-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz
gegen Verpolung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
-
Aus
der
DE 10 2006
010 528 A1 ist ein Verpolschutz bekannt, der durch die
Ansteuerung des Gates bzw. der Basis von Transistoren eine polaritätsempfindliche
Einrichtung gegen eine verpolte Spannung einer Spannungsquelle schützt.
Dazu wird ein niederohmiger Schalter derart in die Schaltungsanordnung
eingebracht, dass durch einen nicht leitenden Zustand des niederohmigen
Schalters der Verpolschutz der polaritätsempfindlichen
Einrichtung sichergestellt ist.
-
Aus
der
DE 10 2007
062 955 A1 ist eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung
eines Bordnetzes beschrieben. Die Schaltung umfasst zumindest eine
mit einem Transistor parallel geschaltete Diode, wobei das Gate
bzw. die Basis des Transistors durch eine Ladungspumpe derart mit
Spannung versorgt wird, dass in bestimmten Zuständen der
Schaltung der Transistor leitend bzw. nicht leitend geschaltet ist.
-
Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Schaltungsanordnung zum Schutz gegen Verpolung
eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch eine kostengünstige Ausführung
auszeichnet.
-
Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsform
ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs.
-
Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Gate bzw. die
Basis eines Transistors, der zusammen mit einer Diode in Parallelschaltungsanordnung
ein steuerbares Diodenelement bildet und der zwischen einem elektrischen
Leitungsnetz und einem elektrischen Energiespeicher angeordnet ist, über
eine durch den elektrischen Energiespeicher gespeiste Schaltgruppe
mit Spannung zu versorgen, wobei die Schaltgruppe so ausgebildet ist,
dass im Falle einer Verpolung des elektrischen Energiespeichers
das Gate bzw. die Basis des Transistors mit einer Spannung versorgt
wird, die zu einer Sperrung des Transistors führt. Vorteilhaft
an einem solchen, einen Transistor und eine Diode in Parallelschaltungsanordnung
umfassenden, steuerbaren Diodenelement ist zum einen die Möglichkeit
des Ladens des elektrischen Energiespeichers über das elektrische
Leitungsnetz. Dazu wird die Diodenfunktion des steuerbaren Diodenelements über
das Gate bzw. die Basis des Transistors ausgeschaltet, in dem der
Transistor leitend geschaltet wird. Desweiteren liegt ein weiterer
Vorteil einer solchen Schaltungsanordnung in einem zentralen Schutz
gegen Verpolung, so dass in dem elektrischen Leitungsnetz befindliche Verbraucher
keinen separaten Verpolschutz mehr benötigen. Dadurch ist
eine kostengünstige Auslegung des Gesamtsystems ermöglicht.
-
Das
steuerbare Diodenelement übernimmt dabei mittels der Funktion
einer schaltbaren Diode den, insbesondere zentralen, Schutz gegen
Verpolung. Unter bestimmten Bedingungen wirkt dieses schaltbare
Diodenelement wie ein ganz normaler Leiter, während unter
anderen Bedingungen das Diodenelement als reine Diode fungiert.
Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Diode mit einem Transistor
parallel geschaltet wird. Eine solche parallel geschaltete Dioden-/Transistoranordnung
ist steuerbar, da das Gate bzw. die Basis des Transistors so mit
einer Spannung versorgt werden kann, dass der Transistor entweder
in beiden Richtungen leitend oder in beiden Richtungen sperrend
wirkt. Ist somit der Transistor leitend geschaltet, verhält
sich das schaltbare Diodenelement wie ein ganz normales Leitungsstück,
da der Strom in einer Richtung über die Diode und den Transistor
fließen kann, während in der anderen Richtung
ein Stromfluss nur über den Transistor ermöglicht
ist. Ist der Transistor dagegen sperrend gepolt, so verhält
sich das schaltbare Diodenelement wie eine reine Diode, da der Stromfluss ausschließlich über
die Diode geregelt wird. Bei dementsprechender Ausrichtung der Diode
ist somit ein Strom von dem elektrischen Leitungsnetz zu dem elektrischen
Energiespeicher unterbindbar, während im Falle der leitenden
Schaltung des Transistors ist im Gegensatz zum gesperrten Transistors
ein Stromfluss aus dem elektrischen Leitungsnetz zu dem elektrischen
Energiespeicher ermöglicht ist.
-
Als
Dioden können Leistungsgleichrichter, Silizium-PN-Dioden,
Schottky-Dioden, Verpolschutzdioden sowie Freilaufdioden eingesetzt
werden. Bevorzugt werden NP- bzw. PN-Hlableiterdioden eingesetzt
werden.
