DE4112996A1 - Vorrichtung und verfahren zur funktionsueberwachung eines elektrischen verbrauchers - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Verbrau­ chers nach der Gattung des Hauptanspruchs sowie von einem Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Verbrauchers gemäß Oberbegriff des An­ spruchs 11.

Vorrichtungen der hier genannten Art sind bekannt. Mit ihrer Hilfe ist es möglich, Fehlerzustände des elektrischen Verbrauchers festzustellen. Allerdings bedarf es eines hohen Hardware- oder Softwareauf­ wandes, um eine Unterscheidung zwischen verschie­ denen Fehlerfällen durchführen zu können, um also feststellen zu können, ob die Zuleitung zum elek­ trischen Verbraucher unterbrochen oder der den Ver­ braucher steuernde Schalter kurzgeschlossen ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfah­ ren nach der vorliegenden Erfindung haben demgegen­ über den Vorteil, daß auf einfache Weise verschie­ dene Fehlerzustände des elektrischen Verbrauchers unterschieden werden können. Es ist also ohne be­ sonderen Aufwand die Unterscheidung zwischen einem Kurzschluß des dem Verbrauchers zugeordneten Last­ schalters und einer Unterbrechung der zum Ver­ braucher führenden Leitung möglich.

Dadurch, daß die Vorrichtung zur Funktionsüber­ wachung mit einer dem elektrischen Verbraucher zu­ geordneten Fehlerunterscheidungsschaltung versehen ist, die von der Fehlererkennungsschaltung dann an­ gesteuert wird, wenn ein Fehler auftritt, ist durch eine einfache Erfassung des Potentials am Verbrau­ cher oder des durch den Verbraucher fließenden Stroms mit Hilfe der Fehlererkennungsschaltung mög­ lich, eine Unterbrechung der Zuführungsleitung zum Verbraucher von einem Kurzschluß des den Verbrau­ cher steuernden Lastschalters zu unterscheiden. Da­ bei ist besonders hervorzuheben, daß die Fehlerun­ terscheidungsschaltung besonders einfach aufgebaut und damit störungsunanfällig ist.

Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, mit der mehrere elektrische Ver­ braucher überwacht werden können und bei der jedem Verbraucher eine Fehlerunterscheidungsschaltung zu­ geordnet ist. Durch die einfache Zuordnung der Feh­ lerunterscheidungsschaltungen wird wiederum ein preisgünstiger Aufbau der Vorrichtung gewähr­ leistet.

Weitere Vorteile der Vorrichtung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen, wobei es besonders vorteilhaft ist, daß sowohl die Überwachung von High-Side-Switches als auch von Low-Side-Switches problemlos möglich ist.

Bei dem Fehlerüberwachungsverfahren wird im Falle eines Fehlers des elektrischen Verbrauchers die Fehlerunterscheidungsschaltung aktiviert. Zur Un­ terscheidung der möglichen Fehlerzustände bedarf es dann lediglich der Erfassung der am Verbraucher liegenden Spannung beziehungsweise des durch diesen fließenden Stroms, wobei die Meßwerte mit vorgege­ benen Grenzwerten verglichen werden. Anhand dieses Vergleichs kann dann ohne weiteres festgestellt werden, ob die Versorgungsleitung des Verbrauchers unterbrochen oder ob dessen Lastschalter kurzge­ schlossen ist.

Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei dem die Aktivierung der Fehler­ unterscheidungsschaltung zeitlich begrenzt ist und zwar auf den Zeitraum der Erfassung der Spannung beziehungsweise des Stroms. Auf diese Weise läßt sich der bei diesem Verfahren erforderliche Ener­ giebedarf stark reduzieren.

Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfah­ rens bevorzugt, bei dem Strom- und Spannungsmessung in Abhängigkeit von den Schaltzuständen des elek­ trischen Verbrauchers durchgeführt werden. Bei­ spielsweise kann die Unterbrechung der Versorgungs­ leitung eines elektrischen Verbrauchers bei abge­ schalteter Endstufe durch eine Spannungsmessung und bei eingeschalteter Endstufe durch eine Strommes­ sung festgestellt werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Überwachung einer Einzelendstufe mit Low-Side-Switch;

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung einer Einzelendstufe mit High-Side-Switch;

Fig. 3 und 4 eine Vorrichtung zur Funktions­ überwachung eines elektrischen Verbrau­ chers bei Unterbrechung der dem Verbrau­ cher zugeordneten Leitungen;

Fig. 5 und 6 eine Vorrichtung zur Funktions­ überwachung eines elektrischen Verbrau­ chers bei Kurzschluß des den Verbrauchers ansteuernden Schalters;

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung einer Endstufe mit drei Ausgängen mit Ver­ brauchern und Low-Side-Switch;

Fig. 8 eine Endstufe mit drei Ausgängen für elek­ trische Verbraucher mit High-Side-Switch und

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer Vor­ richtung zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Verbrauchers mit High-side­ switch.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Anhand der Fig. 1 und 2 wird das Grundprinzip der Vorrichtung zur Funktionsüberwachung von elek­ trischen Verbrauchern erläutert, wobei in Fig. 1 die Erkennung von Fehlern bei Low-Side-Switches und in Fig. 2 die Erkennung von Fehlern bei High-Side­ Switches dargestellt ist.

