JP2005533478A - センサ保護回路 - Google Patents

Abstract

殊に自動車搭載電源網における少なくとも１つのセンサ（６）に対するセンサ保護回路であって、センサ（６）に給電するために少なくとも１つの給電線路（３, ４）を有しており、給電線路（３）を介して流れる電流を検出するために電流測定ユニット（８）を有しており、これによって過電圧によるセンサ（６）の障害が阻止され、電流測定ユニット（８）は電流制限部またはスイッチングエレメントと接続されており、電流が制限されるないしは給電線路（３）が分離される。

Description

本発明は、殊に自動車搭載電源網における少なくとも１つのセンサに対するセンサ保護回路であって、センサに給電するために少なくとも１つの給電線路を有している形式のものに関する。

最近の自動車には通常、自動車の状態または周辺の状態を検出するために多数のセンサが使用されている。この場合にセンサの電流供給は別個の給電線路を通じて行われる。この給電線路は、自動車搭載電源網から別個にされている。これによって通常は格段に高い自動車搭載電源網の負荷電流によってセンサ問合わせが妨害されないという利点が生じる。

自動車搭載電源網ではこれまで１２Ｖの定格電圧が通常であり、他方でセンサの電流供給はこれを下回る、例えば５Ｖの電圧で行われる。ここでセンサの給電線路と、自動車搭載電源網の電圧導線の間で短絡が生じると、このセンサには、１２Ｖのより高い搭載電源網電圧が印加されてしまう。これによってセンサに障害が生じる恐れがある。従って、センサに受動的な保護回路を設けることが知られている。この保護回路は、センサ用給電線路と自動車搭載電源網との間に短絡が生じた場合にもセンサに障害が生じるのを阻止する。従って、このセンサは１２Ｖの自動車搭載電源網電圧まで短絡耐性を有している。この種のセンサ保護回路は、例えばツェナーダイオードまたはコンデンサから成り得る。

しかし、電気的な自動車コンポーネントの出力要求が増大したことに伴って、４２Ｖの搭載電源網電圧を伴う自動車搭載電源網が開発された。しかし公知のセンサの耐短絡性は通常、４２Ｖの電圧に対する短絡に耐えるのには十分でない。従って４２Ｖの電圧を伴う近年の自動車搭載電源網内で使用されている場合、公知のセンサには短絡時に障害が生じるであろう。

この問題の可能な解決方法は、相応する大きな耐短絡性を有するセンサを新たに開発することである。しかしこれには甚大は開発コストがかかってしまう。

従って本発明の課題は、電圧１２Ｖまでの短絡耐性を有する公知のセンサを電圧４２Ｖを伴う近年の自動車搭載電源網において、短絡時にセンサに障害が生じる危険性なく、使用可能にすることである。

上述の課題は、給電線路を介して流れる電流を検出するために電流測定ユニットが設けられており、過電圧によるセンサの障害が阻止され、電流測定ユニットは、電流制限のために、電流制限部と接続されており、および／または給電線路の分離のためにスイッチングエレメントと接続されている、ことを特徴とするセンサ保護回路によって解決される。

本発明は一般的に次のような技術的な着想を含む。すなわち、センサ用給電線路の短絡時に給電線路上での電流上昇を検出し、これによって適切な対策を可能にするセンサ保護回路を使用するという技術的着想を含む。

欠陥時には、まずはセンサの過電圧保護が作用する。迅速な欠陥識別および場合によっては迅速な対策導入によって、搭載電源網の定格電圧を下回る耐短絡性を有するセンサが使用可能になる。

これによって有利には、１２Ｖの耐短絡性を有する従来のセンサが、４２Ｖの定格電圧を有する今後の自動車搭載電源網において使用可能になる。しかもコストのかかるセンサの新たな開発は必要ない。

最も簡単な場合には、短絡時用の対策は次のようなものである。すなわちセンサ用給電線路がスイッチングエレメントによって切り離されるというものである。これによってさらなる電流上昇が阻止される。センサ用給電線路の分離は選択的に、アース線路または電圧線路に対する単極で行われるか、またはアース線路および電圧線路に対する双極で行われる。ここで有利には、給電線路と直列接続されているスイッチングエレメントが使用される。

