ITTO990969A1 - Circuito per il rilevamento dello stato di interruttori elettrici. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Circuito per il rilevamento dello stato di interruttori elettrici"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale un circuito per il rilevamento dello stato di interruttori elettrici.

Più specificamente, l'invenzione riguarda un circuito del tipo richiamato nel preambolo della rivendicazione 1, per la lettura dello stato (aperto/chiuso) di interruttori elettrici, in particolare per applicazioni automobilistiche, nonché per la diagnosi di una possibile condizione di deterioramento dei contatti di tali interruttori.

A bordo di un autoveicolo sono presenti molti interruttori elettrici impiegati per gestire funzioni di carrozzeria, quali ad esempio l'apertura e la chiusura delle porte (attraverso comandi alle maniglie ed alle serrature) dall'interno ovvero dall'esterno del veicolo, ed in numerosi altri circuiti di controllo (ad esempio pulsantiere) per i quali il funzionamento può essere richiesto in qualsiasi momento, indipendentemente dalla condizione di funzionamento del veicolo (ad esempio anche quando il veicolo è a riposo).

Alle unità elettroniche di controllo predisposte per gestire le informazioni legate allo stato istantaneo che tali interruttori assumono, ed intraprendere azioni prestabilite conseguenti ad una sua modifica, è pertanto richiesto un monitoraggio continuo di tale stato.

L'informazione circa lo stato istantaneo di un interruttore viene generalmente acquisita provvedendo una rete di alimentazione dell'interruttore (che può essere, ad esempio, un semplice partitore resistivo) , rilevando la tensione che si stabilisce ai capi dell'interruttore e confrontandone il valore con uno o più valori di soglia.

E' ben noto che un interruttore elettrico presenta una resistenza equivalente assai elevata (teoricamente infinita) in uno stato di apertura, ed una resistenza equivalente pressoché nulla in uno stato di chiusura.

Gli interruttori montati a bordo degli autoveicoli sono in generale esposti ad umidità, sporcizia, ed altri agenti atmosferici, con la conseguenza di subire un deterioramento dei propri contatti e, in alcuni casi, di esibire una generale condizione di malfunzionamento. Ad esempio, un interruttore elettrico che presenterebbe, in uno stato di apertura, una resistenza equivalente dell'ordine di 100 kΩ o superiore può invece presentare una resistenza equivalente molto ridotta (dell'ordine di pochi kΩ) poiché si stabilisce un percorso di corrente indesiderato tra i contatti. Si presenta pertanto il rischio di confondere uno stato di apertura con uno stato di chiusura ed interpretare la presenza di comandi che in realtà non sono mai stati dati.

Per ovviare ad inconvenienti del genere è tipicamente richiesta l'applicazione ai contatti dell'interruttore di una corrente di elevata intensità (cosiddetta corrente di pulizia) , la quale permette di riconoscere correttamente uno stato di apertura o di chiusura dell’interruttore anche in condizioni di eccessivo deterioramento dei suoi contatti.

Attualmente, nelle applicazioni automobilistiche è adottata una soluzione in cui ogni interruttore è costantemente alimentato da una corrente di pulizia di intensità non trascurabile, ed il valore della tensione che si stabilisce ai suoi capi è trasferito in ingresso ad una unità di elaborazione e controllo dove viene convertito in segnale digitale e memorizzato.

Tuttavia, tale soluzione non permette di diagnosticare in modo quantitativo una condizione di deterioramento dei contatti dell'interruttore, ossia non consente di riconoscere se un determinato valore di tensione ai suoi capi origina da un corrispondente reale stato operativo oppure da una condizione di eccessivo deterioramento.

Inoltre, tale soluzione appare costosa poiché richiede l'impiego di unità di elaborazione e controllo complesse, dotate di uno o più convertitori A/D.

In tutti questi casi sarebbe invece preferibile che, in assenza di eventi, l'unità di controllo operasse in uno stato di funzionamento a ridotto consumo di corrente, ad esempio per non scaricare la batteria del veicolo, e tuttavia consentisse di riconoscere correttamente lo stato operativo di un interruttore e/o una sua possibile condizione di malfunzionamento.

