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Die
Erfindung betrifft eine Schutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, so wie sie aus der
US 3906258 bekannt
ist.
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Verbraucher
in Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Leuchtmittel, werden über Leistungstreiber
mit Energie versorgt. Dabei ist es üblich, die Leistungstreiber
mit einem PWM-Signal anzusteuern, um die Helligkeit des Leuchtmittels
zu beeinflussen. Einige Leistungstreiber verfügen über einen eingebauten Schutzmechanismus,
der die Energieversorgung des Verbrauchers bei Überlast des Leistungstreibers
abschaltet. Die Überlast
hat eine Überhitzung
des Leistungstreibers zur Folge und verursacht eine thermische Abschaltung.
Bei einfachen Leistungstreibern wird nach einer Abkühlphase
diese thermische Abschaltung wieder deaktiviert, bis der Überlastfall
erneut eintritt. Dies führt
zu einem wiederholten Ein- und Ausschalten, wodurch im ungünstigsten
Fall der Treiberbaustein irreparabel beschädigt wird.
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Auch
bei Leistungstreibern der neuesten Generation, die über eine
integrierte Schutzfunktion verfügen,
ist diese bei Ansteuerung mit einem PWM-Signal unwirksam, da der
Treiberbaustein durch jede ansteigende Flanke des Steuersignals
erneut in den Betriebszustand gesetzt wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs genannte Schutzschaltung
für Leistungstreiber
mit einer Schutzabschaltung verwendbar zu machen, insbesondere für mit einem
gepulsten, zum Beispiel pulsweitenmodulierten Eingangssignal angesteuerte
Leistungstreiber.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen
sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Schutzschaltung weist
eine erste Vergleichskomponente, eine zweite Vergleichskomponente
und ein Flip-Flop auf, wobei ein erster Eingang der ersten Vergleichskomponente mit
dem Ausgang des Leistungstreibers und ein zweiter Eingang der Vergleichskomponente
mit dem Eingang des Leistungstreibers verbunden ist, der Ausgang
der ersten Vergleichskomponente mit einem Reset-Eingang des Flip-Flops
verbunden ist, der Ausgang des Flip-Flops mit einem ersten Eingang der
zweiten Vergleichskomponente verbunden ist, der zweite Eingang der
zweiten Vergleichskomponente mit einem Eingang der Schutzschaltung
verbunden ist und der Ausgang der zweiten Vergleichskomponente mit
dem Eingang des Leistungstreibers verbunden ist.
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Die
erste Vergleichskomponente dient dazu, die Zustände des Eingangs und des Ausgangs
des Leistungstreibers zu vergleichen. Liegt ein Eingangssignal an,
demgemäß der Leistungstreiber
den Verbraucher einschalten müsste,
ist der Verbraucher jedoch nicht eingeschaltet, so liegt ein Fehler
im Leistungstreiber vor und die erste Vergleichskomponente legt
ein Reset-Signal an den Reset-Eingang des Flip-Flops an. Der Ausgang
des Flip-Flops ist somit auf einen Low-Pegel gesetzt und kann nur
mittels eines separaten Signals wieder auf High gesetzt werden.
Bei diesem Signal kann es sich um ein manuelles Signal handeln,
beispielsweise ein durch einen Benutzer verursachtes Signal. Ebenfalls
ist ein automatisch generiertes Signal möglich, beispielsweise bei Erreichen
eines bestimmten Systemstatus oder nach Ablauf einer Zeitspanne.
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Die
zweite Vergleichskomponente führt
eine logische Und-Verknüpfung
des Ausgangssignals des Flip-Flops mit dem eingangsseitigen Steuersignal aus.
Das eingangsseitige Steuersignal wird also nur dann an den Ausgang
der zweiten Vergleichskomponente und somit an den Eingang des Leistungstreibers
durchgeschaltet, wenn der Ausgang des Flip-Flops einen High-Pegel
aufweist, beispielsweise in Höhe
der Versorgungsspannung. Das eingangsseitige Steuersignal wird also
in Abhängigkeit
des Zustands des Flip-Flops zum Leistungstreiber durchgeschaltet,
wobei der Zustand des Flip-Flops
durch ein manuelles oder automatisches Signal gesetzt wird. Darüber hinaus
erfolgt ein Reset des Flip-Flops, wenn im Leistungstreiber ein Fehler
vorliegt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform wird die erste und/oder zweite
Vergleichskomponente im Wesentlichen durch einen Transistor gebildet.
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Die
vorliegende Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Dabei
zeigt
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1 den
prinzipiellen Aufbau der Schutzschaltung und
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2 eine
konkrete Ausgestaltungsform der Schutzschaltung.
