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Dokumentenidentifikation DE10211099A1 02.10.2003
Titel Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last
Anmelder Behr-Hella Thermocontrol GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Wibben, Andreas, 59557 Lippstadt, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 14.03.2002
DE-Aktenzeichen 10211099
Offenlegungstag 02.10.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.2003
IPC-Hauptklasse H02H 3/087
IPC-Nebenklasse H02H 7/20   
Zusammenfassung Die Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last eines die Last und einen Treibertransistor aufweisenden Lastkreises und zur Diagnose des Lastkreises ist mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (18) mit einem bidirektional konfigurierbaren Port (16) versehen, der wahlweise als Ausgang zum Ausgeben eines Steuersignals auf eine mit dem Port (16) verbundene Leitung (20) oder als Eingang zum Sensieren eines auf der Leitung (20) anstehenden Signals ansteuerbar ist. Die Vorrichtung umfasst einen Ansteuertransistor (28), der einen über die Leitung (20) mit dem Port (16) der Steuer- und Auswerteeinheit (18) verbundenen Eingang (26) und einen Ausgang (29) aufweist, und einen Treibertransistor (12) zum Treiben der elektrischen Last (10), wobei der Treibertransistor (12) einen mit dem Ausgang (29) des Ansteuertransistors (28) verbundenen Steuereingang (40) und einen Ausgang zum Verbinden mit der elektrischen Last aufweist. Ferner ist eine Spannungsrückkopplungseinheit (52, 52') zum im Wesentlichen stromfreien Rückkoppeln der elektrischen Spannung am Ausgang (46) des Treibertransistors (12) auf die mit dem Port (16) der Steuer- und Auswerteeinheit (18) verbundene Leitung (20) vorgesehen. Bei fehlerfreier Last (10) und fehlerfreiem sowie eingeschaltetem Treibertransistor (12) hält die mittels der Spannungsrückkopplungseinheit (52, 52') zum Eingang (26) des Ansteuertransistors (28) rückgekoppelte Spannung den Ansteuertransistor (28) im ausgeschalteten und damit den ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last in einem die Last und einen Treibertransistor aufweisenden Lastkreis und zur Diagnose dieses Lastkreises.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Elektrotechnik ist es erforderlich, elektrische Lasten anzusteuern. Gleichzeitig ist es aber auch von großer Wichtigkeit, die Last und einen die Last steuernden Treibertransistor zur diagnostizieren. Als Beispiel sei hier etwa an eine elektrische Zusatzheizung für ein- Fahrzeug gedacht (sogenannte PTC-Zuheizer), die mehrere elektrisch betreibbare Heizelemente aufweist. Jedes Heizelement bzw. eine Gruppe von Heizelementen wird dabei über einen Treibertransistor angesteuert, und zwar im Sinne von ein- oder ausgeschaltet. Aus sicherheitstechnischen Gründen sollte der Überlast- bzw. Kurzschlussfall im Lastkreis in kürzester Zeit erkannt und der Treibertransistor geöffnet werden. Dieser Fehler sowie die Fehler, dass nämlich die Last unterbrochen ist ("open load") und/oder der Treibertransistor einen internen Kurzschluss aufweist ("durchlegierter Transistor"), sind zu diagnostizieren.

Die Ansteuerung der Treibertransistoren erfolgt durch eine Steuer- und Auswerteeinheit, die zumeist als Mikroprozessorsystem ausgelegt ist. Dieser Mikroprozessor muss also, um der obigen Aufgabe gerecht zu werden, pro Lastkreis mindestens einen Ausgang zum Ansteuern des Treibertransistors bzw. eines diesen ansteuernden Ansteuertransistors sowie einen Diagnoseeinheit aufweisen. Dies kann zum einen zu Platzproblemen führen, da sich beispielsweise nur ein die Steuer- und Auswerteeinheit beinhaltendes kleines IC- Gehäuse in der zu steuernden Einheit (beispielsweise PTC-Zuheizer) unterbringen lässt. Darüber hinaus kann bei einer Vielzahl von der Steuer- und Auswerteeinheit anzusteuernden Lastkreisen die Erkennung des Überlast- /Kurzschlussfalls sowie die Diagnose "open load" bzw. "durchlegierter Treibertransistor" nur zeitverzögert detektieren, was aus Sicherheitsgründen nicht hinnehmbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last eines die Last und einen Treibertransistor aufweisenden Lastkreises und zur Diagnose des Lastkreises zu schaffen, bei der eine Fehlererkennung im Lastkreis und deren Abschaltung im wesentlichen ohne Beteiligung der Steuer- und Auswerteeinheit sowie schnell erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last eines die Last und einen Treibertransistor aufweisenden Lastkreises und zur Diagnose des Lastkreises vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit

  • - einer Steuer- und Auswerteeinheit mit einem bidirektional konfigurierbaren Port, der wahlweise als Ausgang zum Ausgeben eines Steuersignals auf eine mit dem Port verbundene Leitung oder als Eingang zum Sensieren eines auf der Leitung anstehenden Signals ansteuerbar ist,
  • - einem Ansteuertransistor, der einen über die Leitung mit dem Port der Steuer- und Auswerteeinheit verbundenen Eingang und einen Ausgang aufweist,
  • - einem Treibertransistor zum Treiben der elektrischen Last, wobei der Treibertransistor einen mit dem Ausgang des Ansteuertransistors verbundenen Steuereingang und einen Ausgang zum Verbinden mit der elektrischen Last aufweist, und
  • - einer Spannungsrückkopplungseinheit zum im wesentlichen stromfreien Rückkoppeln der elektrischen Spannung am Ausgang des Treibertransistors auf die mit dem Port der Steuer- und Auswerteeinheit verbundenen Leitung,
  • - wobei bei fehlerfreier Last und fehlerfreiem sowie eingeschaltetem Treibertransistor die mittels der Spannungsrückkopplungseinheit zum Eingang des Ansteuertransistors rückgekoppelte Spannung den Ansteuertransistor im ausgeschalteten und damit den Treibertransistor im eingeschalteten Zustand hält und der Port zwecks Erkennung eines in Folge eines Überlast-/Kurzschlussfalls im Lastkreis erfolgenden Anstiegs der rückgekoppelten Spannung über einen den Ansteuertransistor einschaltenden Schwellwert für die Einschaltdauer des Treibertransistors als Eingang geschaltet ist.

Zur Reduktion der Gehäusegröße der Steuer- und Auswerteeinheit weist diese bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen bidirektional konfigurierbaren Port auf, der entweder als Ausgang oder als Eingang schaltbar ist. Mit diesem Port ist der Eingang eines Ansteuertransistors verbunden, der seinerseits einen Ausgang aufweist, der mit dem Eingang eines Treibertransistors verbunden ist, welcher seinerseits in Reihe mit der elektrischen Last geschaltet ist. Die elektrische Spannung auf Ausgang des Treibertransistors, d. h. das Potential am Verbindungspunkt zwischen Treibertransistor und Last wird zum Port der Steuer- und Auswerteeinheit rückgekoppelt. Diese Rückkopplung erfolgt im wesentlichen stromlos; mit anderen Worten fließt also über diese Rückkopplung im wesentlichen kein Strom ab, was insbesondere bei Systemen von Vorteil ist, bei denen der Lastkreis auch bei nicht angesteuerter Last stets mit Versorgungsspannung verbunden ist.