In der Skizze gemäß Fig. 1 ist ein elektrischer Verbraucher V1 einerseits mit der Versorgungsspan­ nung verbunden, die hier mit U_Batt gekennzeichnet ist. Auf der anderen Seite ist der Verbraucher V1 über einen Schalter, hier einen als Transistor aus­ gebildeten elektronischen Schalter L1, mit Masse verbunden, wobei der Transistor hier mit seinem Kollektor an dem Verbraucher und mit seinem Emitter an Masse liegt. Die Ansteuerung des Transistors er­ folgt über eine hier nicht dargestellte Endstufe E und einen zwischengeschalteten Vorwiderstand R.

An den Ausgang des Verbrauchers V1 ist eine Fehler­ unterscheidungsschaltung 10 angeschlossen, die aus einer Reihenschaltung eines an der Versorgungsspan­ nung U_Batt angeschlossenen Schalters S1, eines Wi­ derstands R1 sowie eines Widerstandes R* besteht. Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Wider­ ständen R1 und R* ist mit dem Kollektor des Transi­ stors L1 beziehungsweise mit dem Ausgang des elek­ trischen Verbrauchers V1 verbunden. Hier wird auch das Überwachungspotential EÜ abgegriffen. Der Wi­ derstand R* dient dazu, einen eindeutigen Pegel für das Überwachungspotential einzustellen, wenn der beispielsweise als Steller ausgebildete elektrische Verbraucher abgefallen und der Schalter geöffnet ist. Es handelt sich hier um einen hochohmigen Ab­ leitwiderstand.

Die Skizze gemäß Fig. 2 zeigt eine Einzelendstufe mit High-Side-Switch. Gleiche Teile sind mit glei­ chen Bezugszeichen versehen.

Ein elektrischer Verbraucher V1 liegt hier einer­ seits an Masse und andererseits über einen Schalter L1, der hier als ein von einer Endstufe E angesteu­ erter Transistor ausgebildet ist, an der Versor­ gungsspannung U_Batt. Hier liegt der Transistor mit seinem Emitter an der Versorgungsspannung und mit seinem Kollektor an dem elektrischen Verbraucher V1. Er wird über einen Widerstand R von der End­ stufe E angesteuert.

An der Verbindungsstelle zwischen dem Schalter L1 und dem elektrischen Verbraucher V1 ist auch hier eine Fehlerunterscheidungsschaltung 10 angeschlos­ sen, die wiederum aus einer Reihenschaltung eines Widerstands R1, eines Widerstands R* und eines mit Masse verbundenen Schalters S1 besteht. Für R* gilt das anhand von Fig. 1 Gesagte. R* ist wesentlich größer als R1 und kann in die den Verbraucher an­ steuernde Leistungsendstufe integriert sein.

An der genannten Verbindungsstelle, die an der Ver­ bindungsstelle zwischen R1 und R* angeschlossen ist, wird zur Überwachung der Funktion des elektri­ schen Verbrauchers ein Überwachungspotential EÜ ab­ gegriffen.

Bei der Funktionsüberwachung der Schaltung gemäß Fig. 1 ergeben sich an der Verbindungsstelle zwi­ schen dem Schalter L1 und dem Verbraucher V1 fol­ gende Potentiale:
Bei eingeschalteter Endstufe, das heißt bei durch­ gesteuertem Transistor des Schalters L1, ergibt sich auf der Leitung EÜ das Potential "low" wenn kein Fehler vorliegt. Im Falle eines Kurzschlusses des elektrischen Verbrauchers V1 ergibt sich auf der Leitung EÜ das Potential "high".

Sollte bei eingeschalteter Endstufe ein Kurzschluß über dem Schalter L1 auftreten, so ist auf der Lei­ tung EÜ ebenfalls das Potential "low" feststellbar, das heißt, bei der Auswertung dieses Potentials ist letztlich nicht erkennbar, ob ein Fehler aufge­ treten ist oder ob ein Kurzschluß des Schalters L1 gegeben ist.

Ist die Endstufe E ausgeschaltet so ist das Poten­ tial auf der Leitung EÜ "high", wenn kein Fehler vorliegt, bei Unterbrechung der Verbindungsleitung des elektrischen Verbrauchers zur Versorgungsspan­ nung oder bei einem Kurzschluß über dem Transistor "low". In beiden Fehlersituationen ergibt sich auf der Leitung EÜ also dasselbe Potential "low", so daß eine Unterscheidung der Fehler nicht möglich ist.

Um ein Floaten der Spannung zu vermeiden, ist bei allen Schaltungen ein Ableitwiderstand R* parallel zum Transistor vorgesehen. Er dient dazu, ein sau­ beres Signal zu erzielen, wenn der Transistor sperrt, der Verbraucher abgefallen und der Schalter S1 offen ist. Bei HSS und LSS wird R* bereits im als Leistungstransistor ausgelegten Schalter L1 inte­ griert; wenn nicht, sollte er extern vorgesehen werden. Der Widerstandswert des Ableitwiderstandes R* sollte sehr viel größer sein als der des in Reihe geschalteten Widerstandes R1.

