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Die
Erfindung geht aus von einem elektronischen Steuergerät für Rückhaltesysteme
von Fahrzeuginsassen, mit einem Mikrorechner und mit einer von dem
Mikrorechner ansteuerbaren Endstufe. Ein derartiges Steuergerät zur Ansteuerung
einer Endstufe mit Wechselspannung ist aus der auf die Anmelderin
zurückgehenden
US-PS 5 146 104 bekannt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
elektronische Steuergerät
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs ermöglicht auf einfache Weise eine
zuverlässige Überwachung
des aus Steuergerät
und Endstufe bestehenden Systems, die für eine kontinuierliche Funktionskontrolle
einer derartigen sicherheitsrelevanten Einrichtung unabdingbar ist.
Besonders vorteilhaft ist, daß dabei
die in der einen Zündkreis
bildenden Endstufe enthaltenen Widerstände in der Größenordnung
von 0 bis etwa 10 Ohm mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit von
ca. ± 160
Milliohm erfaßbar
sind. Weiterhin kann die Kapazität
des Zündkreiskondensators
ebenfalls mit großer
Genauigkeit gemessen werden, wobei beide Messungen weitgehend unabhängig von
parasitären
Induktivitäten der
Zündleitungen
sind, die die Endstufe mit dem Steuergerät selbst verbinden. Weiterhin
können
alle in der Praxis möglichen
Kurzschlußarten
an den Zündleitungen
und an dem Zündelement
der Endstufe, sowohl nach Batteriespannung als auch nach Masse sicher
erkannt werden, ohne daß dabei
die Gefahr einer Fehlauslösung durch
den Meßvorgang
selbst besteht. Außerdem
ermöglicht
das erfindungsgemäße elektronische
Steuergerät
die Erkennung von Nebenschlüssen
zwischen den Zündleitungen
selbst oder parallel zu dem Zündkreiskondensator.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 ein Blockschaltbild des elektronischen Steuergerätes und 2 bis 7 Signalverläufe, die
bei der Zündkreisüberwachung
auftreten. Dabei zeigen im einzelnen 2 die Signalverläufe bei
der Kurzschlußmessung
zwischen der +-Leitung der Endstufe gegen die Spannungsquelle oder
Masse, 3 Signalverläufe bei
der Widerstandsmessung, 4 Signalverläufe bei der Messung der Zündkreiskapazität, 5 Signalverläufe ohne
Kurzschluß an
der Masseleitung der Endstufe und 7 Signalverläufe bei
Kurzschluß der
Masseleitung der Endstufe.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild des elektronischen
Steuergeräts 1. Das
elektronische Steuergerät 1 umfaßt eine
Steuerstufe 1a und eine Endstufe 1b. Die Endstufe 1b besteht
aus der Serienschaltung eines Zündelements RP
und einer Kapazität
CP. Das Zündelement
RP ist mittels Stromfluß aufheizbar
und steht in Wirkverbindung mit einem Sicherungsmittel 10 für Fahrzeuginsassen,
wie Airbag, Gurtstraffer oder dergleichen, die eine von dem aufgeheizten
Zündelement
RP aktivierbare und dabei Treibgase freisetzende Treibladung enthalten.