-
Als
Transistoren können Bipolartransistoren, NPN-Transistoren,
Feldeffekttransistoren, Sperrschichtfeldeffekttransistoren, Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren
oder dergleichen zum Einsatz kommen. Bevorzugt werden Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren
(MOSFET) eingesetzt.
-
Zusammenfassend
kann die Funktion des steuerbaren Diodenelements so beschrieben
werden, dass das steuerbare Diodenelement das Verhalten einer Diode
in dem einen Zustand an den Tag legt, während in dem anderen
Zustand das Verhalten des steuerbaren Diodenelements einem normalen Leiter
entspricht. Steuerbar ist diese Funktionalität über
das Gate bzw die Basis des Transistors des Diodenelementes.
-
Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
-
Es
zeigen, jeweils schematisch,
-
1 ein
zwischen einem elektrischen Energiespeicher und einem elektrischen
Leitungsnetz angeordnetes steuerbares Diodenelement,
-
2 eine
durch den elektrischen Energiespeicher gespeiste Schaltgruppe zur
Spannungsversorgung eines Gates bzw. einer Basis des Transistors.
-
Wie
in 1 gezeigt, weist eine Schaltungsanordnung 1 zum
Schutz gegen Verpolung ein zwischen einem elektrischen Energiespeicher 2 und
einem elektrischen Leitungsnetz 3 angeordnetes steuerbares
Diodenelement 4 auf. Das steuerbare Diodenelement 4 ist
mit einer zu einem Transistor 5 parallel geschalteten Diode 6 ausgestattet.
In dem Leitungsnetz 3 kann zumindest ein Verbraucher 7 angeordnet
sein. Desweiteren ist es bzweckmäßig den Generator 7 im
elektrischen Leitungsnetz 3 anzubinden. Üblicherweise
ist der Starter an der Zuleitung von dem elektrischen Energiespeicher 2 zu
dem steuerbaren Diodenelement 4 angebunden sein. Außerdem
ist eine Steuerung 10 unter anderem mit einem Gate bzw.
einer Basis 11 des Transistors 5 leitend verbunden.
Sowohl der Minuspol – des elektrischen Energiespeichers 2 als
auch jeweils der Verbraucher 7 ist über die Masse 12 geerdet,
die im Falle eines Fahrzeugs die Karosserie sein kann. Der Pluspol
ist wie derzeit üblich mit dem Leitungsnetz 3 über das
szeuerbare Diodenelement 4 verbunden.
-
Das
steuerbare Diodenelement 4 dient in Folge seiner Anordnung
dem Entkoppeln des elektrischen Energiespeichers 2 von
dem elektrischen Leitungsnetz 3, z. B. während
eines Automatikstarts und in Abhängigkeit vom Motor auch
z. B. während eines Stoppvorgangs. Durch die Entkopplung
wird verhindert, dass Strom von dem elektrischen Leitungsnetz 3 zu
dem elektrischen Energiespeicher 2 fließt. Aufgrund
der Diodenfunktion des steuerbaren Diodenelements 4 ist
dabei allerdings ein Stützen des elektrischen Leitungsnetzes 3 durch
den elektrischen Energiespeicher 2 möglich ohne
einen Stromfluss von der elektrischen Energiespeicher 2 in
Richtung des Starters 9 zu erhalten. Bevorzugt kann ein
solches steuerbares Diodenelement 4 bei Fahrzeugen mit
einer Stopp-/Startfunktion sowie bei Hybriden eingesetzt werden.
-
Ein
solches steuerbares Diodenelement 4 lässt im leitenden
Zustand einen Stromfluss sowohl in Richtung des elektrischen Leitungsnetzes 3 als auch
in Richtung des elektrischen Energiespeichers 2 zu. Dadurch
ist es möglich, dass in Abhängigkeit vom jeweiligen
Zustand der Generator 8 den elektrischen Energiespeicher 2 lädt.
Wird dies z. B. nicht mehr gewünscht, wie im Falle eines
vollständig geladenen elektrischen Energiespeichers 2,
so ist es denkbar, dass die Steuerung 10 ein Signal zu
dem Gate bzw. der Basis 11 überträgt,
so dass der Transistor 5 des steuerbaren Diodenelements 4 sperrend geschaltet
wird. In diesem Fall ist ein Stromfluss von dem elektrischen Leitungsnetz 3 zu
dem elektrischen Energiespeichers 2 unterbunden, während
ein Stromfluss in das elektrische Leitungsnetz 3 weiterhin
durch die Diode 6 ermöglicht ist.
