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Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltventile sowie Sensorbaugruppen oder Aktorbaugruppen für Schaltventile, mit denen insbesondere Kraftstoff in den Brennraum eines Motors dosiert werden kann.
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Stand der Technik
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Ein Injektor für einen Motorkraftstoff umfasst typischerweise mindestens einen Aktor, der bei Beaufschlagung mit einem Strom, und/oder mit einer Spannung, eine Kraft auf ein Ventilelement des Injektors auszuüben vermag. Durch diese Kraft wird das Ventilelement bewegt und in der Folge der Injektor geöffnet bzw. geschlossen.
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Die Entwicklung der Injektoren geht zum einen dahin, dass neben den bekannten magnetischen Aktoren neuartige Aktorkonzepte, wie etwa piezoelektrische Aktoren, zum Einsatz kommen. Zum anderen werden zunehmend Sensoren in Injektoren integriert, um die korrekte Funktion zu überwachen und im Endeffekt das Zeitprogramm, mit dem der Motorkraftstoff eindosiert wird, mit noch höherer Präzision einzuhalten. Injektoren mit Sensoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2007 008 617 A1 , aus der
DE 10 2009 002 895 A1 und aus der
EP 1 321 660 B1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde eine Anordnung aus einem elektrischen Bauelement für ein Schaltventil, welches insbesondere für Motorkraftstoff geeignet ist, und einem das Bauelement aufnehmendes Gehäuse entwickelt.
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Das Schaltventil kann insbesondere darüber entscheiden, wieviel Kraftstoff dem Brennraum zugeführt wird. Ein solches Schaltventil kann den Kraftstoff beispielsweise in ein Saugrohr eindosieren, wo er mit Verbrennungsluft gemischt wird. Aus dem Saugrohr kann der Kraftstoff anschließend über ein weiteres Ventil in den Brennraum des Motors eindosiert werden. Das Schaltventil kann aber auch beispielsweise ein Injektor sein, der den Kraftstoff beispielsweise unmittelbar in den Brennraum des Motors eindosieren kann.
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Das Bauelement ist über zur Außenseite des Gehäuses geführte Kontakte mit mindestens einem Steuergerät verbindbar.
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Das Bauelement kann beispielsweise vorteilhaft als Aktor ausgebildet sein, der bei Beaufschlagung mit einem Strom, und/oder mit einer Spannung, eine Kraft auf ein Ventilelement des Schaltventils auszuüben vermag zwecks Öffnen und/oder Schließen des Schaltventils. Alternativ oder in Kombination kann das Bauelement auch vorteilhaft als Sensor zur Erfassung mindestens einer physikalischen Messgröße ausgebildet sein.
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Das Schaltventil muss nicht zwingend einen Aktor haben. Das Schaltventil kann beispielsweise auch ein Ventil sein, das allein abhängig vom Druck des zugeführten Mediums, beispielsweise Motorkraftstoff, öffnet oder schließt.
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Erfindungsgemäß sind zwei Kontakte über einen mit dem Bauelement parallel geschalteten Spannungsbegrenzer verbunden, wobei der Spannungsbegrenzer seinen elektrischen Widerstand sprunghaft vermindert, wenn die über ihm abfallende Spannung U einen vorgegebenen Schwellwert Us überschreitet. Alternativ oder auch in Kombination hierzu ist auf dem Strompfad zwischen zwei Kontakten ein Strombegrenzer mit dem Bauelement in Reihe geschaltet.