Das Zündelement
RP wird dazu von der Steuerstufe 1a des Steuergerätes 1 angesteuert. Dazu
ist die das Zündelement
RP umfassende Endstufe 1b über zwei Leitungen ZK+ und
ZK– mit
der Steuerstufe 1a des Steuergerätes 1 verbunden. In der
Leitung ZK+ ist zwischen dem Zündelement
RP und der Steuerstufe 1a zweckmäßig noch eine Induktivität LP angeordnet,
die Störimpulse
unterdrückt. Die
Steuerstufe 1a umfaßt
einen Mikrorechner 2, der mit einem beschleunigungsempfindlichen
Sensor S verbunden ist. Der beschleunigungsempfindliche Sensor S
liefert ein beschleunigungsabhängiges Ausgangssignal,
das von dem Mikrorechner 2 ausgewertet wird. Überschreitet
die von dem Sensor S erfaßte
Fahrzeugbeschleunigung einen vorgegebenen Grenzwert, der auf eine
Unfallsituation und damit auf eine Gefährdung der Fahrzeuginsassen
hinweist, dann steuert die Steuerstufe 1a die das Zündelement RP
umfassende Endstufe 1b an und löst damit die die Fahrzeuginsassen
schützenden
Sicherungsmittel 10 aus. Die Steuerstufe 1a des
Steuergerätes 1 umfaßt weiter
eine Reserveenergiequelle C1, vorzugsweise einen Kondensator großer Kapazität, der mit einer
vergleichsweise hohen Spannung, z. B. 45 V, verbindbar und dadurch
aufladbar ist. Zu diesem Zweck ist ein erstes Schaltelement S1 vorgesehen, dessen
erster Schaltanschluß mit
dem positiven Pol des Kondensators C1 und dessen zweiter Schaltanschluß mit dem
ersten Anschluß eines
Widerstands R3 verbunden ist, dessen anderer Anschluß an die Kathode
einer ersten Diode D1 geführt
ist, deren Anode mit Masse verbunden ist. Das Schaltelement S1 ist
von dem Mikrorechner 2 steuerbar. Die Steuerstufe 1a umfaßt zwei
weitere Schaltelemente S2, S3, deren erster Schaltanschluß jeweils
mit Masse verbunden ist. Der zweite Schaltanschluß des Schaltelements
S2 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R3 und der
Kathode der Diode D1 verbunden. Der zweite Schaltanschluß des Schaltelements
S3 ist mit der Kathode einer weiteren Diode D2 verbunden, deren
Anodenanschluß mit
Masse verbunden ist. Von dem Verbindungspunkt des zweiten Schaltanschlusses
des Schaltelements S3 und der Kathode der Diode D2 führt ein
Widerstand R4 nach Masse. Der masseferne Anschluß des Widerstands R4 ist mit
der ersten Anschlußleitung
ZK– der Endstufe 1b verbunden.
Die zweite Anschlußleitung ZK+
der Endstufe 1b ist einerseits mit dem massefernen Anschluß des Widerstandes
R3 und andererseits über
einen Widerstand R1 mit dem Mikrorechner 2, genauer gesagt
mit einem Analogeingang des in dem Mikrorechner 2 vorhandenen
Analog/Digital-Wandlers verbunden. Ebenfalls mit der zweiten Anschlußleitung
ZK+ der Endstufe 1b verbunden ist ein weiterer Widerstand
R2, dessen anderer Anschluß an
die Betriebsspannung VCC geführt
ist.
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Der
Ablauf der diversen Meßvorgänge zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
des elektronischen Steuergerätes
wird im folgenden unter Bezugnahme auf 2 bis 7 der
Zeichnung näher
erläutert.
Das in 1 dargestellte Schaltelement S1 hat für die Meßvorgänge selbst
keine Bedeutung; es wird nur für
die Ansteuerung der Endstufe 1b von dem Mikrorechner 2 angesteuert
und in seine Schaltlage überführt, in
der es die Reserveenergiequelle C1 mit der Endstufe 1b verbindet.
Die Überwachung
der Endstufe 1b wird ausschließlich mit den Schaltelementen
S2 und S3 durchgeführt.
Das Schaltelement S1 wird regelmäßig in einem
Prüfvorgang,
vorzugsweise beim Starten des Fahrzeugs, getestet.
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Bei
der Überwachung
der Endstufe 1b können
insgesamt vier unterschiedliche Messungen durchgeführt werden,
deren Reihenfolge aufgrund sicherheitstechnischer, wie auch physikalischer Überlegungen
zweckentsprechend festgelegt wird.
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Alle
Messungen werden, wie aus der Übersichtsdarstellung
in 2 hervorgeht, durch Betätigung der Schaltelemente S2,
S3 eingeleitet. Die Messungen selbst fußen auf der Bestimmung von Spannungswerten
an der ZK+-Leitung durch den Mikrorechner 2, dem die Meßwerte über einen
einzigen ADC-Eingang 20 zugeführt werden. Im einzelnen sind
folgende Messungen durchführbar.
