Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines Leiterelements gegen Überstrom nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen werden im Kraftfahrzeugbau eingesetzt, um die Leitungen des Bordnetzes gegen eine unzulässig hohe Strombelastung, durch die die Leitungen unzulässig stark erwärmt wer- den, zu schützen. Derartige Überströme können beispielsweise auftreten, wenn es im Bordnetz zu einem Kurzschluss kommt.

Aus dem Stand der Technik sind zum Schutz des Bordnetzes gegen Über¬ ströme Schmelzsicherungen bekannt, die in die entsprechend zu schüt¬ zende Leitung eingeschaltet werden, wobei ein Schmelzglied in der Schmelzsicherung bei einer übermäßigen Strombelastung aufgrund der dabei auftretenden Erwärmung durchschmilzt und auf diese Weise die Stromzufuhr unterbricht. Nachteilig an diesen Schmelzsicherungen ist es, dass diese sehr träge reagieren, so dass insbesondere der Schutz von empfindlichen elektronischen Bauteilen nicht zuverlässig gewährleistet ist. Weiterhin sind aus dem Stand der Technik elektronische Überwachungs¬ sensoren bekannt, mit denen die Temperatur an einer Stelle der zu schützenden Leitung gemessen werden kann, wobei bei Überschreitung einer bestimmten Temperatur beziehungsweise bei Überschreitung eines anderen, mit der Temperatur des Leiterelements korrelierenden Messwer¬ tes die Stromzufuhr durch ein geeignetes Stellglied abgeschaltet oder verringert wird.

Nachteilig an diesen bekannten Schaltungsanordnungen ist es, dass die Umgebungstemperatur im oder am Fahrzeug in das Messergebnis als Störgröße eingeht und somit bei unterschiedlichen Umgebungstemperatu¬ ren jeweils unterschiedliche Abschaltergebnisse erzielt werden. Dement¬ sprechend müssten die so ausgestatteten Fahrzeuge abhängig vom jewei¬ ligen Einsatzgebiet und der dort zu erwartenden durchschnittlichen Umgebungstemperatur unterschiedlich abgestimmt werden, was einen erheblichen Zusatzaufwand darstellt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Schaltungsanordnung zum Schutz von Leiterelementen im Kraftfahrzeug vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass die Temperatur beziehungsweise ein mit der Temperatur korrelierender Messwert nicht nur in einem Messabschnitt, sondern auch in einem dazu geeigneten Referenzabschnitt gemessen wird. Diese beiden Messergebnisse aus dem Messabschnitt und dem Referenzabschnitt werden direkt oder nach Durchführung geeigneter Zwischenverarbeitungsschritte an ein Kompara- torelement weitergeleitet und dort miteinander verglichen. Das Stellglied zur Verringerung beziehungsweise Abschaltung der Stromzufuhr wird dann abhängig vom Vergleichsergebnis angesteuert. Da die Einflüsse der Umgebungstemperatur sowohl in den Messwert aus dem Messabschnitt als auch in den Messwert aus dem Referenzabschnitt eingehen, kann dieser Einfluss beim Vergleich der beiden Messwerte im Komparator- element eliminiert werden. Die Ansteuerung des Stellgliedes zur Verrin¬ gerung beziehungsweise Abschaltung der Stromzufuhr erfolgt somit nur aufgrund des relativen Vergleichs der Messwerte im Messabschnitt und Referenzabschnitt.