R* muß in der Praxis so gewählt werden, daß er Ka­ belbaumableitwiderstände und den Reststrom I_R des Transistors von S1 sicher auf "low" ableitet. Unter Kabelbaumableitwiderstand versteht man hier den bei abgefallenem Verbraucher V1 auf Verschmutzungen be­ ruhenden Ableitwiderstand, der beispielsweise 100 000 Ω betragen kann. Bei einer Versorgungsspan­ nung U_Batt = 14 V, einem Reststrom I_R 10 µA er­ gibt sich für den Ableitwiderstand R* etwa ein Wert von 7 kΩ, wenn die an ihm abfallende Spannung klei­ ner als 1 V bleiben soll.

Mit Hilfe der Fehlerüberwachungsschaltung 10 können die Fehlerfälle "Kurzschluß" über dem Transistor des Schalters L1 und "Unterbrechung" der Leitung des Verbrauchers V1 zur Versorgungspannung U_Batt unterschieden werden: Wird bei ausgeschalteter End­ stufe der Schalter S1 der Fehlerunterscheidungs­ schaltung 10 geschlossen, so ergibt sich auf der Leitung EÜ bei einem Kurzschluß über dem Transistor das Potential "low". Bei einer Unterbrechung der Leitung des elektrischen Verbrauchers V1 zur Ver­ sorgungsspannung U_Batt ergibt sich durch die Ver­ bindung der Leitung EÜ über die Feh­ lerunterscheidungsschaltung mit der Versorgungs­ spannung das Potential "high". Das heißt also, sollte bei ausgeschalteter Endstufe ein Fehler auf­ treten, wird die Fehlerunterscheidungsschaltung 10 aktiviert. Daraufhin sind die beiden möglichen Feh­ ler Unterbrechung beziehungsweise Kurzschluß über dem Schalter L1 unterscheidbar.

Ähnliches gilt für die Fehlererkennung und -unter­ scheidung bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2.

Bei ausgeschalteter Endstufe stellt sich auf der Leitung EÜ das Potential "low" ein, wenn kein Feh­ ler vorliegt. Wenn jedoch eine Unterbrechung der Verbindungsleitung des elektrischen Verbrauchers V1 zur Masse eintritt oder bei einem Kurzschluß des Schalters L1 stellt sich in beiden Fällen auf der Leitung EÜ das Potential "high" ein. Das heißt, die beiden Fehlerfälle sind nicht unterscheidbar. Wenn jedoch die Fehlerunterscheidungsschaltung aktiviert wird, wenn also der Schalter S1 geschlossen wird, stellt sich auf der Leitung EÜ das Potential "high" ein, wenn der Schalter L1 kurzgeschlossen ist und das Potential "low" wenn eine Unterbrechung des elektrischen Verbrauchers V1 zu Masse gegeben ist. Durch die unterschiedlichen Potentiale auf der Lei­ tung EÜ für die verschiedenen Fehlerfälle werden durch Aktivierung der Fehlerunterscheidungsschal­ tung diese Fehler unterscheidbar.

Anhand der Fig. 3 und 4 wird erläutert, welche Folgen bei einer Unterbrechung der Zuleitung zwi­ schen Spannungsversorgung und elektrischem Verbrau­ cher die Aktivierung der Fehlerunterscheidungs­ schaltung hat.

Fig. 3 zeigt einen elektrischen Verbraucher V1 mit Low-Side-Switch. Der Schalter L1 wird wiederum von der hier nicht dargestellten Endstufe betätigt. Der Schalter ist hier lediglich skizziert. Er kann wie­ derum als elektronischer Schalter, insbesondere Transistor ausgelegt sein. Parallel zum Schalter L1 liegt ein anhand der Fig. 1 und 2 bereits erläu­ terter Ableitwiderstand R*.

Aus der Skizze gemäß Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Verbindung des elektrischen Verbrauchers V1 mit der Spannungsversorgung U_Batt unterbrochen ist. Parallel zum Verbraucher liegt wiederum eine Feh­ lerunterscheidungsschaltung 10, die aus einem Schalter S1 und einem in dazu Reihe liegenden Wi­ derstand R1 besteht. Der Verbindungspunkt zwischen der Fehlerunterscheidungsschaltung 10 und dem elektrischen Verbraucher V1 wird auch als Ausgang A1 der Endstufen- beziehungsweise Treiberschaltung bezeichnet. An diesem Ausgang ist die dem Verbrau­ cher V1 zugeordnete Ansteuerleitung angeschlossen.

In Fig. 3 ist der Schalter L1 geöffnet, um für eine Fehlererkennung eine Spannungsmessung durch­ führen zu können.

Fig. 4 zeigt dieselbe Schaltung gemäß Fig. 3, al­ lerdings mit geschlossenem Schalter L1. Hier kann zur Fehlererkennung eine Strommessung durchgeführt werden. Gleiche Teile sind hier mit gleichen Be­ zugsziffern versehen, so daß auf eine ausführliche Beschreibung der Fig. 4 verzichtet wird.

Die Unterbrechung der Verbindung zwischen Span­ nungsversorgung und elektrischem Verbraucher V1 kann auf folgende Weise erkannt werden. Falls ein Fehler auftritt, wird der Schalter S1 der Fehler­ unterscheidungsschaltung von einer herkömmlichen Fehlererkennungsschaltung aktiviert, das heißt, ge­ schlossen. Selbstverständlich kann dieser Schalter ebenfalls als elektronischer Schalter ausgelegt sein. Auf die Ansteuerung des Schalters wird unten noch genauer eingegangen.