本発明の別の形態では、センサ用給電線路を別個にするためのスイッチングエレメントが、給電線路上での電流に依存しないで外部から駆動制御されることも可能である。このためにはセンサ保護回路は有利には別個の制御入力側を有している。このような別個のスイッチオフは所定の時間にわたって短絡が持続する場合に、例えばソフトウェア制御されて実行されてもよい。

しかし有利にはセンサ用給電線路の短絡時の対策として、給電線路は完全に分離されず、センサに障害が生じるのを回避するために、センサ用給電線路上の電流制限が行われる。

センサ用給電線路上の電流測定は有利にはアース線路上で行われる。しかし基本的にはセンサの電圧線路上の電流を測定することも可能である。

さらに本発明によるセンサ保護回路は有利には、受動的な保護接続部を有しており、これによって短絡時にセンサの障害が阻止される。

この種の保護接続部は例えばコンデンサまたはツェナーダイオードから成る。ここでこのような構成エレメントは、２つのセンサ用給電線路間に接続可能である。

しかし受動的な保護接続部の構成エレメントが、センサのアース線路および／または電圧線路をそれぞれアースと接続させることも可能である。

ツェナーダイオードを受動的な保護接続部として使用する場合、本発明によるセンサ保護回路内のツェナーダイオードが、センサ内に通常は保護接続部として設けられているツェナーダイオードよりも低いブレークダウン電圧を有しているのは有利である。短絡電流は短い振動フェーズの後で、続いて、センサ保護回路内のツェナーダイオードを介して流れ、もはやセンサ内のツェナーダイオードを介して流れないので、センサ内のツェナーダイオードは短絡電流を非常に短い時間間隔の間のみ担えばよいので、これは有利である。

本発明の枠内で使用されている概念「センサ」は、一般的に電気的供給が行われ、測定量を供給する全ての構成エレメントであると理解されたい。ここでは単に例としてλセンサおよび温度センサおよび圧力センサおよび傾度センサおよび加速度センサが挙げられる。

また本発明は、４２Ｖの定格電圧を伴う今後の自動車搭載電源網内での使用に制限されるものではない。むしろ、相応の規格化によって他の定格電圧を伴う搭載電源網が開発され、このような搭載電源網内で本発明によるセンサ保護回路を同じように使用することも可能である。

本発明の別の有利な発展形態は従属請求項に記載されているか、または後続の、図面に基づく本発明の有利な実施例の説明と共に記載されている。

図１には、センサを有する本発明のセンサ保護回路が回路図の形で示されており、
図２には、図１に示されたセンサ保護回路の電流制限回路が示されている。

図１に示された回路図は、定格電圧４２Ｖを伴う自動車搭載電源網において使用されている本発明によるセンサ保護回路１を示している。これによって従来のセンサユニット２は１２Ｖの短絡耐性をもって駆動され、センサユニット２は、短絡時に障害を被るまたは完全に破壊されることはない。

分かり易くするために図１には、センサユニット２だけしか示されていない。しかしセンサ保護回路１では、破線によって示されているように複数のセンサユニットも駆動される。

センサ保護回路１は、センサユニット２の給電のためにアース線路３および電圧線路４を有する。ここで電圧線路４は入力側で電圧調整器５と接続されている。この電圧調整器はセンサユニット２の動作電圧に電圧線路４の電圧を調整する。この動作電圧はこの実施例で５Ｖである。アース線路３は、これに対して入力側でアース接続されている。ここでセンサ保護回路１の入力側で電圧線路４とアース線路３の間に緩衝コンデンサＣ１が配置されている。

センサユニット２は、元来のセンサ６から成る。このセンサは物理的な状態量、例えば温度または圧力または空気比λを測定し、信号線路７を介して相応の測定信号を出力する。

さらにセンサユニット２は受動的な保護接続部を有しており、短絡の場合にセンサ６に障害が生じるのが阻止される。ここで、センサユニット２の受動的な保護接続部は、これまで通常である１２Ｖの搭載電源網電圧用に設計されている。

センサユニット２の受動的な保護接続部は一方では、Ｕ_Ｚ１＝１６Ｖのブレークダウン電圧を有するツェナーダイオードＤ１から成る。ここでこのツェナーダイオードＤ１は、過電圧時にセンサ６の出力側の過負荷を阻止する。従ってツェナーダイオードＤ１は、信号線路７とアース線路３の間に接続されている。

