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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Anwendung für ein Fahrzeug, welche zwischen eine Batteriespannung an einem Eingang der Schaltungsanordnung und eine Last an einem Ausgang der Schaltungsanordnung elektrisch schaltbar ist. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Versorgungsschaltung, die im Falle einer transienten Spannung am Eingang der Schaltungsanordnung die Last am Ausgang der Schaltungsanordnung mit Gleichspannung versorgen kann und eine Schutzschaltung, die die Last am Ausgang der Schaltungsanordnung vor unerwünschten Spannungen schützt.
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Batteriegespeiste Bordnetze in Fahrzeugen können hohe positive oder negative transiente Spannungen aufweisen, die Lasten beschädigen können, die mit dem Bordnetz verbunden sind. Bei Schutzschaltungen, die Lasten während transienter Spannungen von der Batteriespannung trennen, tritt in Folge der Trennung an den Lasten eine Unterbrechung der Spannungsversorgung auf.
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In der
DE 10 2015 201 260 A1 wird eine Überspannungsschutzvorrichtung für ein Fahrzeugsteuergerät beschrieben, bei der eine bidirektionale Suppressordiode als Schutz vor transienten Spannungen Spitzen der Bordnetzspannung auf Masse schaltet, wenn die Bordnetzspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Die Vorrichtung weist weiter einen einseitig mit Masse verbundenen Kondensator als Energiespeicher auf, der im Notfall die insbesondere vorübergehende Versorgungsspannung für das Steuergerät bereitstellt.
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Die
DE 41 10 495 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die
DE 10 2015 201 260 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für eine Anwendung in einem Fahrzeug, welche zwischen eine Batteriespannung an einem Eingang der Schaltungsanordnung und eine Last an einem Ausgang der Schaltungsanordnung geschaltet ist. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Versorgungsschaltung, die im Falle einer transienten Spannung am Eingang der Schaltungsanordnung die Last an einem Ausgang der Schaltungsanordnung mit Gleichspannung versorgen und eine Schutzschaltung, die die Last am Ausgang der Schaltungsanordnung vor unerwünschten Spannungen schützt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstig realisierbare Schaltungsanordnung für eine Anwendung für ein Fahrzeug bereitzustellen, die mit der Schaltungsanordnung verbundene Lasten vor unerwünschten Spannungen schützt und zugleich die Spannungsversorgung gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Es sei ferner angemerkt, dass eine hierin nachstehend verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
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Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für eine Anwendung für ein Fahrzeug ist zwischen eine Batteriespannung an einem Eingang der Schaltungsanordnung und eine Last an einem Ausgang der Schaltungsanordnung elektrisch schaltbar. Die Batteriespannung am Eingang der Schaltungsanordnung kann auch eine von der Batteriespannung abgeleitete Größe sein. Die Schaltungsanordnung umfasst eine Versorgungsschaltung, die im Falle einer transienten Spannung am Eingang der Schaltungsanordnung die Last am Ausgang der Schaltungsanordnung mit Gleichspannung versorgen kann und eine Schutzschaltung, die zwischen Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung schaltbar ist und die die Last am Ausgang der Schaltungsanordnung vor unerwünschten Spannungen schützt. Die Versorgungsschaltung umfasst dabei eine kapazitive Kopplungsschaltung, welche zwischen Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung schaltbar ist. Die Versorgungsschaltung und die Schutzschaltung sind parallel zwischen Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung geschaltet.