Durch den geschlossenen Schalter S1 wird die Unter­ brechung im Stromkreis des Verbrauchers V1, der auch als SteIler-Stromkreis bezeichnet wird, über den Widerstand R1 der Fehlerunterscheidungsschal­ tung 10 überbrückt. Durch eine Messung der Spannung zwischen dem Punkt A1 und Masse und einem Vergleich des gemessenen Spannungswerts mit einem vorgegebe­ nen Grenzwert U_S (siehe Fig. 3) beziehungsweise durch Messung des den Lastschalter L1 durchfließen­ den Stroms I und durch einen Vergleich dieses Meßwerts mit einem Grenzwert I_S kann festgestellt werden, ob der Schalter L1 intakt ist. Die fehler­ freie Funktion des Schalters wird dadurch erkannt, daß der gemessene Spannungswert größer ist als der Grenzwert U_S oder der gemessene Strom I größer ist als der Grenzwert I_S (Fig. 4).

Sobald aufgrund des Vergleiches der aktuellen Meßwerte mit den vorgegebenen Grenzwerten klarge­ stellt ist, daß der Schalter L1 intakt ist, wird die Aktivierung der Fehlerunterscheidungsschaltung 10 aufgehoben, das heißt, der Schalter S1 wird ge­ öffnet. Auf diese Weise wird lediglich dann Energie verbraucht, wenn die Meßwerte gewonnen werden und durch einen Vergleich der Meß- und Grenzwerte die Fehlerunterscheidung stattfindet. Ansonsten wird die übrige Schaltung durch die Fehlerunterschei­ dungsschaltung nicht belastet.

Anhand der Fig. 5 und 6 ergibt sich die Unter­ scheidungsmöglichkeit der Fehlersituation bei einem Kurzschluß über dem Lastschalter L1.

Der Steller-Stromkreis mit dem elektrischen Ver­ braucher V1 und dem Schalter L1 sowie die Fehlerun­ terscheidungsschaltung 10 in den Fig. 5 und 6 ist identisch mit denen in den Fig. 3 und 4. Le­ diglich entfällt die Unterbrechung der Versorgungs­ leitung des Verbrauchers V1. Statt dessen ist ein Kurzschluß über dem Schalter L1 eingezeichnet. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen ver­ sehen, so daß auf deren ausführliche Beschreibung hier verzichtet wird.

Der in Fig. 5 und 6 skizzierte Kurzschluß des Schalters L1 ist durch eine unmittelbare Verbindung des Ausgangs A1 mit Masse angedeutet.

Falls ein Kurzschluß über dem Schalter L1 vorliegt, kann durch das Betätigen des Schalters S1 der Feh­ lerunterscheidungsschaltung 10 geprüft werden, ob der Schalter L1 in Ordnung ist. Es zeigt sich, daß gemäß Fig. 5 bei einem Schließen des Schalters S1 der Spannungspegel am Ausgang A1 auf Masse bleibt. Auch ändert sich der über den Lastschalter L1 fließende Strom gemäß Fig. 6 nicht, wenn der Schalter S1 der Fehlerunterscheidungsschaltung 10 geschlossen wird.

Die gemessene Spannung beziehungsweise der erfaßte Strom werden wiederum mit Grenzwerten U_S bezie­ hungsweise I_S verglichen, wobei in beiden Fällen festgestellt wird, daß die gemessenen Werte unter­ halb der Grenzwerte liegen, woraus auf einen Kurz­ schluß des Schalters L1 geschlossen wird.

Aufgrund des verschiedenen Verhaltens der Schal­ tungen gemäß Fig. 3 und 4 beziehungsweise gemäß Fig. 5 und 6 läßt sich also durch die Aktivierung der Fehlerunterscheidungsschaltung 10 beziehungs­ weise des Schalters S1 eine Unterbrechung der Ver­ sorgungsleitung des Verbrauchers V1 von einem Kurz­ schluß des dem Verbraucher V1 zugeordneten Schal­ ters L1 unterscheiden.

Dabei ist ohne weiteres ersichtlich, daß der schal­ tungstechnische Aufwand außerordentlich gering ist und daß auch der Energieverbrauch relativ gering bleibt, weil der Schalter S1 nur solange geschlos­ sen wird, bis die Meßwerte gewonnen sind und der Vergleich der jeweiligen Meßwerte mit den zugehöri­ gen Grenzwerten abgeschlossen ist.

Fig. 7 zeigt vereinfacht eine Endstufe beziehungs­ weise einen Treiberbaustein, der hier als Low-Side- Switch-Version ausgelegt und mit drei Ausgängen A1, A2 und A3 versehen ist, die drei elektrischen Ver­ brauchern V1, V2 und V3 zugeordnet sind. Die Ver­ braucher sind auf ihrer den Ausgängen gegenüberlie­ genden Seite mit der Versorgungsspannung U_Batt ver­ bunden.

Innerhalb des Treiberbausteins 20 sind die Ansteu­ erleitungen A1, A2 und A3 über Widerstände R4, R5 und R6 jeweils mit Masse verbunden, wobei jeweils einer der Widerstände einer Ansteuerleitung zuge­ ordnet ist.