さらに、センサユニット２の受動的な保護接続部は、Ｕ_Ｚ２＝１６Ｖのブレークダウン電圧を有する別のツェナーダイオードＤ２を有している。このツェナーダイオードＤ２は、過電圧時にセンサ６の入力側の過負荷を阻止する。従ってツェナーダイオードＤ２は、電圧線路４とアース線路３の間に接続されている。

センサユニット２の受動的な保護接続部は、これまで通常であった１２Ｖの搭載電源網電圧に対する短絡耐性のみを提供する。これに対して４２Ｖの電圧を伴う近年の自動車搭載電源網における使用時にはセンサユニット２の受動的な保護接続部に過度な要求がなされる。

従ってセンサ保護回路１は電流制限部８を有する。この電流制限部はセンサユニット２に対するアース線路３内に配置されており、アース線路３を介して電流を測定する。電流制限部８は図２に詳細に示されており、以下に説明される。

電流を測定するために電流制限部８は、アース線路３内に配置されている測定抵抗Ｒ１を有している。従って測定電圧Ｒ１を介した電圧降下は、アース線路３を通じて流れる電流をあらわす。

さらにアース線路３内にはＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１が配置されている。このＭＯＳ電界効果トランジスタは自身の駆動制御に依存して、短絡時に電流制限を行うこともアース線路３の完全な切り離しを行うこともできる。

ＭＯＳ電界効果トランジスタのゲート端子には抵抗Ｒ２を介して供給電圧Ｕ_Ｖ＝＋５Ｖが加えられる。従ってＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１は、通常作動中は導通接続される。

さらにＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１のゲート端子はコンパレータ回路の出力側と接続されている。このコンパレータ回路は２つの抵抗Ｒ３, Ｒ４および２つのトランジスタＴ２およびＴ３から成る。コンパレータ回路は入力側で測定抵抗Ｒ１と接続されており、従ってアース線路３を介して流れる電流を検出する。コンパレータ回路は、ＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１のゲート端子を、アース線路３を介して流れる電流に依存して駆動制御し、電流が制限されて、短絡時のセンサ６の障害が阻止される。

電流制限部８はさらにトランジスタ４を有している。このトランジスタは、ＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１のゲート端子をアース接続させる。従ってこのＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１は、トランジスタＴ４が導通接続されているときにアース線路３を分離させる。なぜならＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１のゲート端子のポテンシャルは、アースの方に引っ張られるからである。トランジスタＴ４の駆動制御は、別個の制御入力側９と、間に接続されている２つの抵抗Ｒ５, Ｒ６を介してソフトウェア制御によって行われる。これは、短絡ケースが所定の時間にわたって持続するときに、ＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１を切り離す。

さらにセンサ保護回路１はセンサ６を保護するために受動的な保護接続部も有する。これは２つのツェナーダイオードＤ３, Ｄ４および３つのコンデンサＣ２, Ｃ３およびＣ４から成る。

ここでツェナーダイオードＤ３は、信号線路７とアース線路３の間に接続されており、４２Ｖの搭載電源網電圧と信号線路７の間の短絡時に、センサ６の出力側での過負荷を阻止する。ツェナーダイオードＤ３のブレークダウン電圧はこの場合に、Ｕ_Ｚ３＝８Ｖであり、従ってツェナーダイオードＤ１のツェナー電圧Ｕ_Ｚ１＝１６Ｖよりも低くなる。これは有利である。なぜなら可能な短絡電流は、短い振動時間の間のみツェナーダイオードＤ１を介して流れ、引き続き、ツェナーダイオードＤ３によって引き受けられるからである。このようにしてツェナーダイオードＤ１は可能な短絡電流を比較的短い時間の間のみ担う。これによってセンサユニット２の受動的な保護接続部の過負荷が阻止される。

これに対してツェナーダイオードＤ４は、電圧線路４とアース線路３の間に接続されており、４２Ｖの搭載電源網電圧と、電圧線路４の間の短絡時にセンサ６の入力側での過負荷を阻止する。ツェナーダイオードＤ４のブレークダウン電圧はここでは同じようにＵ_Ｚ４＝８Ｖになり、従ってツェナーダイオードＤ２のツェナー電圧Ｕ_Ｚ２＝１６Ｖよりも低くなる。これは有利である。なぜなら可能な短絡電流は、短い振動時間の間のみツェナーダイオードＤ２を介して流れ、引き続き、ツェナーダイオードＤ４によって引き受けられるからである。このようにしてツェナーダイオードＤ２は可能な短絡電流を比較的短い時間の間のみ担う。これによってセンサユニット２の受動的な保護接続部の過負荷が阻止される。