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Durch die Parallelschaltung von Schutzschaltung und Versorgungsschaltung zwischen Eingang und Ausgang der Schaltungsanordnung kann ein Schutz der Last am Ausgang der Schaltungsanordnung erreicht werden und zugleich die Versorgung der Last mit Spannung durch die kapazitive Kopplungsschaltung sichergestellt werden. Die kapazitive Kopplungsschaltung entspricht dabei einer sogenannten Verbindung im AC-Modus (AC: „Alternating Current“), bei der der Kondensator seriell zwischen Eingang und Ausgang geschaltet wird. Die Größe des Kondensators für die kapazitive Kopplungsschaltung kann beispielsweise kleiner gewählt werden als die Größe eines Kondensators, der auf herkömmliche Weise im sogenannten DC-Mode (DC: „Direct Current“) mit Masse verschaltet wird. Bei der erfindungsgemäßen kapazitiven Kopplungsschaltung ist die Versorgungsschaltung auch bei kleiner gewähltem Kondensator in der Lage, den Ausgang und die damit evtl. verbundene Last vorübergehend mit Spannung zu versorgen. Bevorzugt ist der Kondensator der kapazitiven Kopplungsschaltung dabei parallel zu einer bidirektionalen Suppressordiode geschaltet, die Spannungsspitzen, die am Kondensator anliegen, auf vorgebbare Werte kappt.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Schutzschaltung eine Schutzdiode, die die Last am Ausgang der Schutzschaltung vor negativen Spannungen schützt, indem sie nur Ströme bei positiv anliegender Spannung passieren lässt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Schutzschaltung eine Überspannungsschutzschaltung alternativ oder zusätzlich zur Schutzdiode. Die Überspannungsschutzschaltung schützt die Last vor transienten Spannungen, die einen vorgebbaren Schwellwert überschreiten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Überspannungsschutzschaltung dabei die Schutzdiode in Serie vorgeschaltet. Die Überspannungsschutzschaltung trennt den Ausgang der Schutzschaltung dann bei positiven Spannungen, die einen vorgebbaren Schwellwert überschreiten, vom Eingang der Schutzschaltung. Negative Spannungen werden durch die Schutzdiode, die der Überspannungsschutzschaltung in Serie vorgeschaltet ist, vermieden. Die Überspannungsschutzschaltung ist besonders für Fahrzeuge mit einem 24V Bordnetz vorteilhaft, wo die Anforderungen an Schutz vor transienten Spannungen höher sind als für herkömmliche 12V Bordnetze.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schaltungsanordnung eine Regelschaltung umfasst, die die Spannung am Ausgang der Schaltungsanordnung auf einen vorgebbaren Wert regelt, wobei die Regelschaltung in Reihe mit der Versorgungsschaltung geschaltet ist. Bevorzugt ist die Regelschaltung der Versorgungsschaltung nachgeschaltet, also zwischen Versorgungsschaltung und den Ausgang der Schaltungsanordnung geschaltet. Die Regelschaltung umfasst einen NPN-Transistor, eine Z-Diode und einen Kondensator, wobei die Z-Diode und der Kondensator parallel zueinander geschaltet sind und jeweils auf einer Seite mit Masse verbunden sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein zweite Schutzschaltung vorgesehen, welche eine Spannung am Ausgang der Schaltungsanordnung in einem vorgebbaren Bereich hält, und/oder den Ausgang vom Eingang trennt, wenn die Batteriespannung am Eingang Werte außerhalb des vorgebbaren Bereiches aufweist. Die zweite Schutzschaltung umfasst bevorzugt eine bidirektionale Suppressordiode. Eine bidirektionale Suppressordiode ist dabei beispielsweise als eine Back-to-Back-Schaltung zweier Z-Dioden ausgeführt, wobei die beiden Z-Dioden jeweils auf ihrer Kathodenseite miteinander verschaltet sind.
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Die zweite Schutzschaltung ist bevorzugt zwischen den Eingang der Schaltungsanordnung und Masse geschaltet. Die zweite Schutzschaltung umfasst dabei bevorzugt eine bidirektionale Suppressordiode, welche auf ihrer einen Seite mit dem Eingang und auf ihrer anderen Seite mit Masse verbunden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit Gleichspannungsbatterie und Lastklemme,
- 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einer Diode als Schutzschaltung,
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungsschaltung,
- 4 ein Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung,
- 5 ein Ausführungsbeispiel einer Regelschaltung,
- 6 beispielhafte Spannungsverläufe an Punkten der Schaltungsanordnung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung 10 gemäß der Erfindung mit einer Gleichspannungsbatterie B. An einem Eingang E der Schaltungsanordnung 10 liegt die Batteriespannung UB der Batterie B oder eine von der Batteriespannung UB abgeleitete Spannung an. An ihrer zweiten Klemme ist die Batterie B mit Masse 16 verbunden. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst zwei parallel zwischen Eingang E und Ausgang A geschaltete Zweige. Der erste Zweig umfasst eine Schutzschaltung 11 mit einem Eingang 11.E der Schutzschaltung und einem Ausgang 11.A der Schutzschaltung. Der parallel dazu verlaufende zweite Zweig umfasst ein oder mehrere Elemente in Serie: eine zweite Schutzschaltung 14, eine Versorgungsschaltung 12 und/oder eine Regelschaltung 13. Ein Ausgang A der Schaltungsanordnung 10 kann mit einer Last L verbunden werden und diese somit vor unerwünschten, insbesondere transienten, Spannungen schützen.