Sollten die Widerstände R4, R5, R6 nicht schon den den Treiberbaustein 20 integriert sein, so sollten sie extern vorgesehen werden. Die Widerstandswerte von R4, R5 und R6 sollten sehr viel kleiner sein als die von R1, R2 und R3 der unten erläuterten Fehlerunterscheidungsschaltungen 11, 12 und 13. Die Widerstände R4, R5 und R6 leiten den Kabelbaumab­ leitwiderstand R_A auf ein sicheres "low" Potential ab bei gesperrten Transistoren und bei Unterbre­ chung der Versorgungsleitungen zu den Verbrauchern. Als R_A wird der bei Unterbrechung der Versorgungs­ leitungen aufgrund von Verschmutzungen auftretende Ableitwiderstand bezeichnet. Er ist in den Fig. 7 und 8 gestrichelt eingezeichnet.

Der Treiberbaustein 20 wird von einer geeigneten Ansteuerschaltung, die einen Mikroprozessor 30 um­ faßt, angesteuert, der entsprechende An­ steuerleitungen E1, E2 und E3 aufweist, die den entsprechenden Schaltern der Verbraucher zugeordnet sind.

Den elektrischen Verbrauchern V1, V2, V3 sind Feh­ lerunterscheidungsschaltungen 11, 12 und 13 zuge­ ordnet, die an den zugehörigen Ausgängen A1, A2 und A3 angeschlossen und den Verbrauchern parallelge­ schaltet sind. Bei dem hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel werden die Fehlerunterscheidungs­ schaltungen von einem gemeinsamen Steuerschalter S1 angesteuert, der die Fehlerunterscheidungsschal­ tungen im aktivierten Zustand mit der Versorgungs­ spannung U_Batt verbindet. Der Steuerschalter S1 wird über eine geeignete Steuerleitung 40 von dem Mikroprozessor 30 angesteuert.

Die einzelnen Fehlerunterscheidungsschaltungen 11, 12 und 13 bestehen aus Reihenschaltungen, die je­ weils einen Widerstand R1, R2, R3 und eine Diode D1, D2 und D3 aufweisen, wobei die Kathoden der Di­ oden jeweils an den Ansteuerleitungen beziehungs­ weise Ausgängen A1, A2 und A3 liegen, so daß eine Entkopplung der Ausgänge gewährleistet ist. Zusätz­ lich ist ein Widerstand R′ vorgesehen, der einer­ seits an dem Anschluß des Schalters S1 liegt, der allen Fehlerunterscheidungsschaltungen gemeinsam ist, und andererseits an Masse liegt. Er dient dazu, bei offenem Steuerschalter S1 einen definier­ ten Pegel einzustellen, wenn alle Ausgänge A1, A2 und A3 gesperrt sind.

Der Treiberbaustein 20 überwacht die an den Aus­ gängen A1, A2 und A3 liegenden Potentiale und ver­ gleicht diese mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Er ist auch so ausgelegt, daß er die an den Aus­ gängen schließenden Ströme erfassen und mit einem vorgegebenen Grenzwert I_S vergleichen kann.

Sobald ein Fehler auftritt, also eine Unterbrechung der Versorgungsspannung der elektrischen Verbrau­ cher eintritt oder ein Kurzschluß der in der Trei­ berstufe 20 integrierten Lastschalter der Verbrau­ cher auftritt, gibt der Treiberbaustein 20 über eine Leitung UNT ein Fehlersignal an den Mikropro­ zessor 30 ab. Dieser aktiviert daraufhin den Steu­ erschalter S1, indem über die Steuerleitung 40 ein entsprechendes Signal abgegeben wird.

Nach Aktivierung der Fehlerunterscheidungsschal­ tungen wird die Spannung an den Ausgängen A1 bis A3 gemessen und mit dem Grenzwert U_S verglichen. Wenn die gemessenen Werte größer als Grenzwerte sind, so ergibt die anhand der Fig. 3 und 4 erläuterte Fehlerdiagnose, daß eine Unterbrechung der Strom­ kreise der Verbraucher vorliegt.

Sofern die gemessenen Spannungs- beziehungsweise Stromwerte an den Anschlüssen A1 bis A3 niedriger sind als die Grenzwerte U_S beziehungsweise I_S, so kann auf einen Kurzschluß der den Verbrauchern zu­ geordneten Lastschalter in der Treiberstufe 20 ge­ schlossen werden. Dies ergibt sich aus den Erläute­ rungen zu den Fig. 5 und 6.

Sobald also ein Fehler bei den Verbrauchern festge­ stellt wird, kann aufgrund der Aktivierung des Steuerschalters S1 und der anschließend erfolgenden Spannungs- beziehungsweise Strommessung zwischen den Fehlern "Unterbrechung" und "Kurzschluß" diffe­ renziert werden.

Der schließlich diagnostizierte Fehler wird von dem Treiberbaustein 20 über die erwähnte Leitung UNT beziehungsweise über eine Leitung KS, die von dem Treiberbaustein 20 zum Mikroprozessor 30 führt, an­ gezeigt, wobei eine Unterbrechung durch ein Signal auf der Leitung UNT und ein Kurzschluß über einem oder mehreren Lastschaltern über die Leitung KS an­ gezeigt wird. Auf ihre ausführliche Beschreibung wird hier verzichtet.