-
Bevorzugt
wird bei einem solchen steuerbaren Diodenelement 4 ein
normal sperrender Transistor 5 verwendet. Dies hat den
Vorteil, dass bei einem Entkoppeln des elektrischen Energiespeichers 2 von dem
steuerbaren Diodenelement 4 im Falle einer Stromversorgung
des Gates 11 bzw. der Basis 11 durch den elektrischen
Energiespeicher 2 die Stromversorgung des Gates bzw. der
Basis 11 wegfällt und somit der Transistor aufgrund
der fehlenden Gate- bzw. Basisspannung sperrend geschaltet ist.
Somit wird beim Trennen des elektrischen Energiespeichers 2 von
dem steuerbaren Diodenelement 4 eine Übertragung
von Strom aus dem elektrischen Leitungsnetz 3 über
das steuerbare Diodenelement 4 hinaus unterbunden.
-
Ein
steuerbares Diodenelement 4, wie in 2 dargestellt,
und zwischen einem elektrischen Energiespeicher 2 und einem
elektrischen Leitungsnetz 3 angeordnet, kann mehrere parallel
geschaltete Transistor–/Diodenpaare 13, die ebenfalls
zueinander parallel geschaltet sind, aufweisen. Eine durch die elektrischen
Energiespeicher 2 gespeiste Schaltgruppe 14 versorgt
die Gates bzw. Basen 11 der Transistoren 5 mit
Spannung. Desweiteren kann das steuerbare Diodenelement 4 mit
einer Spannungsmessung bzw. Flussrichtungserkennung 15 ausgestattet
sein. Ein Ausgangssignal 16 der Flussrichtungserkennung 15 dient
ebenso als Eingangssignal in die Schaltgruppe 14 wie ein
von der in 2 nicht gezeigten Steuerung 10 kommendes
Steuersignal 17, das das Sperren des Transistors 5 steuert.
Des Weiteren kann die Schaltgruppe 14 eine Ladungspumpe,
eine IOD-Schaltung, sowie einen Negierer 18 oder ein logisches
OR-element 19 aufweisen. Die Transistoren 5 sind
bevorzugt als sperrende Transistoren ausgebildet, da im Falle von
normal sperrenden Transistoren bei Wegfall der Spannungsversorgung des
Gates bzw. der Basis 11 diese Transistoren 5 sperrend
geschaltet sind und somit ein Stromfluss von dem elektrischen Leitungsnetz 3 in
Richtung des elektrischen Energiespeichers 2 unterbinden
wird. Im Falle einer Verpolung des elektrischen Energiespeichers 2 wird
das Gate bzw. die Basis 11 des jeweiligen Transistors 5 über
den elektrischen Energiespeicher 2 mit einer vergolten
Spannung versorgt, wodurch die Transistoren in einen sperrenden
Zustand wechseln. Somit sind im Falle der Verpolung des elektrischen
Energiespeichers 2 die Transistoren 5 nicht leitend.
Die Diode 6 ist entgegen ihrer Anschlussrichtung ebenfalls
an die verpolte Spannung angeschlossen und damit ebenfalls nicht
leitend. Daraus folgt, dass im Falle eines falsch angeschlossenen
elektrischen Energiespeichers 2 sowohl Diode 6 als
auch Transistor 5 nicht leitend sind, wodurch das steuerbare
Diodenelement 4 auch in diesem Fall das Verhalten einer
Diode aufweist.
-
Da
das steuerbare Diodenelement 4 zwischen dem elektrischen
Energiespeicher 2 und dem elektrischen Leitungsnetz 3 angeordnet
ist und somit zentral eine Verpolung, also eine Beaufschlagung des
elektrischen Leitungsnetzes 3 und der daran angeschlossenen
Verbraucher 7 mit einer vergolten Spannung verhindert werden
kann, ist ein jeweiliger Verpolschutz der einzelnen Verbraucher 7,
die im elektrischen Leitungsnetz 3 angeordnet sind, nicht mehr
notwendig. Dies führt zu einer erheblichen Vereinfachung
der Schaltungslogik und zu einer erheblichen Kostenreduktion für
eine Elektronik mit einer solchen zentralen Schaltungsanordnung
zum Schutz gegen Verpolung.
-
- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- elektrische
Energiespeicher
- 3
- elektrisches
Leitungsnetz
- 4
- steuerbares
Diodenelement
- 5
- Transistor
- 6
- Diode
- 7
- Verbraucher
- 8
- Generator
- 9
- Starter
- 10
- Steuerung
- 11
- Gate
bzw. Basis
- 12
- Masse
- 13
- Transistor-/Diodenpaar
- 14
- Schaltgruppe
- 15
- Flussrichtungserkennung
- 16
- Ausgangssignal
- 17
- Steuerungssignal
- 18
- Negierer
- 19
- logisches
OR-element
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006010528
A1 [0002]
- - DE 102007062955 A1 [0003]