- 1. Kurzschlußerkennung zwischen der Leitung ZK+
und der Versorgungsspannung VCC oder Masse durch Messung der Spannung
an der Leitung ZK+. Weiterhin sind hierdurch auch Nebenschlüsse zwischen
den Leitungen ZK+, ZK– oder parallel
zu dem in der Endstufe 1b in Serie zu dem Zündelement
RP angeordneten Kondensator CP erkennbar. Es wurde angenommen, daß die Schaltelemente
S2 und S3 seit der letzten Messung lange geöffnet gewesen sind. Der in
der Endstufe 1b in Serie zu dem Zündelement RP geschaltete Kondensator
CP konnte sich dadurch über
die Widerstände
R2 und R4 auf den Spannungspegel VCC aufladen. Da die Messung zyklisch
in einem festen Meßraster
erfolgt, ist immer sichergestellt, daß der Kondensator CP vollständig geladen
ist. Die Spannung an der ZK+-Leitung liegt über den Widerstand R1 an dem
Eingangsanschluß 20 des
ADC des Mikrorechners 2 an. Nun können folgende drei Fälle auftreten:
1.1
Die Spannung an der ZK+-Leitung beträgt im wesentlichen 5 Volt (Potential
von VCC). Daraus folgt, daß die
Endstufe 1b betriebsfähig
ist und daß kein
Kurzschluß vorliegt.
1.2
Die Spannung an der ZK+-Leitung liegt unter dem Potential von VCC.
Daraus kann auf einen Kurzschluß der
ZK+-Leitung nach Masse oder auf einen Nebenschluß zwischen den Leitungen ZK+, ZK– bzw. parallel
zu dem Kondensator CP geschlossen werden.
1.3 Die Spannung
an der Leitung ZK+ liegt oberhalb des Potentials von VCC. Daraus
kann auf einen Kurzschluß der
ZK+-Leitung zum positiven Pol der Fahrzeugspannung geschlossen werden.
Auch
die sehr gefährlichen
Kurzschlüsse
zwischen dem Zündelement
RP und dem Kondensator CP nach dem positiven Pol der Fahrzeugspannung
bzw. zu dem Masseanschluß werden
bei dieser Messung sicher erkannt, das auch hier über den Widerstand
des Zündelements
RP das Potential der ZK+-Leitung
entsprechend den vorstehend erwähnten
drei Fällen
verändert
wird. Sollten die vorgenannten Fehler auftreten, dann kann durch
Unterbinden aller weiteren Meßvorgänge mit
Sicherheit verhindert werden, daß gefährlich hohe Ströme durch
das Zündelement
RP fließen.
- 2. Messung des ohmschen Widerstandes in der Endstufe 1b.
Bei
dieser Messung wird der gesamte, in der Endstufe 1b vorhandene
ohmsche Widerstand bestimmt. Dieser setzt sich im wesentlichen aus dem
Widerstand des Zündelements
RP, den Widerständen
der Leitungen ZK+ und ZK– und
der notwendigen Steckverbindungen zusammen.
Es werde angenommen,
daß der
Kondensator CP, wie anhand der Abbildung in 3 verdeutlicht
ist, auf eine Spannung von ungefähr
5 Volt (entspricht dem Potential VCC) aufgeladen ist. Für die Einleitung
der Messung des ohmschen Widerstandes in der Endstufe 1b wird
zunächst das
Schaltelement S3 betätigt
und für
eine Zeit t5 geschlossen. Nach einer Wartezeit tv1 wird auch das
Schaltelement S2 betätigt
und für
eine Zeit t1 geschlossen und danach wieder geöffnet. Während dieser Zeit t1 wird der
Kondensator CP über das
Zündelement
RP die Induktivität
LP und den Widerstand R3 teilweise entladen. Infolge unterschiedlicher
Leitungslängen
und unterschiedlicher Steckverbindungen kann der Wert der Induktivität in der
Praxis zwischen etwa 2 Mikrohenry und 12 Mikrohenry schwanken. Der
Widerstand R3 und das Zeitintervall t1 werden in der Praxis zweckmäßig so dimensioniert,
daß die
Widerstandsmessung nahezu unabhängig
von der Größe der Induktivität LP ist.