Fig. 8 zeigt eine gegenüber Fig. 7 modifizierte Schaltung mit einem Treiberbaustein 20′, der als High-Side-Switch wirkt. Im übrigen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 7 versehen.

Von dem mit der Versorgungsspannung U_Batt verbun­ denen Treiberbaustein 20′ werden über Ansteuerlei­ tungen beziehungsweise Ausgänge A1, A2 und A3 drei zugehörige elektrische Verbraucher V1, V2, V3 ange­ steuert, denen jeweils Fehlerunterscheidungsschal­ tungen 11, 12 und 13 zugeordnet sind. Diese beste­ hen wiederum aus Reihenschaltungen eines Wider­ stands (R1, R2, R3) und einer Diode (D1, D2, D3), deren Anode dem jeweiligen Ausgang zugewandt ist. Die den Dioden gegenüberliegenden Anschlüsse der Widerstände sind über einen gemeinsamen Schalter S1, der wiederum als Steuerschalter dient, mit Masse verbunden. Auch hier dienen die Dioden der Entkopplung der Ausgänge.

Der Treiberbaustein 20′ enthält den Ausgängen A1 bis A3 zugeordnete Lastschalter, die mit der Ver­ sorgungsspannung U_Batt verbunden sind. Zusätzlich ist der Ausgang A1 über einen Widerstand R4, der Ausgang A2 über einen Widerstand R5 und der Ausgang A3 über einen Widerstand R6 mit der Versorgungs­ spannung U_Batt verbunden. Für die Widerstände R4, R5 und R6 gelten auch hier die anhand von Fig. 7 dargelegten Erläuterungen.

Die Ansteuerung der Lastschalter erfolgt über Ein­ gangsleitungen E1, E2 und E3, die von einem Mikro­ prozessor 30 ausgehen. Dieser weist außerdem eine Steuerleitung 40 auf, die den Schalter S1 akti­ viert. Als Schalter kann auch hier ein elektroni­ scher Schalter, beispielsweise ein Transistor ver­ wendet werden.

Die Schaltung gemäß Fig. 8 ist gegenüber der in Fig. 7 dargestellten vereinfacht. Sie weist, wie bei High-Side-Switches häufig üblich, lediglich eine einzige Leitung auf, die der Fehlererkennung dient und hier mit St gekennzeichnet ist und den Status der angesteuerten elektrischen Verbraucher anzeigt.

Über den mit der Leitung St verbundenen Statusaus­ gang des Treiberbausteins 20′ wird bei eingeschal­ teter Endstufe, also bei aktivierten Lastschaltern der elektrischen Verbraucher, ein Fehlersignal ab­ gegeben, wenn ein Kurzschluß der Lastschalter vor­ liegt.

Bei abgeschalteter Endstufe, also bei inaktivierten Lastschaltern der Verbraucher V1 bis V3 gibt der Statusausgang über die Leitung St ebenfalls ein Fehlersignal an den Mikroprozessor 30 ab, wenn ent­ weder eine Unterbrechung der Versorgungsleitungen der elektrischen Verbraucher oder ein Kurzschluß der zugehörigen Lastschalter vorliegt. Insofern ist also keine Unterscheidung des Fehlerzustands mög­ lich.

Daher wird bei Auftreten eines Signals auf der Lei­ tung St von den Mikroprozessor ein Aktivierungs­ signal über die Steuerleitung 40 abgegeben, durch welches der Steuerschalter S1 geschlossen wird. Dann werden die Potentiale an den Ausgängen A1, A2 und A3 gemessen und mit Grenzwerten U_S verglichen oder die an den Ausgängen fließenden Ströme erfaßt und ebenfalls mit Grenzwerten I_S verglichen. Wenn das Fehlersignal am Statusausgang des Treiberbau­ steins 20′ durch Betätigen des Schalters S1 nicht zurückgenommen wird, so liegt - entsprechend der Ausführungen zu den Fig. 5 und 6 - als Fehler ein Kurzschluß über dem Lastschalter vor.

Das Funktionsprinzip der Fehlererkennung, welches anhand der Fig. 3 bis 6 dargelegt wurde, wird also nicht nur hier in Fig. 8 sondern auch in Fig. 7 realisiert.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel ei­ ner Funktionsüberwachungsschaltung, bei der ein elektrischer Verbraucher V1 mit einem High-Side- Switch verbunden ist. Dieser ist hier in einem Treiberbaustein 20′′ integriert, der einen dem Ver­ braucher V1 zugeordneten Ausgang A1 aufweist. Der Treiberbaustein ist mit der Spannungsversorgung U_Batt verbunden. Auch hier ist ein Ableitwiderstand R* vorgesehen, wie er schon anhand der Fig. 1 und 2 erläutert wurde.