Die Gestaltung des Leiterelements im Messabschnitt beziehungsweise im Referenzabschnitt ist grundsätzlich beliebig. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sollte der Referenzabschnitt jedoch einen anderen Querschnitt, insbesondere eine andere Breite, als der Messabschnitt aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass die Erhöhung des Stromflusses im Leiterelement jeweils unterschiedliche Temperaturänderungen im Messabschnitt beziehungsweise Referenzabschnitt hervorruft. Diese unterschiedlichen Temperaturänderungskoeffizienten können bei der Auswertung der Messergebnisse im Komparatorelement vorteilhaft ausgenutzt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführung s form weist das Leiterelement im Referenzabschnitt einen wesentlich größeren Querschnitt als im Messab¬ schnitt auf. Insbesondere sollte der Referenzabschnitt zumindest doppelt so breit sein wie der Messabschnitt. Auf diese Weise erfährt das Leiter¬ element im Referenzabschnitt bei der Erhöhung des Stromdurchflusses nur eine relativ schwache Temperaturerhöhung, wohingegen die Tempe¬ raturkurve im Messabschnitt des Leiterelements sehr viel steiler ansteigt. Durch diese stark unterschiedlichen Steigungskoeffizienten der Messkur¬ ven lassen sich exakte Schnittpunkte zwischen den Messkurven definie¬ ren, wobei am Schnittpunkt der Messkurven dann jeweils ein Schaltvor- gang des Stellgliedes erfolgen kann. Die direkte Temperaturmessung im Messabschnitt beziehungsweise Referenzabschnitt ist relativ aufwendig und stark fehlerbehaftet. Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, statt der Temperatur im Messabschnitt beziehungsweise Referenzab- schnitt j eweils die zwischen zwei Messpunkten im Messabschnitt bezie¬ hungsweise zwischen zwei Messpunkten im Referenzabschnitt abfallende Spannung als Messwerte zu messen. Es ist bekannt, dass der elektrische Widerstand eines Leiterelements von der Temperatur des Leiterelements abhängt. Die zwischen zwei Messpunkten an einem Leiterelement abfal- lende Spannung korreliert somit mit der Temperatur des Leiterelements. Steigt die Temperatur im Leiterelement an, so erhöht sich der elektrische Widerstand, wodurch eine höhere Spannung zwischen den beiden Mess¬ punkten abfällt.

Durch geeignete Wahl der Geometrie des Leiterelements im Messab- schnitt und im Referenzabschnitt kann die Schaltungsanordnung bei Messung des Spannungsabfalls zwischen zwei Messpunkten im Messab¬ schnitt beziehungsweise im Referenzabschnitt auf einen gewünschten Messbereich kalibriert werden. Wird das Verhältnis des Abstandes zwischen den Messpunkten im Referenzabschnitt zum Abstand zwischen den Messpunkten im Messabschnitt so gewählt, dass es dem Verhältnis des Querschnitts des Leiterelements im Referenzabschnitt zu dem Quer¬ schnitt des Leiterelements im Messabschnitt entspricht, so wird dadurch erreicht, dass trotz der unterschiedlichen Querschnitte des Leiterele¬ ments im Messabschnitt und im Referenzabschnitt zwischen den jeweili- gen Messpunkten im Messabschnitt beziehungsweise im Referenzab¬ schnitt bei Normaltemperatur des Leiterelements die jeweils ungefähr gleiche Spannung abfällt.

Durch Weiterverarbeitung der Messsignale mittels eines Verstärkers können die Messsignale ebenfalls auf ein gewünschtes Niveau der Sig- nalstärke kalibriert werden. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die beiden zunächst ungefähr gleich großen Messsignale durch Wahl unterschiedlicher Verstärkungsfaktoren auf unterschiedliche Signalni¬ veaus gebracht werden, so dass sich bei Erwärmung des Leiterelements ein Schnittpunkt zwischen den Signalkurven ergeben kann. Ein solcher Schnittpunkt kann mit relativ einfachen Mitteln ausgewertet und dann zur Ansteuerung des Stellglieds zur Beeinflussung der Stromzufuhr eingesetzt werden. Als Verstärker in diesem Sinne können auch Bauteile mit negativem Verstärkungsfaktor, beispielsweise elektrische Widerstän¬ de, eingesetzt werden.

Alternativ zur Kalibrierung der Messsignale auf unterschiedliche Signal- niveaus durch Verwendung von Verstärkern, kann dies auch durch Wahl eines entsprechenden Verhältnisses des Abstandes zwischen den Mess¬ punkten im Referenzabschnitt zum Abstand zwischen den Messpunkten im Messabschnitt erreicht werden. Unterscheidet sich das Verhältnis des Abstandes zwischen den Messpunkten im Referenzabschnitt zum Ab- stand zwischen den Messpunkten im Messabschnitt vom Verhältnis des Querschnitts des Leiterelements im Referenzabschnitt zum Querschnitt des Leiterelements im Messabschnitt, so resultiert daraus ein entspre¬ chender Unterschied in den Signalniveaus.

