannung der Freilaufdiode DF. Aufgrund dieser Spannung wird der Transistor Tl eingeschaltet und der Kondensator Cl entlädt sich über den Widerstand R4. Ist der Kondensator Cl entladen, so wird der Transistor T2 abgeschaltet. Die Zeitspanne Δt zwischen dem Abschalten des Schalters
425 Sl und dem Abschalten des Schalters S2 wird so gewählt, dass zum Abschaltzeitpunkt des Schalters S2 die in der Induktivität L gespeicherte Energie weitestgehend abgebaut ist.
Bei geöffnetem Schalter Sl und geöffnetem Schalter S2 wird 130 nun die Verbindung zwischen dem negativen Pol - des Akkumulators und dem zweiten Eingang 2 unterbrochen, so kann kein Strom über den Freilaufkreis FLK zum Verbraucher 5 fließen.
Die Verknüpfungseinheit 9 ist für die folgenden Eingangsgrö- 135 ßen ausgelegt: ein Einschaltsignal des Mikrocontrollers 10 (ENA = 0) entspricht einem Low-Pegel am Eingang ENA; ein Ausschaltsignal (ENA = 1) entspricht einem High-Pegel am Eingang ENA. Die Versorgungsspannungsüberwachung 11 liefert am Ein- gang UE, ReSet ein Signal mit einem High-Pegel, solange die 440 Versorgungsspannung VCC in ausreichender Höhe vorhanden ist. Ein Low-Pegel am Eingang UE, Reset steht für eine Versorgungsspannung VCC, die unterhalb einem vorgegebenen Spannungsschwellwert liegt.
445 Das vom MikroController 10 kommende Signal ENA wird in einem ersten Invertierer 13 invertiert und einem UND-Gatter 14 zugeführt. Der zweite Eingang des UND-Gatters 14 ist mit dem Ausgang UE, Reset der Versorgungsspannungsüberwachung 11 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 14 weist solange einen
450 High-Level auf, solange beide Eingangssignale, d.h. das invertierte Eingangssignal ENA und das Signal der Versorgungs- spannungsüberwachung UE, Reset/ einen High-Pegel aufweisen.
Die Spannungspegel an den Ausgängen sind wie folgt den Pegeln 455 "Low" und "High" zugeordnet:
Low-Pegel entspricht: O V < U < 0,4 V High-Pegel entspricht: 3,7 V < U < 4,5 V (HCMOS-Baustein 74HC mit einer Versorgungsspannung von 460 VCC=4,5 V)
Das Ausgangssignal des UND-Gatters 14 wird dem Set-Eingang S eines D-Flip-Flops 15 zugeführt. Das Ausgangssignal des ersten Inverters 13 wird über einen Tiefpass, bestehend aus ei- 165 nem Widerstand R6 und einem Kondensator C2 und zwei weiteren Invertern 16 und 17 dem Clock-Eingang CLK des D-Flip-Flops 15 zugeführt. Der invertierte Ausgang Q ist auf den D-Eingang D des D-Flip-Flops 15 rückgekoppelt. Der Ausgang Q des D-Flip- Flops 15 ist hier mit der Steuerleitung USn verbunden. Liegt 170 nun aufgrund einer Unterspannung ein Low-Pegel am Eingang UE, Reset an und ist gleichzeitig eine Einschaltanforderung des Mikrocontrollers 10 gesetzt (Low-Pegel am Eingang ENA) so liegt am Set-Eingang S des D-Flip-Flops 15 ein Low-Pegel an. Dies hat zur Folge, dass am Ausgang Q des D-Flip-Flops 15 ein 475 High-Pegel anliegt und der erste Schalter Sl somit ausgeschaltet wird.
In dem Fall, dass der Mikrocontroller 10 einen Abschaltbefehl gibt (High-Pegel am Eingang ENA) , so wird der Schalter Sl e-
480 benfalls über dem Set-Eingang S ausgeschaltet. Ein High-Pegel am Eingang ENA hat einen Low-Pegel am Eingang des AND- Gatters 14 zur Folge. D.h. es liegt am Ausgang des AND- gatters unabhängig vom Signal UE, Reset ein Low-Pegel an. Dies hat einen High-Pegel am Ausgang Q des D-Flip-Flops 15 zur
485 Folge, wodurch der Schalter Sl ausgeschaltet bleibt. Das Einschalten des ersten Schalters Sl erfolgt bei einer negativen Flanke am Eingang ENA, d. h. bei einem Wechsel von einem High- zu einem Low-Pegel oder bei einer positiven Flanke am Clock-Eingang Clk des D-Flip-Flops. Durch das Tiefpass-
490 filter R6, C2 wird eine Zeitverzögerung des Signals erreicht, die durch geeignete Wahl des sechsten Widerstands R6 und des Kondensators C2 so eingestellt ist, dass der High-Pegel am Set-Eingang S des D-Flip-Flops 15 auf jeden Fall anliegt, bevor die positive Flanke des Signals am Clock-Eingang CLK des
495 D-Flip-Flops 15 eintrifft.
Zwischen dem Widerstand R6 und dem Clock-Eingang CLK des D- Flip-Flops 15 sind zwei Inverter 16, 17 als Schmitttrigger- Inverter geschaltet, durch den die Flankensteilheit am Clock- 500 Eingang CLK verbessert wird. Alternativ kann anstelle der beiden Inverter auch ein nichtinvertierender Schmitt-Trigger- Gatter angeordnet sein.