La presente invenzione si prefigge quindi lo scopo di fornire una soluzione soddisfacente ai problemi in precedenza esposti, evitando gli inconvenienti della tecnica nota. Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un circuito avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

In sintesi, la presente invenzione si fonda sul principio di alimentare gli interruttori in modo continuativo con una corrente di controllo di intensità ridotta, così da soddisfare i requisiti di basso consumo, e selettivamente con una corrente di diagnosi di intensità maggiore in funzione del rilevamento di una presunta modifica dello stato di un interruttore, al fine di verificare l'effettiva occorrenza dell'evento o smascherare una condizione di deterioramento dell'interruttore.

L'alimentazione della corrente di controllo permette di sorvegliare in modo continuativo lo stato di un interruttore e di riconoscere qualitativamente i casi in cui tale interruttore presenta una resistenza equivalente ridotta o pressoché nulla (e quindi una tensione ai propri capi inferiore ad un primo valore di soglia predeterminato), ovvero assai elevata (e quindi una tensione ai propri capi superiore ad un secondo valore di soglia predeterminato) .

Poiché, come si è detto in precedenza, una resistenza equivalente ridotta o pressoché nulla può essere dovuta allo stato di chiusura dell'interruttore, ma anche ad una sua condizione di deterioramento presente in uno stato di apertura, quando l'unità di controllo riconosce il verificarsi di tale circostanza, essa si predispone per alimentare la corrente di diagnosi ed effettuare una ulteriore lettura dello stato dell'interruttore.

La rete di alimentazione degli interruttori include, per ognuno di essi, una coppia di rami circuitali, ciascuno alimentato attraverso una corrispondente tensione di alimentazione, i quali, nella forma di attuazione attualmente preferita, costituiscono con gli interruttori dei partitori resistivi.

Le tensioni di alimentazione e le componenti resistive di tali rami sono convenientemente scelte in modo tale che, per un valore di resistenza equivalente tipico di una condizione di deterioramento dell'interruttore per cui tale condizione viene interpretata come stato di chiusura dell 'interruttore quando questo è alimentato attraverso la sola corrente di controllo, l'alimentazione attraverso la corrente di diagnosi permetta tuttavia di rilevare correttamente lo stato di apertura dell'interruttore, dando pertanto origine a due letture discordi.

Le tensioni di alimentazione e le componenti resistive della rete di alimentazione sono inoltre convenientemente scelte in modo tale che lo stato di chiusura di un interruttore e lo stato di apertura in una condizione non deteriorata vengano interpretati concordemente in entrambi i casi di alimentazione.

L'unità di controllo è quindi predisposta per avvertire l'utente del veicolo della comparsa di una condizione di malfunzionamento nel caso di letture discordi e per intraprendere ciclicamente un procedimento di controllo al fine di accertarsi del ripristino di una condizione di corretto funzionamento.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di realizzazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali :

la figura 1 mostra uno schema elettrico di un circuito secondo l'invenzione;

la figura 2 mostra il circuito equivalente di un interruttore;

la figura 3a è una tabella in cui sono indicati qualitativamente i livelli logici dei segnali indicativi dello stato di un interruttore quando questo è alimentato da una corrente di controllo; e

la figura 3b è una tabella in cui sono indicati qualitativamente i livelli logici dei segnali indicativi dello stato di un interruttore quando questo è alimentato da una corrente di diagnosi.

Gli interruttori elettrici sono indicati con SW1 (i=l, 2, ..., n), e nella figura 1 sono raffigurati in particolare due di essi, rispettivamente SW1 e SW2 Un primo terminale è collegato ad un rispettivo nodo N1 (i=l, 2, ..., n) di una rete di alimentazione, ed un secondo terminale a massa.