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Die zweite Schutzschaltung 14 ist zwischen den Eingang E und Masse 16 geschaltet. Die zweite Schutzschaltung 14 umfasst dabei eine bidirektionale Suppressordiode in Form von zwei an ihren Kathoden verschalteten Z-Dioden. Auf einer Seite ist die bidirektionale Suppressordiode mit dem Eingang E der Schaltungsanordnung 10 verbunden. Auf der anderen Seite ist die bidirektionale Suppressordiode mit Masse 16 verbunden. Die zweite Schutzschaltung 14 ist optional und schützt eine Last am Ausgang A sowie andere Komponenten der Schaltungsanordnung 10 vor Überspannungen.
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Hinter die zweite Schutzschaltung 14 ist ein Eingang 12.E der Versorgungsschaltung 12 geschaltet. Ein Ausgang 12.A der Versorgungsschaltung ist dann mit einem Eingang 13.E der Regelschaltung 13 verbunden. Ein Ausgang 13.A der Regelschaltung 13 ist mit dem Ausgang A der Schaltungsanordnung 10 verschaltet.
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2 zeigt ein Beispiel einer Schaltungsanordnung 10, bei der die Schutzschaltung 11 als Schutzdiode 20 ausgeführt ist. Die Schutzdiode 20 lässt nur Ströme Richtung Ausgang A passieren, wenn eine positive Spannung an ihr anliegt. Eine am Ausgang A der Schutzschaltung 10 verschaltete Last ist somit durch die Schutzdiode 20 vor negativen Spannungen geschützt.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Versorgungsschaltung 12. An den Eingang 12.E schließen sich ein Kondensator 30 und eine bidirektionale Suppressordiode 32 an. Der Kondensator 30 und die bidirektionale Suppressordiode 32 sind parallelgeschaltet, so dass eine Seite des Kondensators 30 mit dem Eingang 12.E verbunden ist und eine Seite der Suppressordiode 32 mit dem Eingang 12.E verbunden ist. Mit der zweiten Seite des Kondensators 30 und der bidirektionalen Suppressordiode 32 ist die Kathode einer Diode 34 und die Anode einer Diode 36 verschaltet. Die Anodenseite der Diode 34 ist mit Masse verbunden. Die Kathodenseiten der Diode 36 ist mit dem Ausgang 12.A der Versorgungsschaltung 12 verbunden. Ebenfalls mit dem Ausgang 12.A der Versorgungsschaltung 12 ist eine Seite eines Kondensators 38 verbunden, dessen zweite Seite mit Masse 16 verschaltet ist.
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Im Falle einer transienten Spannung kann die Schutzschaltung 11 den Ausgang A vom Eingang E der Schaltungsanordnung 10 trennen. Die Schutzschaltung kann hierfür beispielsweise gemäß 2 oder gemäß 4 ausgeführt sein, wobei die Schutzdiode 20 in 2 bzw. 4 optional ist. Für den Fall, dass die Schutzschaltung 11 den Ausgang A vom Eingang E der Schaltungsanordnung 10 trennt, ergibt sich eine Spannungsdifferenz am Kondensator 30 der in 3 gezeigten Versorgungsschaltung 12, so dass dieser in der Folge entladen wird und seine gespeicherte Energie über den Ausgang 12.A der Versorgungsschaltung 12 zur Verfügung stellen kann. Die Spannungen am Kondensator 30 können Werte erreichen, die bis zu den vorgebbaren Schwellen reichen, die durch die bidirektionale Suppressordiode 32 zugelassen werden. Spannungswerte die höher sind als die vorgebbaren Schwellen, werden von der bidirektionalen Suppressordiode 32 gekappt. Hierdurch werden Schäden am Kondensator 30 durch zu hohe Spannungen vermieden.