Durch die Rückkopplung wird bei fehlerfreier Last und bei fehlerfreiem sowie eingeschaltetem Treibertransistor dessen Ausgangsspannung zum Eingang des Ansteuertransistor zurückgeführt, der auf Grund dessen im ausgeschalteten Zustand verbleibt (Selbsthaltung). Dies gilt umgekehrt selbstverständlich auch für den Fall der fehlerfreien Last und des fehlerfreien sowie ausgeschalteten Treibertransistors. Auch in diesem Fall bleibt der Ansteuertransistor auf Grund der Spannungsrückkopplung im eingeschalteten Zustand. Der Vorteil der Selbsthaltung (sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand des Treibertransistors) besteht nun darin, dass der Port nun als Eingang geschaltet werden kann, um beispielsweise für die Einschaltdauer des Treibertransistors einen Überlast-/Kurzschluss im Lastkreis detektieren zu können, was sich als Anstieg der rückgekoppelten Spannung über einen den Ansteuertransistor einschaltenden Schwellwert bemerkbar macht. Bei diesem automatischen Abschaltvorgang ist die Steuer- und Auswerteeinheit nicht beteiligt. Vielmehr ist die an den Port angeschlossene Endstufe bezüglich der Überlast- bzw. Kurzschlussfehlererkennung autark. Im Normalfall weist die Steuer- und Auswerteeinheit mehrere bidirektional konfigurierbare Ports auf, an die die Endstufenschaltungen mehrerer Lastkreise angeschlossen sind. Jede Endstufe mit Lastkreis ist also bezüglich der Überlast- bzw. Kurzschlussfehlererkennung autark. Durch die Rückkopplung der Spannung am Ausgang des Treibertransistors zurück zum Eingang des Ansteuertransistors, bei der es sich um eine Mitkopplung handelt, wird die Geschwindigkeit des Anstiegs der Spannung am Eingang des Ansteuertransistors im Falle eines Überlast- bzw. Kurzschlusses des Lastkreises noch verstärkt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Ansteuervorrichtung lassen sich wie folgt zusammenfassen.

  • 1. Wegen der bidirektional konfigurierbaren Ports braucht das Gehäuse der Steuer- und Auswerteeinheit pro Endstufenschaltung lediglich einen Port aufzuweisen.
  • 2. Die Sicherheitsabschaltung im Überlast-/Kurzschlussfall des Lastkreises erfolgt innerhalb weniger Mikrosekunden, und zwar auf Grund der Spannungsrückkopplung innerhalb der Endstufenschaltung und ohne Beteiligung der Steuer- und Auswerteeinheit.
  • 3. Da die Überlast-/Kurzschlussfalldetektion ohne Beteiligung der Steuer- und Auswerteeinheit erfolgt, braucht diese auch nicht als schnell arbeitende Einheit ausgebildet zu sein.
  • 4. Die Spannungsrückkopplungseinheit zwischen dem Ausgang des Treibertransistors und dem Eingang des Ansteuertransistors arbeitet im wesentlichen stromfrei bzw. stromlos, was zu geringen Ruheströmen führt, auch wenn der Lastkreis dauerhaft mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Dies ist insbesondere in all den Fällen von Vorteil, in denen der Lastkreis an einer Batterie, einem Akku o. dgl. Energiespeicher angeschlossen ist, wie dies beispielsweise für den PTC-Zuheizer eines Kraftfahrzeuges der Fall ist.
  • 5. Durch die Veränderung der Spannung am für die Einschaltdauer des Treibertransistors als Eingang geschalteten Port kann die Steuer- und Auswerteeinheit den Überlast-/Kurzschlussfall unmittelbar sensieren, und zwar zeitgleich mit der innerhalb der Endstufenschaltung autark erfolgenden Abschaltung des Treibertransistors.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannungsrückkopplungseinheit zwei gegenpolig geschaltete Dioden aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei ihre Anoden untereinander verbunden sowie mit einem Versorgungspotential verbunden und die Kathoden der Dioden einerseits mit dem Ausgang des Treibertransistors und andererseits mit der zum Port der Steuer- und Auswerteeinheit führenden Leitung verbunden sind. Unabhängig von der Größe der Spannungen am Ausgang des Treibertransistors bzw. am Eingang des Ansteuertransistors ist jeweils eine der beiden Dioden der Spannungsrückkopplungseinheit in Sperrrichtung geschaltet. Damit fließt im wesentlichen kein Strom durch die Spannungsrückkopplungseinheit. Diese Spannungsrückkopplungseinheit erfüllt damit die Aufgabe, die Spannung am Ausgang des Treibertransistors im wesentlichen stromlos bzw. stromfrei zum Eingang des Ansteuertransistors rückzukoppeln.