Bei dieser Messung ist darauf zu achten, daß das Zündelement RP durch Stromfluß weder
aktiviert noch dauernd vorgeschädigt
wird. Die in dem auf das Potential VCC aufgeladenen Kondensator
CP gespeicherte Energie liegt in der Größenordnung von etwa 6 Mikrojoule.
Da die sogenannte "allfire"-Zündenergie von
in der Praxis verwendeten Zündelementen RP
jedoch in der Größenordnung
von ca. 3,7 Millijoule liegt, wird das Zündelement bei der Messung nur
mit einem mehr als 600-fach geringeren Energiewert belastet. Unter "allfire"-Zündenergie versteht
man denjenigen Energiewert, der notwendig ist, um das Zündelement
RP mit Sicherheit zu zünden.
Auch eine Vorschädigung
des Zündelements
RP kann nicht auftreten, da der Entladestrom des in der Endstufe
vorgesehenen Kondensators CP durch den Widerstand R3 auf sehr niedrige
Werte begrenzt und zudem die Entladezeit t1 äußerst kurz gewählt wird.
Dadurch werden in dem Zündelement
RP niemals kritische Stromdichten, die zu einer Vorschädigung führen könnten, erreicht.
Nach einer kurzen Einschwingzeit stellt sich an der RC-Kombination
der Endstufe 1b eine stabile Spannung ein, die nun über den Widerstand
R1 und nach Umsetzung in dem ADC (Analog-Digital-Converter = Analog-Digital-Wandler)
von dem Mikrorechner 2 gemessen werden kann. Die jetzt
an dem Kondensator CP gemessene Restspannung ist ein Maß für den ohmschen Widerstand
der Endstufe 1b. Da Schwankungen der Kapazität der Endstufe
direkt in die Widerstandsmessung eingehen, muß dieses Meßergebnis, soweit erforderlich,
nach der Kapazitätsmessung
gegebenenfalls noch korrigiert werden. Ein dafür geeignetes Korrekturverfahren
wird weiter unten noch beschrieben. Als Vorbereitung für die anschließende Kapazitätsmessung
wird das Schaltelement S2 nochmals für die Zeit t2 geschlossen.
Dadurch wird der Kondensator CP innerhalb der Endstufe 1b weiter
entladen. Schließlich
wird auch das Schaltelement S3 nach Ablauf der Schließzeit t5
wieder geöffnet.
- 3. Messung der Kapazität
des Kondensators CP:
Diese Kapazitätsmessung schließt sich
zweckmäßig direkt
an die zuvor beschriebene Widerstandsmessung an und wird in bezug
die in 4 dargestellten Diagramme näher erläutert. Zunächst wird das Schaltelement
S3 für
eine Zeit t6 geschlossen, was zur Folge hat, daß die ZK–-Leitung mit dem Masseanschluß verbunden
ist. Auch das Schaltelement S2 wird geschlossen und für eine Zeitdauer
t3 in einem geschlossenen Zustand gehalten. Dadurch wird der Kondensator CP
vollständig
entladen. Nach dem Öffnen
des Schaltelements S2, also nach Ablauf der Zeit t3, wird der Kondensator
CP über
den Widerstand R2 langsam aufgeladen. Da der Widerstandswert des Widerstandes
R2 wesentlich größer gewählt ist als
der Widerstand des Zündelements
RP, spielt der Widerstand des Zündelements
RP bei dieser Messung keine Rolle und kann vernachlässigt werden.
Auch die Induktivität
LP hat auf den Meßvorgang
keinen Einfluß,
da es sich um einen vergleichsweise langsamen Aufladevorgang handelt. Nach
einer fest vorgebbaren Ladezeit t1 wird nun die Spannung an dem
Zündelement
gemessen. Sie ist ein direktes Maß für die Kapazität des Zündkreiskondensators.
Im Anschluß an
diese Messung wird das Schaltelement S3 nach Ablauf der Zeit t6
wieder geöffnet.