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In 4 ist ein Beispiel einer Schutzschaltung 11 mit Eingang 11.E und Ausgang 11.A dargestellt. Die Schutzschaltung 11 umfasst eine Überspannungsschutzschaltung. Der dargestellten Überspannungsschutzschaltung ist eine Schutzdiode 20 vorgeschaltet, die beispielsweise der Schutzdiode 20 aus 2 entspricht. Die Schutzdiode 20 ist mit ihrer Anode mit dem Eingang 11.E verschaltet und in dem Ausführungsbeispiel von 4 optional. Die Überspannungsschutzschaltung umfasst eine Z-Diode 40, die mit ihrer Kathode mit der Kathode der Schutzdiode 20 oder dem Eingang 11.E (falls keine Schutzdiode 20 vorgesehen ist) verschaltet ist. Mit ihrer Anode ist die Z-Diode 40 mit dem ersten Ende eines Widerstandes 42 verbunden. Das zweite Ende des Widerstandes 42 ist mit der Basis eines NPN Transistors 46 verbunden. Der Emitter des NPN Transistors 46 ist mit Masse 16 verbunden, wobei zwischen Basis und Emitter des NPN Transistors 46 ein Widerstand 44 geschaltet ist. Der Kollektor des NPN Transistors 46 ist dabei mit dem ersten Ende eines Widerstandes 48 verbunden. Das zweite Ende des Widerstandes 48 ist dann mit der Basis eines PNP Transistors 52 verbunden, wobei zwischen Basis und Emitter des PNP Transistors 52 ein weiterer Widerstand 50 geschaltet ist. Zugleich ist der Emitter des PNP Transistors 52 und der Widerstand 50 mit der Kathode der Schutzdiode 20 oder dem Eingang 11.E (falls keine Schutzdiode 20 vorgesehen ist) verbunden. Der Kollektor des PNP Transistors 52 ist dann über einen Widerstand 54 mit der Basis eines NPN Transistors 58 verbunden. Der Emitter des NPN Transistors 58 ist mit Masse 16 verbunden, wobei zwischen der Basis und dem Emitter des NPN Transistors 58 ein Widerstand 56 geschaltet ist. Der Kollektor des NPN Transistors 58 ist mit der Basis eines NPN Transistors 62 und parallel dazu mit einem Widerstand 60 verbunden. Dabei ist das andere Ende des Widerstands 60 und der Kollektor des NPN Transistors 62 mit der Kathode des Schutzdiode 20 oder dem Eingang 11.E (falls keine Schutzdiode 20 vorgesehen ist) verbunden. Der Emitter des NPN Transistors 62 ist dann mit dem Ausgang 11.A der Schutzschaltung 11 verbunden.
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Die dargestellte Überspannungsschutzschaltung schützt insbesondere vor unerwünschten positiven, transienten Spannungen. Die Kombination mit der Schutzdiode 20 ist deshalb besonders vorteilhaft, weil die Schutzdiode 20 vor negativen Spannungen schützt. Sobald die an der Z-Diode anliegende Spannung die Durchbruchsspannung der Z-Diode erreicht, bricht diese durch und wird leitend und aktiviert in der Folge in Kaskade die Transistoren 46, 52, 58 und 62. Daraufhin wird die Verbindung zu und damit die Energiezufuhr am Ausgang 11.A unterbrochen und eine eventuell am Ausgang A anliegende Last vor unerwünschter Spannung geschützt, die einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Der Wert des Schwellwertes ist dabei durch die Wahl der Werte der Bauteile 40, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60 und/oder 62, die in der Überspannungsschutzschaltung enthalten sein können, einstellbar. Insbesondere ist der Wert durch die Wahl der Durchbruchsspannung der Z-Diode 40 einstellbar.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Regelschaltung 13 mit einem Eingang 13.E und einem Ausgang 13.A dargestellt. Der Kollektor eines NPN Transistors 63 ist mit dem Eingang 13.E verbunden. Ein Widerstand 64 ist mit einer Seite ebenfalls mit dem Eingang 13.E verbunden. Mit seiner anderen Seite ist der Widerstand 64 mit der Kathode einer Z-Diode 66 und einer Seite eines Kondensators 68 verbunden. Die andere Seite des Kondensators 68 ist mit Masse 16 verbunden. Die Anode der Z-Diode 66 ist ebenfalls mit Masse verbunden. Der Kondensator 68 und die Z-Diode 66 sind somit parallel geschaltet. Jeweils eine Seite des Widerstandes 64 und des Kondensators 68 sowie die Kathode der Z-Diode 66 sind mit der Basis des NPN Transistors 63 verbunden. Der Emitter des NPN Transistors 63 ist mit dem Ausgang 13.A verbunden. Die Regelschaltung 13 reguliert die Spannung, die am Ausgang 13.A anliegt und verhindert so mögliche Schäden an einer am Ausgang 13.A und Ausgang A anliegenden Last, indem über die Schaltung mit der Z-Diode 66 und dem NPN Transistor 63 die Spannung begrenzt wird, die am Ausgang 13.A und damit am Ausgang A anliegt.