Alternativ zur Ausbildung der Spannungsrückkopplungseinheit mit zwei Dioden ist es auch möglich, dass die Spannungsrückkopplungseinheit einen Komparator aufweist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Treibertransistors verbunden ist und an dessen anderem Eingang eine Referenzspannung anliegt. Sobald die Spannung an dem mit dem Ausgang des Treibertransistors verbundenen Eingang des Komparators größer ist als die am anderen Eingang anliegende Referenzspannung, gibt der Komparator an seinem Ausgang ein Signal aus. Der Ausgang des Komparators ist mit der mit dem Port der Steuer- und Auswerteeinheit verbundenen Leitung verbunden, so dass bei Anstieg der Ausgangsspannung des Treibertransistors, was als Überlast- bzw. Kurzschlussfall zu betrachten ist, die Spannung am Eingang des Ansteuertransistors ansteigt, dieser demzufolge einschaltet, was wiederum zur Folge hat, dass der Treibertransistor ausgeschaltet wird.

Zum Einschalten des Treibertransistors ist der Port der Steuer- und Auswerteeinheit als Ausgang geschaltet, über den an dem Ansteuertransistor ein Low- Signal ausgegeben wird. Anschließend wird der Port dann für die Einschaltdauer des Treibertransistors als Eingang geschaltet. Um den Treibertransistor auszuschalten, bedarf es auf Grund der Selbsthaltung der Endstufenschaltung eigentlich lediglich eines kurzen High-Signals am in diesem Fall aus Ausgang geschalteten Port der Steuer- und Auswerteeinheit. Dieses High-Signal schaltet den Ansteuertransistor ein, was wiederum zum Ausschalten des Treibertransistors führt. Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch zweckmäßig, das High- Signal im wesentlichen dauerhaft (mit Ausnahme einiger kurzer Unterbrechungen) am als Ausgang geschalteten Port auszusenden. In den Unterbrechungsintervallen ist der Port als Eingang geschaltet, um auch bei ausgeschaltetem Treibertransistor und damit ausgeschaltetem Lastkreis durch die Steuer- und Auswerteeinheit eine Diagnosefunktion durchführen zu können. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn parallel zum Ausgang des Treibertransistors eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Diagnoseschalter angeordnet ist, der wahlweise und vorzugsweise von der Steuer- und Auswerteeinheit ansteuerbar ist. Sendet die Steuer- und Auswerteeinheit das High- Signal mit Ausnahme von Unterbrechungsintervallen dauerhaft aus, wobei der Port innerhalb der Unterbrechungsintervalle als Eingang geschaltet ist, und ist der Diagnoseschalter in einer ersten Phase eines Unterbrechungsintervalls eingeschaltet und in einer zweiten Phase eines Unterbrechungsintervalls ausgeschaltet, so gilt, dass

  • - dann, wenn an dem Port in der ersten Phase ein High-Signal sensiert wird, der fehlerfreie Zustand von Last und Treibertransistor erkannt wird,
  • - dann, wenn an dem Port in der ersten Phase ein Low-Signal und in der zweiten Phase ein High-Signal sensiert wird, erkannt wird, dass die Last unterbrochen ist, und
  • - dann, wenn an dem Port sowohl in der ersten als auch in der zweiten Phase ein Low-Signal sensiert wird, erkannt wird, dass der Treibertransistor kurzgeschlossen ist.

Bei ausgeschaltetem Treibertransistor kann also mittels der Steuer- und Auswerteeinheit jeder Lastkreis diagnostiziert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Steuer- und Auswerteeinheit mit einer Vielzahl von mit dieser verbundenen Endstufenschaltungen zur Ansteuerung mehrerer elektrischer Lasten,

Fig. 2 ein erster Ausführungsbeispiel für die Realisierung einer Endstufenschaltung und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Realisierung einer Endstufenschaltung.

Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft anhand einer PTC-Zusatzheizung für ein Fahrzeug erläutert werden. Sämtliche PTC-Bausteine 10 werden dabei einzeln oder gruppenweise über MOSFET-Treibertransistoren 12 ein- bzw. ausgeschaltet. Die MOSFET-Treibertransistoren 12 sind über Endstufenschaltungen 14 mit jeweils einem bidirektional konfigurierbaren Port 16 einer Steuer- und Auswerteeinheit 18 verbunden. Bei der Steuer- und Auswerteeinheit 18 handelt es sich beispielsweise um einen Mikrocontroller, dessen Anzahl an Ports 16 gleich der Anzahl der angeschlossenen Endstufenschaltungen 14 ist. Die Ports 16 können wahlweise als Eingang oder als Ausgang der Steuer- und Auswerteeinheit 18 geschaltet werden.