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Es wurde erkannt, dass die Entwicklung speziell bei den Aktoren und bei den Sensoren zu immer leistungsfähigeren und mit immer mehr Funktionalität ausgestatteten Komponenten geht. Insbesondere wird in Sensoren zunehmend mehr Mikroelektronik integriert. Auf der anderen Seite hat eine räumlich immer dichtere Integration von Funktionalität zur Folge, dass die Bauelemente empfindlicher gegen zu hohe Spannungen und Ströme werden. Beispielsweise sind mikroelektronische Bauelemente anfällig gegen elektrostatische Entladungen oder gegen Fehlbeschaltungen, wie etwa beim Verpolen oder beim Vertauschen der Anschlüsse für Aktor und Sensor. Um Beschädigungen durch elektrostatische Entladungen zu vermeiden, muss beispielsweise für die Aktorbaugruppe, die Sensorbaugruppe bzw. das Schaltventil als Ganzes, das bislang kein hierfür anfälliges Teil war, ein ESD-Handling neu eingeführt werden mit entsprechend erhöhten Kosten. Insoweit ist die Spannungsbegrenzung wichtiger als die Strombegrenzung, da eine erhöhte Spannung auch dann zu einem schädigenden Durchschlag innerhalb eines mikroelektronischen Bauelements zu führen vermag, wenn nur ein geringer Strom fließt.
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Dieses ESD-Handling ist gemäß der Erfindung nicht mehr nötig. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Aktorbaugruppe oder Sensorbaugruppe, die im Ganzen in ein Schaltventil montierbar ist, eine Anordnung gemäß der Erfindung umfassen. Die Aktorbaugruppe, bzw. die Sensorbaugruppe, kann insbesondere vorteilhaft als Anordnung gemäß der Erfindung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Sensorbaugruppe, und/ oder die Aktorbaugruppe, unabhängig von den restlichen Komponenten des Schaltventils in einem eigenen Gehäuse angeordnet sein, das dem Schaltventil hinzugefügt wird. Es können also ein Gehäuse für die Sensorbaugruppe, ein Gehäuse für die Aktorbaugruppe oder sowohl ein Gehäuse für die Sensorbaugruppe als auch ein Gehäuse für die Aktorbaugruppe vorhanden sein. Die Sensorbaugruppe und die Aktorbaugruppe können auch eine gemeinsame Baugruppe bilden und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
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Das Gehäuse, in dem das Bauelement angeordnet ist, muss aber auch nicht zwingend ein separates Gehäuse der Sensorbaugruppe, und/oder der Aktorbaugruppe, sein. Auch das Gehäuse des Schaltventils als Ganzes erfüllt im Kontext der Erfindung die Funktion, dass das Bauelement vor unmittelbarem Zugriff sicher ist und nur über die von dem Spannungsbegrenzer, und/oder von dem Strombegrenzer, geschützten Kontakte elektrisch zugänglich ist. Beispielsweise kann das Bauelement in einer Aussparung in dem Gehäuse des Schaltventils angeordnet sein. Das Schaltventil kann also beispielsweise wahlweise eine Anordnung gemäß der Erfindung oder eine Aktorbaugruppe oder Sensorbaugruppe mit dieser Anordnung enthalten.
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Die Maßnahmen gemäß der Erfindung schützen die Anordnung, bzw. eine Aktorbaugruppe, eine Sensorbaugruppe oder ein Schaltventil mit dieser Anordnung, aber nicht nur beim Handling, sondern auch bei Reparatur-, Wartungs- und Prüfarbeiten an der Einrichtung, in der das Schaltventil verbaut ist. Während beispielsweise die Anschlüsse des Schaltventils und der daran anzuschließenden Ansteuerelektronik so kodiert werden können, dass bei der normalen Montage des Schaltventils im Fahrzeug Vertauschungen von Anschlüssen unterbunden werden, kommen bei der Wartung Werkzeuge mit universellen Anschlüssen zum Einsatz, mit denen die Kodierung umgangen werden kann. Generell wird die Anordnung, bzw. eine Aktorbaugruppe, eine Sensorbaugruppe oder ein Schaltventil mit dieser Anordnung, robuster gegen elektrische Einflüsse von außen.