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1 zeigt
schematisch einen Low-Side-Leistungstreiber 4, dessen Anschluß 4c mit
Masse verbunden ist. Ein Verbraucher 5 ist an die Versorgungsspannung
U0 und den Anschluß 4b des Leistungstreibers
angeschlossen. Der Eingang 2a der Vergleichskomponente 2 ist
mit dem Anschluß 4b des
Leistungstreibers 4 verbunden. Der Eingang 2b der
Vergleichskomponente 2 ist mit dem Ausgang 3c der
Vergleichskomponente 3 und dem Eingang 4a des
Leistungstreibers 4 verbunden. Der Ausgang 2c der
Vergleichskomponente 2 ist auf den Reset-Eingang des Flip-Flops 1 geführt. Der
Ausgang des Flip-Flops 1 ist mit dem Eingang 3a der
Vergleichskomponente 3 verbunden. Der Eingang 6 der
Schutzschaltung, an dem ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal anliegt,
ist mit dem Eingang 3b der Vergleichskomponente 3 verbunden.
Der Toggle-Eingang des Flip-Flops 1 ist über einen
Taster S1 mit der Versorgungsspannung U0 verbunden.
Wird der Taster S1 geschlossen, so liegt die Versorgungsspannung
U0 am Toggle-Eingang des Flip-Flops 1 an
und der Ausgangszustand des Flip-Flops 1 wechselt von High nach
Low oder umgekehrt. Die Vergleichskomponenten 2 und 3 liefern
an ihren Ausgängen 2c, 3b einen High-Pegel,
wenn jeweils an beiden Eingängen 2a, 2b beziehungsweise 3a, 3b ein
High-Pegel anliegt.
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Soll
das Leuchtmittel 5 betrieben werden, so ist der Ausgangszustand
des Flip-Flops 1 High. Aufgrund der Und-Verknüpfung in
der Vergleichskomponente 3 liegt am Ausgang 3c somit
der gleiche Zustand wie am Eingang 3b, also wird im Wesentlichen das
am Eingang 6 anliegende Steuersignal auf den Eingang 4a des
Leistungstreibers 4 durchgeschaltet. Liegt am Eingang 4a ein
High-Signal an, so verbindet der Low-Side-Leistungstreiber 4 den
Anschluß 4b mit der
am Anschluß 4c anliegenden
Masse, wodurch das Leuchtmittel 5 leuchtet. Gleichzeitig
liegt der Eingang 2a der Vergleichskomponente 2 auf
Masse, der logische Zustand ist somit Low. Liegt am Eingang 4a ein
Low-Pegel an, so schaltet der Leistungstreiber 4 den Anschluß 4b nicht
auf die am Anschluß 4c liegende
Masse durch und das Leuchtmittel 5 leuchtet nicht. Somit
liegt der Eingang 2a der Vergleichskomponente im Wesentlichen
auf Versorgungsspannung, was einem logischen High-Pegel entspricht.
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Ein
Fehler tritt genau dann auf, wenn am Eingang 4a des Leistungstreibers 4 und
somit am Eingang 2b der Vergleichskomponente 2 ein
High-Signal anliegt, der Leistungstreiber 4 jedoch seinen
Anschluß 4b nicht
auf die am Anschluß 4c angeschlossene
Masse durchschaltet. Somit liegt auch am Eingang 2a der
Vergleichskomponente 2 ein High-Pegel an. Durch die Und-Verknüpfung der
Eingänge 2a und 2b wird
auch am Ausgang 2c der Vergleichskomponente 2 ein
High-Pegel erzeugt, der über
den Reset-Eingang des Flip-Flops 1 das Flip-Flop zurücksetzt.
Dies hat zur Folge, dass am Ausgang des Flip-Flops 1 ein
Low-Pegel vorherrscht
und somit die Vergleichskomponente 3 das am Eingang 3b anliegende
Steuersignal nicht zum Ausgang 3c weiterschaltet, bis am
Toggle-Eingang des Flip-Flops 1 ein Impuls anliegt.
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Somit
wird erreicht, dass nach einem Fehler im Leistungstreiber 4 das
eingangsseitig anliegende Steuersignal nicht zum Leistungstreiber 4 gelangt, bis
der Status im Flip-Flop 1 explizit geändert wird.
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2 zeigt
eine konkrete Ausgestaltungsform der Erfindung. Hierbei dienen die
Transistoren T1 und T2 als Vergleichskomponenten. Weitere wesentliche
Bauteile sind das Flip-Flop 11, der Taster S2 sowie der
Leistungstreiber 10. An einem Anschluss 12 der
Schaltungsanordnung liegt ein pulsweitenmoduliertes Low-Side-Steuersignal
an. Dies bedeutet, dass der Anschluss 12 von einer nicht
dargestellten elektronischen Vorstufe während des Duty Cycle des PWM-Signals
mit Masse verbunden wird. Mit KL31 ist die Fahrzeugmasse bezeichnet,
mit KL30G eine geschaltete Versorgungsspannung. Der Leistungstreiber
ist ein Low-Side-Treiber, der seinen Ausgang auf Masse durchschaltet,
wenn am Eingang ein High-Pegel anliegt. Unter High-Pegel ist eine Spannung
zu verstehen, die oberhalb einer Schalt- oder Schwellenspannung
liegt, Low-Pegel bezeichnet eine Spannung, die unterhalb einer Schalt-
oder Schwellenspannung liegt. Aufgrund der Beschaltung der Bauelemente
beträgt
der Low-Pegel nicht immer exakt 0 Volt und der High-Pegel nicht immer
exakt den Wert der Versorgungsspannung.