Alternativ zur Messung der im Messabschnitt beziehungsweise Referenz- abschnitt abfallenden Spannung kann auch eine in der Art einer Brücken¬ schaltung zum Vergleich von Spannungspotentialen ausgebildete Schal¬ tungsanordnung verwendet werden.

Zur Bildung der Brückenschaltung kann parallel zur Reihenschaltung aus Referenzabschnitt und Messabschnitt eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes und eines zweiten Widerstandes geschaltet werden. Zwi¬ schen einem ersten Kontaktpunkt, der sich zwischen Referenzabschnitt und Messabschnitt befindet, und einem zweiten Kontaktpunkt, der sich zwischen erstem Widerstand und zweiten Widerstand befindet, wird eine Verbindungsleitung geschaltet, die als Messbrücke dient. Das Kompara- torelement wird in die Verbindungsleitung geschaltet, so dass im Kompa- ratorelement das Spannungspotential am ersten Kontaktpunkt mit dem Spannungspotential am zweiten Kontaktpunkt relativ zu einem Referenz¬ potential, beispielsweise der Fahrzeugmasse, verglichen werden kann. Durch geeignete Dimensionierung der beiden Widerstände, die parallel zum Referenzabschnitt und Messabschnitt geschaltet sind, ist es möglich, diese Messbrücke derart zu verstimmen, dass sich die Spannungspotenti¬ ale an den beiden Kontaktpunkten bei Erhöhung der Temperatur im Leiterelement langsam annähern. Sobald die Spannungspotentiale an beiden Kontaktpunkten gleich groß sind, kann dies als Schaltpunkt ausgewertet werden, an dem das Stellglied die Stromzufuhr zum Leiter¬ element verringert beziehungsweise abschaltet.

Die beiden Widerstände in der Messbrücke können von geeigneten Bau¬ elementen, beispielsweise SMD-Widerständen, gebildet werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch vorgesehen, dass der erste Widerstand von einem dritten Abschnitt des Leiterelements gebildet wird, dessen Querschnitt dem Messabschnitt entspricht und der zweite Widerstand von einem vierten Abschnitt des Leiterelements gebildet wird, dessen Querschnitt dem Referenzabschnitt entspricht. Durch diese doppelte Auswertung des Temperatureinflusses auf das Leiterelement im Referenzabschnitt beziehungsweise Messabschnitt kann eine verbesserte Auflösung der Messsignale erreicht werden.

Einen besonderen Vorteil bietet die erfindungsgemäße Schaltungsanord¬ nung dadurch, dass die maßgeblichen Elemente von einer Flachleiterbahn selbst gebildet werden können. Soweit erforderlich können zum Aufbau der Schaltungsanordnung zusätzlich elektrische oder elektronische Bau¬ teile auf der Flachleiterbahn kontaktiert werden.

Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung anhand schematisch dargestellter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanordnung in schematischer Ansicht von oben;

Fig. 2 den Messsignalverlauf der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bei kleinen Strömen;

Fig. 3 den Messsignalverlauf der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bei mittleren Strömen;

Fig. 4 den Messsignalverlauf der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bei großen Strömen;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanord¬ nung in schematischer Ansicht von oben;

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung in schematischer Ansicht von oben;

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform 01 einer Schaltungsanordnung zum Schutz eines Flachleiters 02 vor Überströmen dargestellt. Der Flachleiter 02 wird von einer auf eine Trägerfolie auflaminierten Kupfer¬ schicht gebildet und ist lediglich in dem schraffierten Bereich entspre¬ chend seiner tatsächlichen geometrischen Form dargestellt. Die sonstigen Leitungen in der Schaltungsanordnung 01 sind lediglich schematisch durch Verbindungslinien angedeutet, können aber ebenfalls von Flachlei¬ terelementen gebildet werden.