- 4. Kurzschlußerkennung
an der ZK–-Leitung
gegen den positiven Pol der Fahrzeugspannung oder Masse
Bei
dieser Messung, die anhand der Abbildung von 5 erläutert ist,
kann ein Kurzschluß zwischen
der ZK–-Leitung und dem positiven
Pol der Fahrzeugspannung einerseits oder dem Masseanschluß andererseits
entdeckt werden, ohne daß ein
weiterer ADC-Eingang zur Messung der Spannung an der ZK–-Leitung
benötigt
wird. Das Meßverfahren
beruht auf einer Umladung des Kondensators CP, wenn dieser auf der
ZK–-Seite über einen
kleinen dynamischen Innenwiderstand an Masse gelegt ist. Während dieses
Meßvorgangs
bleibt das Schaltelement S3 ständig
geöffnet.
Das Schaltelement S2 dagegen wird nur für einen vergleichsweise kurzen
Zeitraum t4 geschlossen und danach wieder geöffnet. Nach dem Öffnen des
Schaltelements S2 lassen sich auf der ZK+-Leitung charakteristische
Spannungsverläufe
meßtechnisch
erfassen, die Rückschlüsse auf den
jeweiligen Zustand ermöglichen.
Die dabei auftretenden unterschiedlichen Spannungsverläufe sind
beispielhaft in 5, 6 und 7 dargestellt.
In 5 ist zunächst
der Spannungsverlauf an der ZK+-Leitung
dargestellt, wenn kein Kurzschluß zwischen der ZK–-Leitung
und dem positiven Pol der Fahrzeugspannung oder Masse besteht. Die
zunächst
im wesentlichen konstante Spannung an der ZK+-Leitung bricht während der Schließzeit t4
des Schaltelements S2 kurz zusammen, um dann relativ schnell wieder
auf den zuvor vorhandenen Wert anzusteigen. In dem angedeuteten
Meßzeitpunkt
tm hat die Spannung an der ZK+-Leitung im wesentlichen wieder den
vor dem Umschaltvorgang des Schaltelements S2 bestehenden Wert erreicht,
der in der Größenordnung von
VCC liegt. In den Kurvendarstellungen gemäß 6 und 7 wird
zum Meßzeitpunkt
tm eine wesentlich unterhalb des Potentials VCC liegende Spannung
auf der Leitung ZK+ festgestellt. Dadurch kann ein Kurzschluß der ZK–-Leitung
gegen den positiven Pol der Fahrzeugspannung oder gegen Masse erkannt
werden. Allerdings ist eine Unterscheidung, ob der festgestellte
Kurzschluß zwischen
der ZK–-Leitung
und dem positiven Pol der Fahrzeugspannung oder zwischen der Masseleitung
besteht, nicht möglich,
da sich die Umladungen des Kondensators CP nicht voneinander unterscheiden
lassen.
- 5. Korrektur des gemessenen Widerstands
Wie schon im Zusammenhang
mit der Widerstandsmessung beschrieben, kann das Ergebnis der Messung
sehr stark von der Kapazität
des Kondensators CP in der Endstufe 1b abhängig sein,
da das Meßprinzip
auf einer Teilentladung dieser Kapazität beruht. Deshalb ist es nötig, den Widerstandswert
anhand der gemessenen Kapazität
des Zündkreiskondensators
zu korrigieren. Diese Korrektur erfolgt zweckmäßig anhand einer rechnerisch
oder meßtechnisch
aufgestellten Korrekturtabelle, die entsprechende Korrekturwerte enthält. Da eine
derartige Korrekturtabelle für
positive oder negative Kapazitätsabweichungen vom
Nominalwert der Kapazität
des Kondensators CP im wesentlichen symmetrisch aufgebaut ist, ist
es völlig
ausreichend, die Werte der Korrekturtabelle, ausgehend vom Nominalwert
des Kondensators, nur für
eine Fehlerrichtung (zum Beispiel für zu große Kapazitätswerte) aufzustellen. Die
Korrekturwerte für
die andere Fehlerrichtung (also in Richtung zu geringer Kapazitätswerte),
ergeben sich dann durch einfachen Vorzeichenwechsel der in der Tabelle
aufgeführten
Korrekturwerte. Die Werte der Korrekturtabelle werden zweckmäßig in einem
Speicherbereich des Mikrorechners 2 abgespeichert.