Die Ansteuerung des Treiberbausteins 20′′ erfolgt über die Leitung E1 eines Mikroprozessors 30. Pa­ rallel zu dem Verbraucher V1, der einerseits mit der Ansteuerleitung beziehungsweise dem Ausgang A1 und andererseits mit Masse verbunden ist, liegt eine Fehlerunterscheidungsschaltung 10, die hier aus einer Reihenschaltung eines Widerstands R1 und eines Schalters S1 gebildet wird, der an Masse liegt und über eine Steuerleitung 40 von dem Mikro­ prozessor 30 ansteuerbar ist. Bei dem hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel mit einem einzigen elektrischen Verbraucher V1 kann auf die bei­ spielsweise in den Fig. 7 und 8 gezeigte Diode der Fehlerunterscheidungsschaltung verzichtet wer­ den. Der Treiberbaustein 20′′ ist, wie bei der Schaltung gemäß Fig. 8, über eine Statusleitung St mit dem Mikroprozessor 30 verbunden und gibt über diese Leitung ein Fehlersignal ab, wenn bei einge­ schalteter Endstufe ein Kurzschluß über dem Last­ schalter des Verbrauchers auftritt. Bei abgeschal­ teter Endstufe wird über diese Leitung ein Signal sowohl bei Unterbrechung der Versorgungsleitungen des Verbrauchers als auch bei Kurzschluß über dem Lastschalter ein Signal abgegeben.

Zur Fehlerunterscheidung kann grundsätzlich das an­ hand von Fig. 8 erläuterte Verfahren der Strommes­ sung und des Vergleichs des Meßwerts mit einer Stromschwelle I_S erfolgen. Bei einer derartigen Un­ terstromerkennung müssen je nach Ausführungsart des High-Side-Schalters relativ hohe Unterlastschwellen eingesetzt werden, so daß für die Fehlerunterschei­ dung ein entsprechend hoher Strom bis zu mehreren 100 mA fließen muß. In einem solchen Fall ist es unwirtschaftlich, über den in Fig. 8 gezeigten zu­ sätzlichen Widerstand R′ einen Strom fließen zu lassen, der größer ist als der der Un­ terlastschwelle. Es ist daher vorgesehen, den Wi­ derstand R1 der Fehlerunterscheidungsschaltung 10 so zu dimensionieren, daß an dem Ausgang A1 ein si­ cherer low-Pegel erreicht wird, sobald der Schalter S1 aktiviert ist. Das Potential am Ausgang A1 wird nach Aktivierung des Schalters S1 über die Leitung 40 über einen zusätzlichen Ausgang des Mikroprozes­ sors 30 mit der Bezeichnung HSS, der über eine Lei­ tung mit dem Ausgang A1 verbunden ist, abgefragt.

Wenn also bei einem Fehlerfall "Unterbrechung" oder "Kurzschluß" ein Fehlersignal auf der Leitung St anliegt, während die Endstufe abgeschaltet ist, ak­ tiviert der Mikroprozessor 30 über die Leitung 40 den Schalter S1 und damit die Fehlerunterschei­ dungsschaltung 10. Dann wird über die Leitung HSS das Potential am Ausgang A1 abgefragt. Eine Fehlerunterscheidung ist dann nach dem anhand von Fig. 5 und 6 erläuterten Verfahren möglich. Wenn nämlich ein Kurzschluß über dem Lastschalter vorliegt, kann durch das Betätigen des Schalters S1 keine Potentialänderung am Ausgang A1 hervorgerufen werden, das heißt, es läßt sich keine intakte Ausgangsbedingung herstellen, da der Ausgang A1 auf dem Potential der Versorgungsspannung bleibt.

Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, daß die Fehlerunterscheidung aufgrund einer einfachen Zu­ satzschaltung, nämlich der Fehlerunterscheidungs­ schaltung sowohl bei Mehrfach-Treiberbausteinen als auch bei Einzelendstufen möglich ist. Eine Unter­ brechung der Versorgungsleitungen der überwachten elektrischen Verbraucher ist von einem Kurzschluß der die Verbraucher ansteuernden Schalter sicher unterscheidbar.

Das hier dargestellte Verfahren der Funktionsüber­ wachung zeichnet sich dadurch aus, daß die Aktivie­ rung der Fehlerunterscheidungsschaltung nur während eines Meß- und Vergleichsvorgangs aktiviert wird, also nur dann, wenn an dem Ausgang des überwachen­ den elektrischen Verbrauchers die Spannung oder der Strom gemessen und mit einem Grenz- beziehungsweise Schwellenwert U_S beziehungsweise I_S verglichen wird. Auf diese Weise wird nur während der kurzen Einschaltzeit des Schalters S1 der Feh­ lerunterscheidungsschaltung ein zusätzlicher Strom benötigt.

Sobald eine Zusatzüberwachungsschaltung in eine be­ stehende Schaltung aufgenommen wurde, ist für jeden zusätzlich zu überwachenden Ausgang beziehungsweise elektrischen Verbraucher lediglich ein weiterer Wi­ derstand und eine weitere Diode erforderlich, was sich ohne weiteres aus den Fig. 7 und 8 ergibt.

Insgesamt ist erkennbar, daß nicht nur die Fehler­ unterscheidungsschaltung einfach aufgebaut ist, sondern daß auch der Schaltungsaufwand bezüglich der bestehenden Schaltung gering ist: Es bedarf nur einer zusätzlichen Steuerleitung 40, die den der Fehlerüberwachungsschaltung zugeordneten Schalter S1 aktiviert.