Dem Flachleiter 02 ist ein Stellglied 03 vorgeschaltet, das von einem Komparatorelement 04 angesteuert wird. Über den Flachleiter 02 wird eine nachgeschaltete Last 24 mit elektrischer Energie versorgt. Abhängig vom Ausgangssignal des Komparatorelements 04 kann die Stromzufuhr zum Flachleiter 02 durch Öffnen des Stellgliedes 03 abgeschaltet wer¬ den. In der Schaltungsanordnung 01 ist weiterhin ein Messglied 05a und ein Messglied 06a vorgesehen. Mit dem Messglied 05a kann die in einem Referenzabschnitt 07 zwischen zwei Messpunkten 08 und 09 abfallende Spannung 10 als mit der Temperatur im Referenzabschnitt 07 korrelie- rende Messgröße gemessen werden. Mit dem Messglied 06a kann in einem Messabschnitt 11 , der einen der üblichen Gestaltung des Flachlei¬ ters 02 entsprechenden Querschnitt aufweist, die zwischen zwei Mess¬ punkten 12 und 13 abfallende Spannung 14 gemessen werden.

Der Referenzabschnitt 07 weist die doppelte Breite des Messabschnittes 11 auf und erwärmt sich aufgrund dieses höheren Leitungsquerschnittes entsprechend schwächer als der Messabschnitt 11. Zum Ausgleich des aufgrund des größeren Querschnittes im Referenzabschnitt 07 geringeren Widerstandes ist der Abstand zwischen den Messpunkten 08 und 09 am Referenzabschnitt 07 doppelt so groß wie der Abstand zwischen den Messpunkten 12 und 13 im Messabschnitt 11. Im Normaltemperaturbe¬ reich bei nur sehr mäßiger Erwärmung des Flachleiters 02 fallen deshalb im Referenzabschnitt 07 und im Messabschnitt 11 ungefähr gleich große Spannungen 10 und 14 ab. Der vom Messglied 05a gemessene Span¬ nungsabfall 10 wird unverstärkt an den ersten Eingang des Komparator- elements 04 weitergeleitet. Der Spannungsabfall 14 im Messabschnitt 11 wird im Messglied 06 mittels eines geeigneten Verstärkers mit einem Verstärkungsfaktor 0,8 verstärkt und danach an den zweiten Eingang des Komparatorelements 04 weitergeleitet. Die Funktion der Schaltungsan¬ ordnung 01 zur Auswertung der Messwerte durch das Komparatorelement 04 und die davon abhängige Ansteuerung des Stellgliedes 03 soll nach¬ folgend anhand der Messsignalverläufe in Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4 erläutert werden.

In Fig. 2 ist der Messsignalverlauf an den beiden Eingängen des Kompa¬ ratorelements 04 bei Belastung des Flachleiters 02 mit kleinen Strömen schematisch dargestellt. Bei diesen kleinen Strömen erwärmt sich der Flachleiter 02 weder im Referenzabschnitt 07 noch im Messabschnitt 11, so dass der Spannungsabfall im Referenzabschnitt 07 und im Messab¬ schnitt 1 1 , das heißt die abfallenden Spannungen 10 und 14, während der Belastungsdauer gleich groß bleiben. Durch die unterschiedlichen Ver¬ stärkungen in den Messgliedern 05 und 06 wird der Spannungsabfall 14 auf ein 80 %-iges Niveau des Spannungsabfalls 10 herunterverstärkt.

In Fig. 3 ist der Signalverlauf bei mittlerer Stromstärke im Flachleiter 02 dargestellt. Der Flachleiter 02 erwärmt sich im dünneren Messabschnitt 1 1 bei dieser Stromstärke bereits erheblich, wohingegen der Flachleiter 02 im Referenzabschnitt 07 aufgrund der größeren Breite noch keine wesentliche Temperaturerhöhung erfährt. Für die abfallenden Spannun¬ gen 14 und 10 bedeutet dies, dass sich der Spannungsabfall 10 im Refe¬ renzabschnitt 07 aufgrund der fehlenden Temperaturerhöhung nicht verändert, wohingegen die im Messabschnitt 11 abfallende Spannung 14 aufgrund der Temperaturerhöhung mit zunehmender Belastungsdauer deutlich ansteigt. Zum Zeitpunkt U stimmt der Betrag des mit dem Faktor 0,8 verstärkten Spannungsabfalls 14 mit dem Betrag des Span¬ nungsabfalls 10 im Referenzabschnitt 07 überein. Diese Übereinstim¬ mung der an den Eingängen des Komparatorelements 04 anliegenden Messsignale wird vom Komparatorelement 04 als Schaltpunkt ausgewer- tet und das Stellglied 03 bei Erreichen dieses Schaltpunktes zur Abschal¬ tung der Stromzufuhr angesteuert.