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Um
eine möglichst
genaue Messung der Widerstands- und Kapazitätswerte zu erreichen, ist es notwendig,
den Einfluß der
Induktivität
LP auf die Messungen möglichst
gering zu halten. Andererseits dürfen
dabei aber die Zündeigenschaften
bei der Aktivierung des Airbag auf keinen Fall nachteilig beeinträchtigt werden.
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Folgende
Dimensionierung der Widerstände hat
sich daher als zweckmäßig erwiesen:
R1:
14–22
Kiloohm, insbesondere 16–20
Kiloohm;
R2: 1,5–2,5
Kiloohm, insbesondere 1,9–22,1
Kiloohm;
R3: 6–14
Ohm, insbesondere 9–11
Ohm:;
R4: 3–7
Kiloohm, insbesondere 4,4–5,5
Kiloohm.
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Auch
die Schaltzeiten des Schaltelements S2 können, insbesondere bei der
Widerstandsmessung einen Einfluß darauf
haben, wie stark die Messungen durch die parasitäre Induktivität LP beeinflußt werden.
Außerdem
müssen
diese Schaltzeiten so kurz sein, daß ein Fehlauslösung bei
Kurzschlüssen, vor
allem bei Kurzschlüssen
zu dem positiven Pol der Fahrzeugspannung, ausgeschlossen ist.
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Als
besonders zweckmäßig haben
sich daher folgende Schaltzeiten erwiesen:
t1: 5,0–10 Mikrosekunden,
insbesondere 7,0–8,0
Mikrosekunden;
t2: 6,0–14,0
Mikrosekunden, insbesondere 9,0–11,0 Mikrosekunden;
t3:
30–50
Mikrosekunden; insbesondere 35–45
Mikrosekunden;
t4: 1,5–2,5
Mikrosekunden; insbesondere 1,8–22,1 Mikrosekunden.
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Derart
kurze Schaltzeiten lassen sich problemlos realisieren, wenn in der
Endstufe zur Ansteuerung der Schaltelemente schnelle MOSFET-Transistoren
eingesetzt werden.
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Die
Schaltzeiten des Schaltelements S3 sind weniger kritisch, Jedoch
sollten auch hier möglichst kurze
Schaltzeiten angestrebt werden, um insbesondere bei einem nicht
entdeckten Kurzschluß zum
positiven Pol der Fahrzeugspannung das Schaltelement S3 nicht zu
gefährden.
Folgende Schaltzeiten des Schaltelements S3 haben sich als besonders zweckmäßig herausgestellt:
t5:
110–160
Mikrosekunden, insbesondere 120–135 Mikrosekunden;
t6:
400–600
Mikrosekunden, insbesondere 450–540 Mikrosekunden.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine vollständige Überwachung
der Zündkreise
eines Airbag-Steuergerätes
mit Wechselstromzündung
mit einem vergleichsweise geringen zusätzlichen Hardwareaufwand. Als
zusätzliche
Bauelemente sind im wesentlichen nur die vier Widerstände R1 bis
R4 notwendig. Durch einfache Schaltvorgänge der Schaltelemente S2 und
S3 mit anschließenden
Spannungsmessungen können
alle wesentliche Bauelemente der Zündkreise überwacht und im Rahmen der Überwachung Kurzschlüsse sowie
Nebenschlüsse
entdeckt werden. Bei besonders kritischen Kurzschlüssen, insbesondere
bei Kurzschlüssen
zu dem positiven Pol der Fahrzeugspannung könne alle weiteren Meßvorgänge unterbunden
und somit die Gefahr einer Fehlauslösung erheblich reduziert werden.
Da die Schaltzeiten, insbesondere des Schaltelementes S2, sehr kurz
gewählt
sind und der Entladewiderstand R3 relativ hochohmig ist, besteht
auch in dem äußerst unwahrscheinlichen
Fall der Nichtentdeckung eines Kurzschlusses keine Gefahr einer
Fehlauslösug
des Zündelements,
solange die Fahrzeugspannung den zulässigen Wert von ungefähr 20 Volt
nicht wesentlich überschreitet.