Die genauere Beschaltung jedes Ports 16 ergibt sich gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel aus Fig. 2. Danach ist an jeden der Ports 16 eine Leitung 20 angeschlossen, die zwei in Reihe geschaltete Widerstände 22, 24 aufweist. Diese Leitung 20 führt zum Eingang 26 eines Ansteuertransistors 28, der an seinem Ausgang 29 über einen Widerstand 32 mit einer Versorgungsspannung 34 verbunden ist. Vor dem Eingang 26 des Ansteuertransistors 28 befindet sich noch ein an Masse 30 geschalteter Widerstand 36.

Der Ausgang des Ansteuertransistors 28, also der Spannungsknoten zwischen dem Transistor 28 und dem Widerstand 32 ist über einen Widerstand 38 mit dem Eingang 40 des Treibertransistors 12 verbunden. Der Eingang 40 des Treibertransistors 12 ist über eine mit Masse 30 verbundenen Diode 42 gegen Überspannungen gesichert. Am Ausgang ist der Treibertransistor 12 einerseits mit Masse 30 und andererseits über die Last 10 mit einer Versorgungsspannung 44 verbunden. Der Ausgang des Transistors 12, d. h. der Knotenpunkt 46 zwischen dem Transistor 12 und der Last 10, ist über einen Widerstand 48 und einen von der Steuer- und Auswerteeinheit 18 steuerbaren Diagnoseschalter 50 mit Masse verbunden. Zusätzlich ist der Knotenpunkt 46 über eine Spannungsrückkopplungseinheit 52 mit der Leitung 20 verbunden, die ihrerseits zum Port 16 führt. Die Spannungsrückkopplungseinheit 52 ist mit zwei Dioden 54, 56 sowie einem Widerstand 58 versehen. Die beiden Dioden 54, 56 sind an ihren Anoden miteinander verbunden, während die Kathoden einerseits mit der Leitung 20 und andererseits mit dem Spannungsknotenpunkt 46, also dem Ausgang des Treibertransistors 12 verbunden sind. Der Widerstand 58 ist zwischen die Versorgungsspannung 34 und den Verbindungspunkt der Anoden der beiden Dioden 54, 56 geschaltet.

Bei fehlerfreien Komponenten, insbesondere bei fehlerfreiem Treibertransistor 12 und fehlerfreier Last 10 stellt sich die Ausgangsituation der Schaltung gemäß Fig. 2 so dar, dass aus dem Port 16 (in dieser Phase als Ausgang geschaltet) ein High-Signal ausgegeben wird. Damit ist der Ansteuertransistor 28 angesteuert, d. h. eingeschaltet und als Folge davon der Treibertransistor 12 ausgeschaltet. Im Lastkreis fließt kein Strom bzw. nur ein äußerst geringer Strom, und zwar einerseits auf Grund der stromlosen Spannungsrückkopplung durch die Einheit 52 und andererseits auf Grund des hochohmigen Bypass- Widerstandes 48 bei geschlossenem Schalter (hierauf wird noch später eingegangen werden).

Soll nun der Treibertransistor 12 eingeschaltet werden, so erfolgt dies durch Aussenden eines kurzen Low-Impulses aus dem Port 16, der den Ansteuertransistor 28 ausschaltet. Als Folge davon wird der Treibertransistor 12 eingeschaltet. Die bei eingeschaltetem Treibertransistor 12 an dessen Ausgang abfallende Spannung wird über die Verschaltung der Dioden 54, 56 der Spannungsrückkopplungseinheit 52 zum Port 16 und damit zum Eingang 26 des Ansteuertransistors 28 zurückgeführt. Die Ausgangsspannung des eingeschalteten Treibertransistors 12 liegt unter der Einschaltspannung des Transistors 28, so dass dieser ausgeschaltet bleibt. Damit ist eine Selbsthaltung des Einschaltzustandes des Treibertransistors 12 gegeben, und zwar ohne Beteiligung der Steuer- und Auswerteeinheit 18. Damit braucht der Port 16 nun auch nicht mehr als Ausgang zum Aussenden eines Ansteuersignals für den Ansteuertransistor 28 geschaltet zu sein. Nach dem kurzzeitigen Aussenden des Low-Impulses wird daher der Port 16 als Eingang, d. h. hochohmig geschaltet.