Gli interruttori sono inoltre accoppiati ad una unità di controllo a microprocessore P attraverso rispettive linee di collegamento, ad esempio le linee 10, 20 per gli interruttori SW1 e SW2, collegate ad una estremità al nodo corrispondente, ed all'altra estremità ad un ingresso di attivazione IRQi e ad un ingresso di lettura RD1 dell'unità di controllo P.

La rete di alimentazione include primi e secondi rami circuitali accoppiati a ciascun interruttore attraverso il relativo nodo N1 ed alimentati rispettivamente attraverso corrispondenti terminali VS1 e VS2.

Nel seguito verrà descritta la struttura di tali rami circuitali con riferimento al solo interruttore SW1, intendendosi che tale struttura si ripete per ogni altro interruttore eventualmente presente.

Un primo ramo circuitale di alimentazione B1, al cui terminale di alimentazione VS2 è applicata una prima tensione di alimentazione Vcc, comprende un resistere R1 interposto tra il terminale di alimentazione ed il nodo

Un secondo ramo circuitale di alimentazione B2, al cui terminale di alimentazione VS2 è selettivamente applicata una seconda tensione di alimentazione VB, comprende un resistore R2 ed un diodo D in serie ad esso, il cui catodo è accoppiato al nodo N1. Il terminale di alimentazione VS2 è collegato ad una batteria B (ad esempio la batteria del veicolo a 12V, nel caso di applicazioni automobilistiche) attraverso il percorso emettitore-collettore di un commutatore Q. Il commutatore Q è unico e comune a tutti i secondi rami circuitali B2, e realizzato mediante un transistore bipolare, il cui terminale di base è accoppiato ad una uscita EN dell'unità di controllo P.

La presenza del diodo è giustificata dalla necessità di impedire l'instaurarsi di percorsi di corrente indesiderati tra rami circuitali di diversi interruttori. Con riferimento alla figura 1, ad esempio, l'inserimento dei diodi D nei rami B2 impedisce che, alla chiusura dell'interruttore SW1, la corrente di controllo fornita all'interruttore SW2 fluisca dal rispettivo ramo B1, attraverso il rispettivo ramo B2 ed il ramo B2 relativo a SWl, verso l'interruttore SWl, confondendo la lettura della tensione al nodo N2.

Per meglio comprendere il funzionamento del circuito oggetto dell'invenzione è richiamato di seguito, con riferimento alla figura 2, il circuito equivalente di un interruttore elettrico SWL.

Un interruttore elettrico approssima il comportamento di un interruttore ideale SWid {cortocircuito in uno stato di chiusura, circuito aperto in uno stato di apertura) a meno di una componente resistiva in serie, indicata Re, che interviene in uno stato di chiusura ed è dell'ordine di poche decine di ohm (il valore tipicamente riconosciuto per un interruttore o deviatore per applicazioni in campo automobilistico è di 25Ω) , e di una componente resistiva in parallelo, indicata Rp, che tiene conto di un eventuale percorso parassita di corrente tra i contatti dell'interruttore dovuto a condizioni di usura e sporcizia.

In un interruttore elettrico in buone condizioni, i cui contatti non siano sporchi od usurati, la componente resistiva Rp in parallelo è dell'ordine delle centinaia di kΩ; in un interruttore deteriorato il valore tipicamente riconosciuto per la componente resistiva Rp è di 2kH.

Pertanto, in uno stato di chiusura dell'interruttore la resistenza equivalente esibita è data dal parallelo tra le componenti Re e Rp, ossia è ancora approssimabile al valore della componente resistiva Re in serie. In uno stato di apertura diventa significativa la sola componente resistiva Rp, il cui valore può variare di alcuni ordini di grandezza in funzione della condizione di deterioramento dei contatti .

A titolo di riferimento, in funzione dei valori delle componenti resistive considerate nel modello di interruttore reale cui si è fatto riferimento sopra, la tensione di alimentazione VQ. applicata al terminale del primo ramo circuitale è preferibilmente di 5V (e coincide con la tensione di alimentazione dell'unità di controllo P) , mentre la tensione di alimentazione VB applicata selettivamente al terminale VS2 del secondo ramo circuitale è direttamente derivata dalla batteria B (ed è pertanto di circa 12V). I valori dei resistori R1 e R2 sono preferibilmente uguali a 47 kΩ e 1 kΩ rispettivamente .