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Wichtig ist insbesondere bei einem als Sensor ausgebildeten Bauelement, dass der Spannungsbegrenzer seinen Widerstand sprunghaft, also diskontinuierlich, ändert, wenn die über ihm abfallende Spannung den Schwellwert überschreitet. Typische Sensoren haben nur eine geringe Eigenkapazität. Wird der Sensor ständig mit einem Widerstand überbrückt, der so gering ist, dass die zu erwartenden Überspannungen den Sensor nicht mehr schädigen können, so wird das Messsignal des Sensors ständig verfälscht. Indem der Spannungsbegrenzer seinen Widerstand sprunghaft ändert, kann sein Widerstand im Normalfall so hochohmig sein, dass das Messsignal nicht signifikant beeinflusst wird, während er zugleich bei Überspannung so niederohmig werden kann, dass die Überspannung zuverlässig an dem Sensor vorbei geleitet wird. Der genaue Betrag der Widerstandsänderung ist dabei zweitrangig und richtet sich unter anderem nach der Empfindlichkeit des Sensors und der zu erwartenden Überspannung.
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Der Sensor kann ein gemeinsames Bezugspotential mit einem Aktor des Schaltventils haben, oder er kann galvanisch von dem Aktor getrennt sein. Insbesondere in letzterem Fall ist der Sensor ohne die Schutzmaßnahmen gemäß der Erfindung besonders empfindlich gegenüber Überspannungen, da keine Ladungen von der Kapazität des Aktors aufgefangen werden können.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannungsbegrenzer selbstrücksetzend, d.h., er nimmt seinen ursprünglichen elektrischen Widerstand wieder an, wenn die erhöhte Spannung, die den Anlass für die Verminderung des Widerstands gegeben hat, nicht mehr anliegt. Auf diese Weise ist kein Eingriff erforderlich, um nach dem Abfangen einer erhöhten Spannung die Betriebsbereitschaft wieder herzustellen.
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Der Spannungsbegrenzer kann beispielsweise vorteilhaft eine Diode, eine Z-Diode, einen Varistor, eine Suppressordiode, eine TVS-Diode und/oder einen Gasableiter umfassen. Er ist dann insbesondere dazu geeignet, ein als kapazitiver Aktor bzw. Sensor ausgebildetes Bauelement zu schützen. Dioden sind darüber hinaus auch geeignet, eine Falschpolung auszuschließen.
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Der Spannungsbegrenzer kann zugleich auch den Strom durch das Bauelement beschränken, denn dieser Strom ist über den Innenwiderstand des Bauelements mit der über ihm abfallenden Spannung verknüpft. Alternativ oder in Kombination hierzu kann jedoch auch ein separater Strombegrenzer vorgesehen sein, der den Stromkreis öffnet, wenn der durch ihn fließende Strom einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Ein derartiger Strombegrenzer kann im einfachsten Fall eine Schmelzsicherung sein. Deren Austausch in einer Werkstatt verursacht zwar Kosten, jedoch deutlich weniger als ein Komplettaustausch eines Injektors. Bereits ein PKW-Injektor für einen Dieselmotor kostet ab etwa 600 € aufwärts.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Strombegrenzer eine selbstrückstellende Sicherung. Eine solche Sicherung kann beispielsweise einen PTC-Widerstand umfassen, der mit steigendem Strom sprunghaft hochohmiger wird. Wenn der Strom abnimmt und der PTC-Widerstand wieder abkühlt, nimmt er seinen ursprünglichen Widerstand wieder an.
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Die Feststellung des erhöhten Stroms auf dem Umweg über die Temperaturerhöhung ist in jedem Fall langsamer als die direkte elektrische Feststellung einer erhöhten Spannung durch den Spannungsbegrenzer. Reicht die Reaktionsgeschwindigkeit des Strombegrenzers alleine nicht aus, kann er daher vorteilhaft durch einen Spannungsbegrenzer ergänzt oder ersetzt werden.