Damit kann der Zustand im Lastkreis bzw. die Ausgangsspannung über dem Treibertransistor 12 am Port 16 eingelesen und in der Steuer- und Auswerteeinheit 18 ausgewertet werden. Sollte die Spannung am Ausgang des Treibertransistors 12 denjenigen Wert, den sie im Normalbetrieb annimmt, übersteigen, wie dies etwa im Überlast- bzw. Kurzschlussfall zu erwarten ist, so erhöht sich gleichermaßen die über die Spannungsrückkopplungseinheit 52 auf die Leitung 20 rückgeführte Spannung. Dies führt dazu, dass der Transistor 28 eingeschaltet wird, also in den leitenden Zustand übergeht, was zum automatischen Ausschalten des Treibertransistors 12 führt. Dieser Selbstabschaltungsvorgang wird durch die Mitkopplung infolge der Spannungsrückkopplungseinheit 52 noch beschleunigt. Es kommt also zu einer selbsttätigen, schnellen Abschaltung des Treibertransistors 12 im Überlast-/Kurzschlussfall. Gleichzeitig wird die erhöhte Spannung auf der Leitung 20 durch Einlesen über den als Eingang geschalteten Port 16 der Steuer- und Auswerteeinheit 18 erkannt. Damit wird der Fehlerfall "Überlast-/Kurzschluss" erkannt und diagnostiziert.

Um bei fehlerfreiem Treibertransistor 12 und fehlerfreier Last 10 den Lastkreis auszuschalten, wird über den nunmehr als Ausgang geschalteten Port 16 ein High-Signal auf den Eingang 26 des Transistors 28 gegeben. Dadurch wird der Ansteuertransistor 28 leitend und somit der Treibertransistor 12 ausgeschaltet. Wegen der Selbsthaltung würde dieser Zustand, also der leitende Zustand des Ansteuertransistors 28 und damit der Ausschaltzustand des Treibertransistors 12 permanent aufrechterhalten. Aus Sicherheitsgründen bleibt das High-Signal auf der Leitung 20 mit Ausnahme von kurzen Unterbrechungsintervallen permanent aufrechterhalten. Diese kurzen Unterbrechungsintervalle werden genutzt, um den Lastkreis im ausgeschalteten Zustand diagnostizieren zu können.

Um den Lastkreis diagnostizieren zu können, wird der Port 16 intermittierend und kurzzeitig als Eingang geschaltet. Damit lässt sich nun der Ist-Zustand im Lastkreis überprüfen. Während eines jeden Unterbrechungsintervalls befindet sich der Diagnoseschalter 50 in einer ersten Phase in seinem eingeschalteten und in einer zweiten Phase in seinem ausgeschalteten Zustand. Innerhalb der ersten Phase des Unterbrechungsintervalls, also bei geschlossenem Diagnoseschalter, wird ein High-Signal vom Ausgang des Treibertransistors 12 über die Spannungsrückkopplungseinheit 52 zum Port 16 der Steuer- und Auswerteeinheit 18 zurückgeführt, wenn kein Fehler im Lastkreis vorliegt. Wird hingegen in dieser ersten Phase des Unterbrechungsintervalls ein Low-Signal zum Port 16 rückgekoppelt, so liegt der Fehlerfall der unterbrochenen Last 10 ("open load") vor. Liegt dieses Low-Signal auch in der zweiten Phase des Unterbrechungsintervalls, also bei geöffnetem Diagnoseschalter 50 vor, so ist der Fehlerfall des kurzgeschlossenen, d. h. "durchlegierten" Treibertransistors 12 gegeben.