Nella forma di attuazione al momento preferita, il segnale indicativo dello stato di un interruttore è acquisito rilevando la tensione che si stabilisce ai suoi capi.

Quando l'unità di controllo P è in attesa di un evento, il commutatore Q è in interdizione ed ogni interruttore SW1 è alimentato esclusivamente attraverso il relativo primo ramo circuitale Β1 con una corrente di controllo. L'unità di controllo P è pertanto in grado di sorvegliare in modo continuativo lo stato di ciascun interruttore (normalmente aperto) , operando in uno stato di funzionamento a ridotto consumo di corrente {dell'ordine dei centesimi di mA) .

La tensione prelevata al nodo NA è determinata dal partitore resistivo costituito dal resistore e dalla resistenza equivalente dell'interruttore.

La resistenza equivalente di un interruttore chiuso assume un valore sostanzialmente uguale ad Ra, (pressoché nullo) e la tensione al nodo Ni corrispondente assume un valore prossimo al potenziale di massa, e comunque compreso in un primo intervallo di valori ovvero inferiore ad un predeterminato primo valore di soglia. L'unità di controllo P riceve tale valore di tensione al corrispondente ingresso IRQ1 e lo interpreta come segnale binario di livello logico basso. Per l'interruttore scorre una corrente di controllo dell'ordine del decimo di mA.

Per un interruttore aperto in buone condizioni la resistenza equivalente R1, risulta dell'ordine delle centinaia di kΩ o più, e la tensione di alimentazione V∞ si ripartisce stabilendosi prevalentemente ai capi dell'interruttore.

La tensione al nodo Ni corrispondente assume un valore compreso in un secondo intervallo di valori ovvero superiore ad un predeterminato secondo valore di soglia. L'unità di controllo P riceve tale valore di tensione al corrispondente ingresso IRQi e lo interpreta come segnale binario di livello logico alto.

Lo stabilirsi di un segnale di livello logico basso ad un ingresso IRQi dell'unità di controllo P provoca l'attivazione della medesima e la lettura del segnale attraverso un rispettivo ingresso di lettura RDi.

Una circostanza del genere si verifica anche quando un interruttore subisce un eccessivo deterioramento dei contatti, e la propria resistenza equivalente nello stato di apertura Rp assume un valore ridotto (dell'ordine di 50 kD) assai inferiore ad R1. La tensione di alimentazione V∞ si ripartisce stabilendosi prevalentemente ai capi di R1f e la tensione al nodo N1, benché non prossima al potenziale di massa, assume comunque un valore compreso nel primo intervallo di valori ovvero inferiore al primo valore di soglia, ancora interpretato come segnale binario di livello logico basso.

Ogniqualvolta l'unità di controllo viene attivata, essa si predispone per effettuare una ulteriore lettura dello stato dell'interruttore al fine di distinguere quale evento si sia realmente verificato.

Essa invia al commutatore Q un segnale di consenso attraverso l'uscita EN per portare il commutatore in conduzione ed alimentare gli interruttori attraverso i rispettivi secondi rami circuitali Ba con una corrente di diagnosi di intensità superiore a quella della corrente di controllo.

La tensione prelevata al nodo N1 è ora sostanzialmente determinata dal partitore resistivo costituito dal percorso emettitore-collettore del commutatore Q, dal resistore 3⁄4 , dal diodo D polarizzato direttamente e dalla resistenza equivalente dell'interruttore. Per l'interruttore scorre una corrente di diagnosi dell'ordine di alcuni mA.

Per un interruttore aperto, ma eccessivamente deteriorato, la resistenza equivalente Rp risulta dell'ordine del kΩ, ma ancora confrontabile con 3⁄4 così che la tensione di alimentazione VB si ripartisce stabilendosi prevalentemente ai capi dell'interruttore, e la tensione al nodo N1 corrispondente assume ancora un valore compreso nel primo intervallo di valori ovvero superiore al primo valore di soglia, e l'unità di controllo interpreta correttamente tale valore come segnale binario di livello logico alto.