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Die
Basis des PNP-Transistors T1 ist mit dem Anschluss 12 verbunden,
der Emitter mit dem Ausgang des Flip-Flops 11 und der Kollektor
mit dem Steuereingang des Leistungstreibers 10. Der Ausgang
des Leistungstreibers 10 ist mit der Basis des NPN-Transisors
T2 und über
einen Verbraucher 13 mit der Versorgungsspannung U0 des Kraftfahrzeugs verbunden. Der Emitter
des Transistors T2 ist auf den Reset-Eingang des Flip-Flops 11 geführt. Der
Kollektor des Transistors T2 ist mit dem Kollektor des Transistors
T1 verbunden. Der Toggle-Eingang des Flip-Flops 11 ist über den
Taster S2 mit der Versorgungsspannung U0 verbunden.
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Im
Normalbetrieb beeinflusst der Benutzer den Ausgangszustand des Flip-Flops 11,
indem er den Taster S2 betätigt.
Bei jeder Betätigung
wird ein Impuls auf den Toggle-Eingang des Flip-Flops 11 gegeben,
durch den der Ausgangszustand des Flip-Flops 11 von Low
auf High wechselt oder umgekehrt. Bevorzugt liegt am Ausgang des
Flip-Flops 11 im Ausgangszustand High die Versorgungsspannung des
KFZ an, im Ausgangszustand Low ein Potential von 0 Volt gegen die
Fahrzeugmasse.
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Ist
der Ausgangszustand des Flip-Flops 11 Low, so liegt am
Emitter des Transistors T1 keine Spannung an und der Transistor
T1 sperrt, wodurch am Kollektor unabhängig vom Signal am Anschluss 12 ein
Potential von 0 Volt herrscht. Das eingangsseitige Steuersignal
wird also nicht zum Leistungstreiber 10 durchgeschaltet.
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Ist
der Ausgangszustand des Flip-Flops 11 High, so liegt am
Emitter des Transistors T1 ein High-Pegel an. Während des Duty Cycle des eingangsseitigen
Steuersignals ist der Anschluss 12 und damit die Basis
des Transistors T1 mit Masse verbunden und der Transistor T1 schaltet
durch. Somit herrscht am Kollektor des Transistors T1 ein High-Pegel.
Der Leistungstreiber 10 schaltet durch und der Verbraucher 13 wird
mit Energie versorgt. Außerhalb
des Duty Cycle ist der Anschluss 12 nicht mit Masse verbunden
und über
den Pull-Up-Widerstand R1 liegt die Versorgungsspannung an der Basis
des Transistors T1 an. Der Transistor T1 sperrt und am Kollektor
des Transistors T1 herrscht ein Potential von 0 Volt. Der Leistungstreiber 10 versorgt den
Verbraucher 13 nicht mit Energie.
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Ist
der Leistungstreiber 10 defekt oder befindet er sich in
Schutzabschaltung, beispielsweise aufgrund von Überhitzung, so liegt am Eingang
des Leistungstreibers ein High-Signal an, der Ausgang wird jedoch
nicht auf Masse durchgeschaltet. Über den Verbraucher 13 fließt kein
Strom, weshalb die Basis des Transistors T2 auf dem Potential der
Versorgungsspannung U0 liegt. Am Kollektor
des Transistors T2 liegt das vom Kollektor des Transistors T1 abgegriffene
High-Signal an, das auch am Eingang des Leistungstreibers 10 anliegt.
Der Transistor T2 schaltet durch, am Emitter des Transistors T2
herrscht ein High-Pegel, der auf den Reset-Eingang des Flip-Flops 11 geführt ist.
Dadurch wird der Ausgangszustand des Flip-Flops 11 auf
Low gesetzt und das eingangsseitige Steuersignal über den
Transistor T1 wie oben beschrieben nicht mehr zum Leistungstreiber 10 durchgeschaltet.
Dies ist so lange der Fall, bis der Benutzer den Taster S2 betätigt und
den Ausgangszustand des Flip-Flops 11 dadurch wieder auf High
setzt.
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Durch
eine Inversion der Schaltungslogik kann die vorgeschlagene Schaltungsanordnung
mit nur geringen Modifikationen für eingangsseitige High-side-Signale
und/oder einen High-Side-Leistungstreiber
verwendet werden.
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Die
vorangegangenen Ausführungsbeispiele zeigen
lediglich zwei mögliche
Ausführungsformen des
Erfindungsgedankens. Je nach konkreter Verwendung ist eine entsprechende
zusätzliche
Beschattung möglich.
Ebenso stellen Komponenten wie beispielsweise der Pull-Up-Widerstand
R1 optionale Elemente dar.