コンデンサＣ２は信号線路７とアースの間に接続されており、従って、信号線路７上のＥＭＶ電圧ピークを緩衝する。これは同じようにセンサ６の出力側での過負荷に対抗するように作用する。

コンデンサＣ３はこれに対して電圧線路４をアース線路３と接続し、従ってセンサユニット２の入力側での電圧変動を緩衝し、電流を受け入れる。

引き続き、コンデンサＣ４はアース線路３をアース接続させる。これによってアース線路３上のアースポテンシャルのＥＭＶ変動が抑圧される。

すなわちセンサ保護回路１の受動的な保護接続部は、短絡時に短い振動時間の後、センサユニット２の受動的な保護接続部から短絡電流を受け入れる。これによって、センサユニット２の受動的な保護接続部の過負荷が阻止される。

電流制限部８はその後、アース線路８上の短絡電流を制限し、センサ保護回路１の受動的な保護接続部の過負荷が阻止される。短絡が持続する場合にはその後、電流制限部８の制御入力側９が駆動制御される。これに続いてＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１は、アース線路３を完全に切り離す。

本発明は、上述した有利な実施例に制限されるものではない。むしろ、同じように本発明の着想を用い、保護領域内に含まれる多くのバリエーションおよび変更が可能である。

センサを有する本発明のセンサ保護回路に対する回路図である。

図１に示されたセンサ保護回路の電流制限回路が示す図である。

Claims (8)

1. 殊に自動車搭載電源網における少なくとも１つのセンサ（６）に対するセンサ保護回路であって、
   センサ（６）に給電するために少なくとも１つの給電線路（３, ４）を有している形式のものにおいて、
   給電線路（３）を介して流れる電流を検出するために電流測定ユニット（Ｒ１, Ｒ３, Ｔ２, Ｔ３, Ｒ４）が設けられており、過電圧によるセンサ（６）の障害が阻止され、
   前記電流測定ユニット（Ｒ１, Ｒ３, Ｔ２, Ｔ３, Ｔ４）は、電流制限のために、電流制限部（Ｔ１）と接続されており、および／または給電線路（３）の分離のためにスイッチングエレメント（Ｔ１）と接続されている、
   ことを特徴とするセンサ保護回路。
2. 前記電流測定ユニット（Ｒ１, Ｒ３, Ｔ２, Ｔ３, Ｒ４）によって監視される給電線路（３）は、センサ（６）に対するアース線路である、請求項１記載のセンサ保護回路。
3. 前記スイッチングエレメント（Ｔ１）は給電線路（３）を分離させるために制御入力側（９）と接続されている、請求項１および／または請求項２記載のセンサ保護回路。
4. センサ（６）からセンサ信号を受け入れる信号線路（７）が設けられている、請求項１から３までの少なくとも１項記載のセンサ保護回路。
5. センサ（６）に電流を供給するために、電圧線路（４）およびアース線路（３）が設けられている、請求項１から４までの少なくとも１項記載のセンサ保護回路。
6. 前記電圧線路（４）および／またはアース線路（３）および／または信号線路（７）は、過電圧を阻止するために少なくとも１つのツェナーダイオード（Ｄ３, Ｄ４）および／または少なくとも１つのコンデンサ（Ｃ２, Ｃ３, Ｃ４）と接続されている、請求項１から５までの少なくとも１項記載のセンサ保護回路。
7. 前記ツェナーダイオード（Ｄ３, Ｄ４）および／またはコンデンサ（Ｃ２, Ｃ３, Ｃ４）は、一方での電圧線路（４）および／または信号線路（７）と、他方でのアース線路（３）の間に接続されている、請求項６記載のセンサ保護回路。
8. 前記センサ（６）は短絡保護として少なくとも１つのツェナーダイオード（Ｄ１, Ｄ２）を有しており、
   前記センサ保護回路（１）のツェナーダイオード（Ｄ３, Ｄ４）は、センサ（６）のツェナーダイオード（Ｄ１, Ｄ２）よりも低いブレークダウン電圧を有している、請求項６および／または請求項７記載のセンサ保護回路。

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