In tal caso, le letture dello stato dell’interruttore, avvenute in due momenti distinti a seguito dell'alimentazione della corrente di controllo e della corrente di diagnosi, danno risultati discordi, e l'unità di controllo P riconosce la condizione di malfunzionamento dell'interruttore.

Nel caso in cui l'interruttore sia realmente chiuso, le letture risultano concordi, e l'unità di controllo riconosce correttamente lo stato di chiusura dell'interruttore ed intraprende le azioni prestabilite conseguenti a tale evento.

Le combinazioni possibili dei livelli logici dei segnali agli ingressi IRQi in funzione dello stato e della condizione degli interruttori sono indicate, in sintesi, alle figure 3a e 3b.

Se l'unità di controllo ha rilevato una generale condizione di malfunzionamento di un interruttore, essa avvisa 1'utilizzatore del veicolo di tale condizione e si predispone per gestire ciclicamente una procedura di controllo al fine di accertarsi del ripristino di una condizione di corretto funzionamento .

Essa provvede, in un primo momento, ad escludere l'alimentazione della corrente di diagnosi predisponendo la rete di alimentazione degli interruttori per operare con la sola corrente di controllo (commutatore Q in interdizione) . Ciclicamente, dopo un intervallo di attesa di durata predeterminata, esegue in due momenti successivi la lettura dello stato degli interruttori, rispettivamente fornendovi l’alimentazione attraverso la corrente di controllo ed attraverso la corrente di diagnosi.

Se le letture sono discordi viene riconosciuto il permanere della condizione di malfunzionamento e l'unità si predispone ad una ulteriore diagnosi, trascorso un successivo intervallo di attesa.

Se vengono finalmente rilevate letture concordi, ad esempio perché i contatti dell'interruttore deteriorato sono stati ripuliti o l'interruttore usurato è stato sostituito, l'unità riprende vantaggiosamente il funzionamento in condizione operativa normale predisponendosi in attesa di un evento (alimentazione con ridotto consumo di corrente).

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione .

Ciò vale in particolare per quanto riguarda la possibilità di impiegare un microprocessore in cui gli ingressi di attivazione IRQi e quelli di lettura RDi coincidano, oppure la possibilità di variare i valori di tensione di alimentazione e delle resistenze dei rami circuitali indicati nella discussione che precede.

Più in generale, l'invenzione non è inoltre limitata al solo caso preferito descritto diffusamente nell'esempio, in cui il segnale indicativo dello stato di un interruttore viene acquisito rilevando la tensione ai capi dell'interruttore medesimo, ma sono contemplate anche ulteriori forme di attuazione in cui tale segnale viene acquisito in altri punti dei rami circuitali di alimentazione degli interruttori .