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Der Strombegrenzer muss nicht zwangsläufig den Absolutwert des Stroms begrenzen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung begrenzt der Strombegrenzer die Stromanstiegsgeschwindigkeit. Ist der Anlass für den erhöhten Strom ein Kontakt mit einer erhöhten Spannung, hinter der jedoch nur eine begrenzte Ladungsmenge steht, so wird auf diese Weise das Entstehen einer zu hohen Stromspitze zumindest so lange hinausgezögert, bis die Ladung verbraucht ist. Gerade elektrostatische Entladungen erzeugen hohe Spannungen, die jedoch nur eine sehr kleine Ladungsmenge treiben.
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Vorteilhaft befindet sich der Spannungsbegrenzer, und/oder der Strombegrenzer, innerhalb des Gehäuses der Anordnung, welches insbesondere gleichzeitig das Gehäuse der Sensorbaugruppe, der Aktorbaugruppe bzw. des Schaltventils als Ganzes sein kann. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Bauelement ausschließlich über die zur Außenseite des Gehäuses geführten Kontakte zugänglich ist, die durch den Spannungsbegrenzer, und/oder durch den Strombegrenzer, geschützt sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 Schaltventil 1 mit Sensorbaugruppe 5, in der der Sensor 22 mit Spannungsbegrenzer 25 und Strombegrenzer 26 geschützt ist, wobei Aktorbaugruppe 2 und Sensorbaugruppe 5 in einem gemeinsamen Gehäuse 22=52 untergebracht sind;
- 2 Schaltventil 1 mit Aktorbaugruppe 2 im Gehäuse 11 des Schaltventils 1 und Sensorbaugruppe 5 in separatem Gehäuse 52;
- 3 Schaltventil 1 mit Sensorbaugruppe 5 in Aussparung 11a des Gehäuses 11 des Schaltventils 1;
- 4 Schaltventil 1, das ohne Aktor 21 durch den Druck des Motorkraftstoffs 4 öffnet;
- 5 Zeitverlauf der über dem geschützten Sensor 22 abfallenden Spannung U(t) bei einer kurzzeitigen Überspannung (Kurve A) und bei einer länger anhaltenden Überspannung (Kurve B); zum Vergleich möglicher Spannungsverlauf bei ungeschütztem Sensor 22 (Kurve C).
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Nach 1 umfasst das in Schnittzeichnung schematisch gezeichnete, als Injektor ausgebildete Schaltventil 1 ein Gehäuse 11 mit einer Düsenöffnung 12. Die Düsenöffnung 12 wird von einer Düsennadel 13 mit einer in 1 übertrieben groß eingezeichneten Nadelspitze 14 verschlossen. Hierzu wird die Nadelspitze 14 im Ruhezustand des Schaltventils 1 durch die schließend wirkenden Druckfedern 16 in Richtung der Düsenöffnung 12 gedrückt. Der Motorkraftstoff 4 wird dem Schaltventil 1 über den Einlass 17 zugeführt.
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Die Düsennadel 13 ist mit einem ferromagnetischen Anker 15 gekoppelt, der von der als Magnetbaugruppe ausgebildeten Aktorbaugruppe 2 betätigbar ist. Die Aktorbaugruppe 2 umfasst einen Elektromagneten 21. Wenn der Elektromagnet 21 bestromt wird, wird der Anker 15 angezogen und die Nadelspitze 14 von der Düsenöffnung 12 abgehoben, so dass das Schaltventil 1 geöffnet wird und Motorkraftstoff 4 aus der Düsenöffnung 12 austreten kann. Weiterhin ist eine Sensorbaugruppe 5 vorgesehen, die beispielhaft einen Temperatursensor 51 umfasst.
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Die Sensorbaugruppe 5 und die Aktorbaugruppe 2 bilden gemeinsam eine Einheit, die in einem gemeinsamen Gehäuse 22, 52 angeordnet ist. Der Elektromagnet 21 und der Temperatursensor 51 befinden sich also im gleichen Gehäuse 22, 52.