In Fig. 4 ist der Messsignalverlauf 10 und 14 bei großen Strömen darge¬ stellt. Bei großen Strömen erwärmt sich der Flachleiter 02 sowohl im Messabschnitt 1 1 als auch im Referenzabschnitt 07, wobei die Erwär- mung im Referenzabschnitt 07 aufgrund des größeren Querschnittes langsamer und mit geringerer Steigung verläuft als die Erwärmung im Messabschnitt 11. Für die beiden Messsignalkurven bedeutet dies, dass die Kurve des Spannungsabfalls 10 mit einem geringeren Steigungsfaktor als die Messkurve für den Spannungsabfall 14 ansteigt. Somit ergibt sich weiterhin ein Schnittpunkt für die beiden Kurven zum Zeitpunkt t2, der wiederum als Schaltpunkt zur Abschaltung des Stellgliedes 03 ausgewer¬ tet wird.

In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform 15 einer Schaltungsanordnung schematisch dargestellt, die wiederum zum Schutz des Flachleiters 02 vor Überströmen eingesetzt werden kann. Bei dieser Ausführungsform werden die beiden Messglieder 05b und 06b von einer Brückenschaltung gebildet, die nachfolgend erläutert wird.

Am Flachleiter 02 ist wiederum ein Referenzabschnitt 07 mit doppelter Breite und ein Messabschnitt 1 1 mit normaler Breite vorgesehen. Parallel zu der Reihenschaltung aus Referenzabschnitt 07 und Messabschnitt 1 1 ist eine Reihenschaltung eines ersten Widerstandes 16 und eines zweiten Widerstandes 17 geschaltet. Zwei Abschnitte 18a und 18b einer Verbin¬ dungsleitung 18 verbinden die beiden Eingänge des Komparatorelements 04 mit einem ersten Kontaktpunkt 19 zwischen dem Referenzabschnitt 07 und dem Messabschnitt 1 1 sowie einem zweiten Kontaktpunkt 20 zwi¬ schen dem ersten Widerstand 16 und dem zweiten Widerstand 17. Die Verbindungsleitung 18 bildet damit eine Messbrücke, mit der das Span¬ nungspotential am ersten Kontaktpunkt 19 gegenüber dem Spannungspo¬ tential 20 verglichen und ausgewertet werden kann. Im Ergebnis werden die beiden Messglieder 05b und 06b von dieser Brückenschaltung zum Potentialvergleich gebildet.

Durch geeignete Dimensionierung der beiden Widerstände 16 und 17 kann diese Messbrücke in einer Weise verstimmt werden, dass die Spannungspotentiale an den beiden Kontaktpunkten 19 und 20 bei Errei- chen einer bestimmten Temperatur im Flachleiter 02 betragsmäßig übereinstimmen. Diese Übereinstimmung wird im Komparatorelement 04 detektiert und anschließend wird das Stellglied 03 geschaltet.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausführungsform 21 einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Auch bei der Ausführungsform 21 werden die beiden Messglieder 05c und 06c von einer Brückenschaltung zum Potentialvergleich gebildet. Die Funktion dieser Schaltungsanord¬ nung 21 stimmt somit im Wesentlichen mit der Schaltungsanordnung 15 überein, wobei jedoch die beiden Widerstände 16 und 17 durch zwei weitere Abschnitte 22 und 23 gebildet sind. Die Gestaltung des dritten Abschnitts 22 entspricht dabei der Gestalt des Messabschnittes 11 und die Gestalt des vierten Abschnittes 23 entspricht der Gestalt des Refe¬ renzabschnittes 07.