Ulteriori forme di realizzazione che presentino soluzioni alternative a quelle descritte per la generazione della corrente di controllo e della corrente di diagnosi nei rami circuitali associati agli interruttori sono inoltre ricomprese nell'ambito di protezione della presente invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito per il rilevamento dello stato di interruttori elettrici, ad esempio interruttori (SWJ a bordo di un autoveicolo, comprendente: - una rete di alimentazione (Bl, B2 degli interruttori (SWJ atta a originare segnali indicativi dello stato operativo di ciascun interruttore (SWJ ; ed - una unità di controllo (P) associata agli interruttori (SWJ , atta a ricevere a rispettivi ingressi (RDJ i segnali indicativi dello stato di ciascun interruttore (SWJ e predisposta per intraprendere corrispondenti azioni prestabilite in funzione di detti segnali, caratterizzato dal fatto che la rete di alimentazione comprende, associato ad ogni interruttore (SWJ : - un rispettivo primo ramo circuitale (B1 predisposto per fornire una corrente di controllo in modo continuativo, per effetto della quale si origina un primo segnale indicativo dello stato dell'interruttore (SWJ ; ed - un rispettivo secondo ramo circuitale (B2 predisposto per fornire, in funzione di un segnale di consenso, una corrente di diagnosi di intensità maggiore rispetto alla corrente di controllo, per effetto della quale si origina un secondo segnale indicativo dello stato dell'interruttore (SWi , e dal fatto che l'unità di controllo (P) è atta a interpretare detti primo e secondo segnale secondo una logica binaria, ed è predisposta per: generare detto segnale di consenso ogniqualvolta riceve ad almeno un ingresso (RDi un primo segnale indicativo di un presunto stato di chiusura di un interruttore (SWi ; rilevare almeno un secondo segnale indicativo dello stato di un corrispondente interruttore (SWi quando detto interruttore (SWi) è alimentato dalla corrente di diagnosi; confrontare tra loro i valori del primo e del secondo segnale ed interpretare lo stato dell’interruttore (SWi come stato di chiusura quando detti valori sono concordi, e come stato di apertura in una condizione di malfunzionamento quando detti valori sono discordi .
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che una prima tensione di alimentazione (Vcc) è applicata a ciascun primo ramo (B1), ed una seconda tensione di alimentazione (VB) è selettivamente applicata a ciascun secondo ramo (B2), e dal fatto che detti rami (Bl, B2) presentano una caratteristica sostanzialmente resistiva.
3. 3. Circuito secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ciascun primo (Bj e secondo (B2) ramo ed il corrispondente interruttore (SWi determinano rispettivamente una partizione della prima e della seconda tensione di alimentazione (Vcc;' VB) tale per cui in uno stato di apertura dell'interruttore (SWi ed in una condizione di malfunzionamento , il primo segnale indicativo dello stato operativo di detto interruttore (SWi presenta una tensione che assume un valore compreso in.un primo intervallo di valori corrispondente ad un primo livello logico; ed il secondo segnale presenta una tensione che assume un valore compreso in un secondo intervallo di valori corrispondente ad un secondo livello logico.
4. 4. Circuito secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il primo ed il secondo segnale indicativi dello stato di un interruttore sono acquisiti ai capi dell'interruttore (SWi .
5. 5. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la rete di alimentazione (B1, B2) comprende mezzi commutatori (Q) associati a detti secondi rami (B2), suscettibili di essere pilotati attraverso detto segnale di consenso per applicare selettivamente a detti rami (B2) la seconda tensione di alimentazione (VB).
6. 6. Circuito secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti mezzi commutatori (Q) comprendono un transistore bipolare.
7. 7. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun secondo ramo (B2) comprende un elemento a conduzione unidirezionale (D).
8. 8. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'unità di controllo (P) presenta, in corrispondenza di ciascun interruttore (SWi , un ingresso di attivazione (IRQi) ed un ingresso di lettura (RDi) per l'acquisizione dei segnali indicativi dello stato dell'interruttore (SWi .
9. 9. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'unità di controllo (P) è predisposta per segnalare ad un utilizzatore una eventuale condizione di malfunzionamento di un interruttore.
10. 10. Circuito secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'unità di controllo (P) è predisposta per intraprendere una procedura ciclica di controllo in seguito al rilevamento di una condizione di malfunzionamento, detta procedura comprendendo i passi di : controllare il trascorrere di un predeterminato intervallo di attesa in una condizione operativa in cui gli interruttori (SWi sono alimentati dalla corrente di controllo; rilevare un primo segnale indicativo dello stato dell'interruttore (SWi quando detto intervallo è trascorso; generare detto segnale di consenso per alimentare gli interruttori (SWi con la corrente di diagnosi; rilevare un secondo segnale indicativo dello stato dell'interruttore (SWi ; e confrontare tra loro i valori del primo e del secondo segnale, l'unità di controllo riconoscendo il permanere della condizione di malfunzionamento quando i valori del primo e del secondo segnale sono discordi, ed una ripristinata condizione di corretto funzionamento quando detti valori sono concordi. Il tutto sostanzialmente secondo quanto descritto ed illustrato, e per gli scopi specificati.