Bei dem Diagnoseschalter 50 handelt es sich um einen elektronischen Schalter, der zur Einhaltung der Forderung eines geringen Ruhestroms lediglich bei eingeschaltetem System (also bei "Zündung ein") permanent geschlossen ist. Bei der Versorgungsspannung 44 handelt es sich um die Versorgungsspannung für den Lastkreis. Die Versorgungsspannung 34 ist gleich der Betriebsspannung des Systems (PTC-Zuheizer). Die Versorgungsspannung 34 ist extern hinzuschaltbar, wenn der PTC-Heizer eingeschaltet wird, und liegt auf gleichem Potential wie die Versorgungsspannung 44.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausgestaltung der Spannungsrückkopplungseinheit 52' zu erkennen. Die übrigen Bauteile und Elemente der Endstufenschaltung 14 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 sind identisch mit denen der Endstufenschaltung 14 der Fig. 2.

Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 ist die Spannungsrückkopplungseinheit 52' mit einem Komparator 60 versehen, dessen Ausgang 62 über einen Widerstand 64 mit der Leitung 20 verbunden ist, die zum Port 16 der Steuer- und Auswerteeinheit 18 führt. Das Potential am Knotenpunkt 46 wird über einen Widerstand 66 zum ersten Eingang 68 des Komparators 60 geleitet. Dieser Eingang 68 ist gegen Überspannungen durch eine gegen Masse geschaltete Diode 70 geschützt. Am zweiten Eingang 72 des Komparators 60 liegt eine beispielsweise durch Spannungsteiler 74, 76 erzeugte Referenzspannung an.

Die Funktionsweise der Endstufenschaltung 14 gemäß Fig. 3 ist identisch mit derjenigen gemäß Fig. 2. Der Komparator 60 schaltet durch und gibt an seinem Ausgang ein den Transistor 28 einschaltendes Spannungssignal aus, wenn die Spannung am Ausgang des Treibertransistors 12, wie dies in einem Überlast- bzw. Kurzschlussfall gegeben ist, über die Referenzspannung hinaus ansteigt, die ihrerseits gleich der Ausgangsspannung am Treibertransistor 12 im fehlerfreien Zustand des Lastkreises ist.

Die Beschaltung des Ports 16 jeder Endstufenschaltung 14 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 identisch so, wie dies im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 erläutert und beschrieben worden ist. Wie im Falle der Fig. 2, bei der die gegenpolig verschalteten Dioden 54, 56 nahezu keinen Stromfluss von der Last 10 zurück zum Port 16 erlauben, ist dies auch im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3 gegeben, da der Eingang 68 des Komparators 60 hochohmig ist. Die Selbsthaltung und Selbstabschaltung ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 genauso gegeben wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2. Damit weisen beide Schaltungen letztendlich die gleichen Wirkungen auf. BEZUGSZEICHENLISTE 10 PTC-Baustein (Last)

12 MOSFET-Treibertransistor

14 Endstufenschaltungen

16 Port

18 Steuer- und Auswerteeinheit

20 Leitung

22 Widerstand

24 Widerstand

26 Eingang des Treibertransistors

28 Ansteuertransistor

30 Masse

32 Widerstand

34 Versorgungsspannung

36 Widerstand

38 Widerstand

40 Eingang des Ansteuertransistors

42 Diode

44 Versorgungsspannung

46 Knotenpunkt (Ausgang des Treibertransistors)

48 Bypass-Widerstandes

50 Diagnoseschalter

52 Spannungsrückkopplungseinheit

52' alternative Spannungsrückkopplungseinheit

54 Diode

56 Diode

58 Widerstand

60 Komparator

62 Komparatorausgang

64 Widerstand

66 Widerstand

68 erster Eingang des Komparators

70 Diode

72 zweiter Eingang des Komparators

74 Spannungsteilerwiderstand

76 Spannungsteilerwiderstand


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Ansteuerung einer elektrischen Last eines die Last und einen Treibertransistor aufweisenden Lastkreises und zur Diagnose des Lastkreises, mit

    einer Steuer- und Auswerteeinheit (18) mit einem bidirektional konfigurierbaren Port (16), der wahlweise als Ausgang zum Ausgeben eines Steuersignals auf eine mit dem Port (16) verbundene Leitung (20) oder als Eingang zum Sensieren eines auf der Leitung (20) anstehenden Signals ansteuerbar ist,