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In 6 sind beispielhafte Spannungsverläufe dargestellt, wie sie in der Schaltungsanordnung 10 vorliegen können, wenn die Spannung am Eingang E einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet. Dieser Fall ist für die Batteriespannung UB in der Kurve 70 dargestellt, wo die Batteriespannung UB zu einem gewissen Zeitpunkt ansteigt. In der Folge wird die Durchbruchspannung der Z-Diode 40 (4) erreicht, welche durchbricht und leitend wird. In Kaskade werden die Transistoren 46, 52, 58 und 62 aktiviert, so dass am Emitter des NPN Transistors 62 keine Spannung mehr anliegt. Dies entspricht einem spannungslosen Ausgang 13.A. Am Kondensator 30 (3) wird sich daraufhin die anliegende Spannung ändern, so dass die Spannung an der Kathode von Diode 34 ansteigt - dies ist in 6 in der mittleren Kurve 72 dargestellt. Nach Durchgang durch die Diode 36 (3) wird die Spannung durch den NPN Transistor 63 (5) gesteuert. Die Steuerung erfolgt dabei über die Z-Diode 66 und den Widerstand 64. Durch geeignet Wahl und/oder geeignetes Einstellen der Werte für die Z-Diode 66 und/oder den Widerstand 64 kann die Spannung am Ausgang 13.A und damit am Ausgang A eingestellt werden.
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Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der Schaltungsanordnung ergeben. Insbesondere sind die hierin vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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In besonders bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Schutz von Steuergeräten in Bordnetzen, beispielsweise 24V Bordnetzen, beispielsweise für verbrennungsmotorisch und/oder elektromotorisch angetriebene Kraftfahrzeuge, verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- 11
- Schutzschaltung
- 11.A
- Ausgang der Schutzschaltung
- 11.E
- Eingang der Schutzschaltung
- 12
- Versorgungsschaltung
- 12.A
- Ausgang der Versorgungsschaltung
- 12.E
- Eingang der Versorgungsschaltung
- 13
- Regelschaltung
- 13.A
- Ausgang der Regelschaltung
- 13.E
- Eingang der Regelschaltung
- 14
- zweite Schutzschaltung
- 16
- Masse
- 20
- Schutzdiode
- 30, 38, 68
- Kondensator
- 32
- an ihren Kathoden verschaltete Z-Dioden
- 34, 36, 40
- Diode
- 42, 44, 48, 50, 54, 56, 60, 64
- Widerstand
- 46, 58, 62, 63
- NPN Transistor
- 52
- PNP Transistor
- 66
- Z-Diode
- 70
- Spannungsanstieg von UB
- 72
- Spannung an der Kathode von Diode 34
- 74
- Spannung am Emitter von Transistor 62
- 76
- Ausgangsspannung am Ausgang A
- A
- Ausgang der Schaltungsanordnung
- B
- Batterie
- E
- Eingang der Schaltungsanordnung
- L
- Lastklemme
- UB
- Batteriespannung