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Der Temperatursensor 51 ist ein Halbleiterbauelement und daher deutlich empfindlicher gegen Überspannungen und Überströme als der Elektromagnet 21. Daher ist zwischen die Kontakte 24a und 24b, die den Temperatursensor 22 mit der Außenseite des Gehäuses 22, 52 verbinden, ein parallel zum Temperatursensor 51 geschalteter Spannungsbegrenzer 25 geschaltet, d.h., die Kontakte 24a und 24b sind über den Spannungsbegrenzer 25 verbunden. Übersteigt die über dem Temperatursensor 22 abfallende Spannung U den Schwellwert Us, vermindert sich der Widerstand des Spannungsbegrenzers 25 sprunghaft. Die Überspannung wird somit kurzgeschlossen und vom Temperatursensor 51 ferngehalten.
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Weiterhin ist in den Strompfad zwischen den Kontakten 24a und 24b auch ein Strombegrenzer 26 geschaltet. Übersteigt der in dem Stromkreis zwischen den Kontakten 24a und 24b fließende Strom I den Schwellwert IS, wird der Stromkreis durch den Strombegrenzer 26 geöffnet, d.h. unterbrochen.
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Der Elektromagnet 21 ist über die Kontakte 24c und 24d mit der Außenseite des Gehäuses 22, 52 verbunden. Da der Elektromagnet 21 vergleichsweise unempfindlich ist, ist er in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht durch einen Spannungsbegrenzer 25 oder einen Strombegrenzer 26 geschützt.
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Der Temperatursensor 51 wird durch eine Auswerteelektronik 31 ausgelesen. Der Elektromagnet 21 wird durch eine Treiberschaltung 32 angesteuert. Der Massekontakt 24b des Temperatursensors 51 ist mit dem Massekontakt 24c des Elektromagneten 21 verbunden. Somit haben der Elektromagnet 21 und der Temperatursensor 51 ein gemeinsames Bezugspotential.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schaltventils 1. Im Unterschied zu 1 ist hier die Sensorbaugruppe 5 nicht mit der Aktorbaugruppe 2 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Stattdessen ist die Aktorbaugruppe 2 mit dem Elektromagneten 21 innerhalb des Gehäuses 11 des Schaltventils 1 angeordnet, während die Sensorbaugruppe 5 in einem eigenen Gehäuse 52 untergebracht ist, das außen am Gehäuse 11 des Schaltventils 1 befestigt ist. Das Gehäuse 52 der Sensorbaugruppe 5 ist zum Gehäuse 11 des Schaltventils 1 hin offen, damit der Temperatursensor 51 die Temperatur T des Gehäuses 11 des Schaltventils 1 unmittelbar messen kann.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schaltventils 1. Im Unterschied zu 2 ist hier die Sensorbaugruppe 5 nicht in einem separaten Gehäuse 52 angeordnet, sondern in einer Aussparung 11a des Gehäuses 11 des Schaltventils 1.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schaltventils 1. Der Aufbau ist an das in 2 gezeigte Schaltventil 1 angelehnt mit dem Unterschied, dass kein Aktor 21 und dementsprechend keine Aktorbaugruppe 2 vorhanden ist. Stattdessen ist die Düsennadel 13 des Schaltventils 1 an einen Teller 19 gekoppelt, der über eine flexible, umlaufende Membran 18 dichtend mit dem Gehäuse 11 des Schaltventils 1 verbunden ist. Motorkraftstoff 4 wird aus einem Reservoir über das entfernte Magnetventil 42 und die Leitung 43 zugeführt und drückt die Wirkfläche 19a des Tellers 19 aufwärts. Ist diese durch den Druck des Motorkraftstoffs 4 ausgeübte Kraft größer als die schließend wirkende Kraft der Druckfedern 16, hebt sich die Spitze 12 der Düsennadel 13 vom Gehäuse 11 des Schaltventils 1 ab, und das Schaltventil 1 öffnet.