    einem Ansteuertransistor (28), der einen über die Leitung (20) mit dem Port (16) der Steuer- und Auswerteeinheit (18) verbundenen Eingang (26) und einen Ausgang (29) aufweist,

    einem Treibertransistor (12) zum Treiben der elektrischen Last (10), wobei der Treibertransistor (12) einen mit dem Ausgang (29) des Ansteuertransistors (28) verbundenen Steuereingang (40) und einen Ausgang zum Verbinden mit der elektrischen Last aufweist, und

    einer Spannungsrückkopplungseinheit (52, 52') zum im wesentlichen stromfreien Rückkoppeln der elektrischen Spannung am Ausgang (46) des Treibertransistors (12) auf die mit dem Port (16) der Steuer- und Auswerteeinheit (18) verbundenen Leitung (20),

    wobei bei fehlerfreier Last (10) und fehlerfreiem sowie eingeschaltetem Treibertransistor (12) die mittels der Spannungsrückkopplungseinheit (52, 52') zum Eingang (26) des Ansteuertransistors (28) rückgekoppelte Spannung den Ansteuertransistor (28) im ausgeschalteten und damit den Treibertransistor (12) im eingeschalteten Zustand hält und der Port (16) zwecks Erkennung eines in Folge eines Überlast- /Kurzschlussfalls im Lastkreis erfolgenden Anstiegs der rückgekoppelten Spannung über einen den Ansteuertransistor (28) einschaltenden Schwellwert für die Einschaltdauer des Treibertransistors (12) als Eingang geschaltet ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsrückkopplungseinheit (52) zwei Dioden (54, 56) aufweist, deren Anoden miteinander sowie mit einem Versorgungspotential (34) verbunden sind und die zwischen dem Ausgang des Treibertransistors (12) und dem Port (16) der Steuer- und Auswerteeinheit (18) geschaltet sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsrückkopplungseinheit (52') einen Komparator (60) aufweist, dessen erster Eingang (68) mit dem Ausgang (46) des Treibertransistors (12) verbunden ist und an dessen zweitem Eingang (72) eine Referenzspannung anliegt, wobei der Komparator (60) an seinem Ausgang (62) ein Signal ausgibt, wenn die Spannung am Ausgang (46) des Treibertransistors (12) größer ist als die Referenzspannung, und dass der Ausgang (62) des Komparators (60) mit der mit dem Port (16) der Steuer- und Auswerteeinheit (18) verbundenen Leitung (20) verbunden ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (18) zum Überführen des Treibertransistors (12) aus dessen ausgeschalteten Zustand in den eingeschalteten Zustand ein Low-Signal aus dem als Ausgang geschalteten Port (16) ausgibt und den Port (16) anschließend als Eingang schaltet.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (18) zur Beibehaltung des ausgeschalteten Zustands des Treibertransistors (12) ein High-Signal aus dem als Ausgang geschalteten Port (16) ausgibt.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Ausgang (46) des Treibertransistors (12) eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (48) und einem insbesondere von der Steuer- und Auswerteeinheit (18) ansteuerbaren Diagnoseschalter (50) angeordnet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (18) das High-Signal mit Ausnahme von Unterbrechungsintervallen dauerhaft aussendet, wobei der Port (16) innerhalb der Unterbrechungsintervalle als Eingang geschaltet ist, und dass der Diagnoseschalter (50) in einer ersten Phase des Unterbrechungsintervalls eingeschaltet und in einer zweiten Phase des Unterbrechungsintervalls ausgeschaltet ist, wobei

    dann, wenn an dem Port (16) in der ersten Phase ein High-Signal sensiert wird, der fehlerfreie Zustand von Last (10) und Treibertransistor (12) erkannt wird,

    dann, wenn an dem Port (16) in der ersten Phase ein Low-Signal und in der zweiten Phase ein High-Signal sensiert wird, erkannt wird, dass die Last (10) unterbrochen ist, und

    dann, wenn an dem Port (16) sowohl in der ersten als auch in der zweiten Phase ein Low-Signal sensiert wird, erkannt wird, dass der Treibertransistor (12) kurzgeschlossen ist.






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