Im Fehlerfall, wenn der Masseanschluss am Steuergerät unter- 305 brochen ist und währenddessen am Ausgang des Mikrocontrollers 10 ein Einschaltsignal ENA (Low-Pegel) anliegt, so wird über den Set-Eingang S des D-Flip-Flops 15 der erste Schalter Sl wie bereits beschrieben abgeschaltet. Nach dem Abschalten des Verbrauchers 5 steigt jedoch - wie ebenfalls bereits be- >10 schrieben - die Versorgungsspannung VCC wieder an. Um nun zu verhindern, dass - nachdem die Versorgungsspannungsüberwa- chung 11 wieder durch einen High-Pegel anzeigt, dass eine ausreichende Versorgungsspannung VCC vorhanden ist und somit der Verbraucher 5 wieder eingeschaltet würde- ein Wiederein- schalten durch den Mikrocontroller erst möglich ist, wenn der Mikrocontroller 10 am Ausgang ENA ein Abschaltsignal (High- Pegel) und Anschluss daran ein Einschaltsignal (Low-Pegel) bereitstellt.

Claims

Patentansprüche 520 1. Schaltungsanordnung zum Steuern eines induktiven Verbrauchers, insbesondere Schutzschaltung zum sicheren Betrieb eines induktiven Verbrauchers, die aufweist:
525 - einen ersten und einen zweiten Eingang (1, 2), wobei der erste Eingang (1) mit einem ersten Potenzial (+) einer Versorgungsspannungsquelle (6) und der zweite Eingang (2) mit einem zweiten Potenzial (-) der Versorgungsspannungsquelle (6) verbunden ist,
530 - einen Ausgang (3) , an den der Verbraucher (5) angeschlossen ist, wobei der Verbraucher (5) einerseits mit dem Ausgang (3) und andererseits mit dem zweiten Potenzial (-) der Versorgungsspannungsquelle (6) verbunden ist,
535 - einen ersten durch ein erstes Steuersignal (USTl) steuerbaren Schalter (Sl) zum Ein- und Ausschalten des Verbrauchers (5) , der einerseits mit dem ersten Eingang (1) und andererseits mit dem Ausgang (3) verbunden ist, einen Freilaufkreis (FLK) , der einerseits mit dem zwei-
540 ten Eingang (2) und andererseits mit dem Ausgang (3) verbunden ist und einen zweiten Schalter (S2) aufweist, eine Überwachungseinheit (8, 11) , die ein Potenzial (UA) im Freilaufkreis (FLK) überwacht und den zweiten Schalter (S2) in Abhängigkeit von diesem Potenzial (UA) über
545 ein zweites Steuersignal (UST2) ein- und/ oder ausschaltet, dadurch gekennzeichnet , dass die Überwachungseinheit (8) ein Zeitverzögerungsglied (12) aufweist, das nach Unter- oder Überschreiten des vorbestimmten Spannungsschwellwerts (UA, Min) den zweiten
550 Schalter (S2) nach einer vorbestimmten Zeitdauer (Δt) ausschaltet, so dass nach der vorbestimmten Zeitdauer (Δt) die in dem Verbraucher (5) gespeicherte Energie ü- ber den Freilaufkreis abgebaut ist.
555 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (8) eine Verknüpfungseinheit (9) mit zwei Eingängen (ENA; UE, Reset) und einem Ausgang (USTl) aufweist, wobei das erste Steuersignal (USTl) vom Pegel und dem zeitlichen Verlauf der
560 Signale an den Eingängen (ENA; UE, Reset) abhängig ist.
3. Verfahren zum Steuern eines elektrischen Verbrauchers, dass die folgenden Schritte aufweist:
565 - Überprüfen eines Schaltzustands eines ersten Schalters (Sl), Vergleichen einer ersten Spannung (UA) mit einem vorbestimmten Spannungsschwellwert (UA, Min) r wobei abhängig von diesem Vergleich und dem Schaltzustand des ersten
570 Schalters (Sl) ein Fehlerfall festgestellt wird, Schalten eines zweiten Schalters (S2) in Abhängigkeit von diesem Vergleich und/ oder dem Schaltzustand des ersten Schalters (Sl), dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten des zweiten Schalters (S2) um eine vorbe-
575 stimmte Zeitdauer (Δt) verzögert wird, so dass nach der vorbestimmten Zeitdauer (Δt)die in dem Verbraucher (5) gespeicherte Energie über den Freilaufkreis abgebaut ist .
580 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Schalters (Sl) einem Fehlerfall durch ein Wiedereinschaltsignal eingeschaltet wird.
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