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5 verdeutlicht die Schutzwirkung des Spannungsbegrenzers 25 auf den Temperatursensor 51. Aufgetragen ist der Verlauf U(t) der über dem Temperatursensor 51 abfallenden Spannung U in Abhängigkeit der Zeit t für verschiedene angenommene Störungen. Weiterhin ist auch das Spannungsniveau UD eingezeichnet, ab dem eine Beschädigung des Temperatursensors 51 droht. Die Schwellspannung US des Spannungsbegrenzers 25 ist so gewählt, dass sie mit etwas Sicherheitsabstand unterhalb von UD liegt.
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Kurve A zeigt den Verlauf U(t) der Spannung U am Temperatursensor 51 bei einer beispielhaften elektrostatischen Entladung. Die Spannung U steigt steil an, bis die Schwellspannung US des Spannungsbegrenzers 25 erreicht ist. Der Spannungsbegrenzer 25 wird schnell niederohmig und schließt die Spannung U kurz, so dass sie sofort zu sinken beginnt, und zwar fast so schnell wie sie zuvor angestiegen ist. Wenn zum Zeitpunkt t1 ein Großteil der eingebrachten Ladung abgeflossen und die Spannung U deutlich gesunken ist, wird der Spannungsbegrenzer 25 mit einer gewissen Schalthysterese wieder hochohmig. Der Abfluss der Ladung wird dann deutlich verlangsamt. Etwa zum Zeitpunkt t2 neigt sich dann die Ladung dem Ende zu, und die Spannung U fällt vergleichsweise schnell auf null zurück.
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Kurve B zeigt den Verlauf U(t) der Spannung U am Temperatursensor 51 bei einer beispielhaften Falschbeschaltung durch Anschluss des Temperatursensors 51 an den Bestromungsanschluss für den Elektromagneten 21 an der Treiberschaltung 32. Die Spannung U steigt schnell an, wird aber auf dem Niveau Us abgefangen. Im Unterschied zur elektrostatischen Entladung liefert hier die Spannungsquelle beständig neue Ladung nach, so dass die Spannung U auf dem Niveau US gehalten wird. Zum Zeitpunkt t3 wird die Treiberschaltung 32 abgeschaltet. Dies macht sich jedoch erst ab dem Zeitpunkt t4 bemerkbar, wenn so viel Ladung aus dem Stromkreis abgeflossen ist, dass die Spannung U unter das Niveau US und schließlich bis auf null absinkt. Im Unterschied zu Kurve A fällt die Spannung U auf Grund der deutlich größeren gespeicherten Ladungsmenge deutlich langsamer ab, und dieser Anstieg wird durch das Zurücksetzen des Spannungsbegrenzers 25 in den hochohmigen Zustand nicht weiter verlangsamt.
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Kurve C zeigt zum Vergleich den Verlauf U(t) der Spannung U am Temperatursensor 51 für die gleiche Falschbeschaltung für den Fall, dass der Temperatursensor 51 nicht durch einen Spannungsbegrenzer 25 oder Strombegrenzer 26 geschützt ist. Der Anstieg der Spannung U setzt sich dann über das Niveau UD, ab dem der Temperatursensor 51 beschädigt wird, fort. Die Beschädigung des Temperatursensors 51 macht sich dadurch bemerkbar, dass sein Halbleiter durch die Überspannung mehr und mehr durchbricht, so dass sich der Widerstand vermindert und der Anstieg der Spannung U verlangsamt wird. Wenn zum Zeitpunkt t3 die Treiberschaltung 32 abgeschaltet wird, fällt die Spannung U wieder ab, und zwar mit der gleichen Zeitkonstanten wie in Kurve B. Ab dem Zeitpunkt t4, wo die Spannung U das Niveau US nach unten passiert, ist daher der Verlauf von Kurve C identisch mit dem Verlauf von Kurve B. Allerdings ist der Temperatursensor 51 nun durch das teilweise Durchbrechen seines Halbleiters unter der Überspannung nachhaltig geschädigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007008617 A1 [0003]
- DE 102009002895 A1 [0003]
- EP 1321660 B1 [0003]