Der in den Figuren dargestellte Mikroprozessor 30 dient sowohl der Ansteuerung des Treiberbausteins und damit der elektrischen Verbraucher als auch der Auswertung der Fehlersignale des Treiberbausteins und damit als Fehlererkennungsschaltung. Für das Verfahren der Funktionsüberwachung beziehungsweise die Funktion der beschriebenen Schaltungen ist es allerdings belanglos, ob die Potentiale beziehungs­ weise Ströme an den den Verbrauchern zugeordneten Ausgängen von dem Treiberbaustein 20 oder dem zuge­ hörigen Mikroprozessor 30 gemessen und mit den Grenzwerten verglichen werden. Es ist also irrele­ vant, ob der Treiberbaustein selbst oder der zuge­ hörige Mikroprozessor als Fehlererkennungsschaltung eingesetzt wird.

Aus der Beschreibung der Funktion der Vorrichtung zur Funktionsüberwachung beziehungsweise des Funktionsüberwachungsverfahrens wird deutlich, daß nach Auftreten eines Fehlersignals die Abfrage be­ ziehungsweise Aktivierung der Fehlerunterschei­ dungsschaltung zu einem beliebigen Zeitpunkt erfol­ gen kann, so daß die übrige Schaltung, insbesondere die dem Verbraucher zugeordnete Ansteuerschaltung durch die Fehlerabfrage nur sehr wenig beeinträch­ tigt wird. Dabei ist die Fehlerunterscheidung sehr sicher und störfest.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines elek­ trischen Verbrauchers, der über einen in einer An­ steuerleitung liegenden Schalter ansteuerbar ist, mit einer Fehlererkennungsschaltung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - eine Fehlerunterscheidungsschaltung (10; 11, 12, 13) vorgesehen ist, die dem elektrischen Verbraucher (V1, V2, V3) zugeordnet ist,
• - daß die Fehlerunterscheidungsschaltung von der Fehlererkennungsschaltung (30) ansteuerbar ist, und
• - daß das Potential an der Ansteuerleitung (A1, A2, A3) und/oder der durch die Ansteuerleitung fließende Strom von der Fehlererkennungsschaltung nach Aktivierung der Fehlerunterscheidungsschaltung erfaßbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fehlerunterscheidungsschaltung (10; 11, 12, 13) zu dem zu überwachenden Verbraucher (V1, V2, V3) parallelgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fehlerunterscheidungsschal­ tung (10) eine Reihenschaltung aus einem von der Fehlererkennungsschaltung (30) ansteuerbaren Schal­ ter (S1) und einem Widerstand (R1) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerüberwachungs­ schaltung eine Zusatzbeschaltung (R*) zugeordnet ist, die bei Unterbrechung der Zuleitung zum elek­ trischen Verbraucher (V1, V2, V3) ein der Fehlerer­ kennung dienendes definiertes Potential einstellt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überwachung mehrerer elektrischer Verbraucher (V1, V2, V3) meh­ rere Fehlerunterscheidungsschaltungen (11, 12, 13) vorgesehen sind, und daß diese jeweils einem Ver­ braucher zugeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fehlerunterscheidungsschaltung (10; 11, 12, 13) zur Überwachung mehrerer Verbraucher (V1, V2, V3) zusätzlich eine der Entkopplung der Ver­ braucher dienende Diode (D1, D2, D3) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerun­ terscheidungsschaltung (11, 12, 13) zwischen der An­ steuerleitung (A1, A2, A3) des zugehörigen elektri­ schen Verbrauchers (V1, V2, V3) und Masse liegt, und daß die Bauteile der Fehlerunterscheidungsschaltung so dimensioniert sind, daß bei einer Aktivierung der Fehlerunterscheidungschaltung auf der Ansteuer­ leitung (6) des zugehörigen elektrischen Verbrauchers ein definierter Pegel, vorzugsweise ein Low-Pegel einstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerunterschei­ dungsschaltung (11, 12, 13) zwischen der Ansteuerlei­ tung (A1, A2, A3) des zugehörigen elektrischen Ver­ brauchers (V1, V2, V3) und der Versorgungsspannung (U_Batt) liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehreren Fehlerunterscheidungsschal­ tungen (11, 12, 13) ein gemeinsamer der Ansteuerung der Fehlerunterscheidungsschaltungen dienender Schalter (S1) zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehreren Fehlerunterscheidungs­ schaltungen (11, 12, 13) zur Einstellung eines vorbe­ stimmten Potentials eine Zusatzbeschaltung (R′) zu­ geordnet ist.

11. Verfahren zur Fehlerüberwachung eines elektri­ schen Verbrauchers, der über einen in einer An­ steuerleitung liegenden Schalter ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Fehlers des elektrischen Verbrauchers zur Unterscheidung der möglichen Fehlerzustände eine Fehlerunterschei­ dungsschaltung aktiviert wird, und daß dann die an der Ansteuerleitung des elektrischen Verbrauchers liegende Spannung und/oder der durch diesen fließende Strom erfaßt und mit vorgegebenen Grenz­ werten verglichen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Aktivierung der Fehlerunterschei­ dungsschaltung zeitlich begrenzt ist auf den Zeit­ raum der Erfassung der Spannung oder des Stroms.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Strom- und Spannungsmessung in Abhängigkeit von den Schaltzuständen des elektri­ schen Verbrauchers durchgeführt werden.