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Die
Erfindung betrifft einen elektronischen Schaltkreis zum Bereitstellen
einer geeigneten Lastspannung zur Versorgung einer ersten elektronischen
Last selbst in vorbestimmten Störungsfällen. Bei
der ersten elektronischen Last handelt es sich insbesondere um ein
Steuergerät
in einem Kraftfahrzeug Kfz.
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Derartige
Schaltkreise sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
Sie sind zum Beispiel in dem heutzutage sehr gebräuchlichen
Steuergerät
EDC7 C1 für
Kfz von der Robert Bosch GmbH integriert. In bestimmten Störungsfällen, das
heißt genauer
gesagt bei Auftreten eines Lastabfalls oder wenn die Batterie des
Kraftfahrzeugs mit falscher Polung an die Last angeschlossen wird,
dienen diese bekannten Schaltkreise dazu, die Versorgungsspannung
für die
Last und damit auch den Laststrom zu begrenzen.
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Genauer
gesagt besteht der bekannte elektronische Schaltkreis in dem o.g.
Steuergerät
aus einer zu einem Spannungsgenerator, im Kfz üblicherweise die Lichtmaschine,
parallel geschalteten Reihenschaltung umfassend eine elektrische
Sicherung und eine Zenerdiode, welche mit ihrer Anode nach Masse
geschaltet ist. Die Lastspannung zur Versorgung der ersten Last
wird dabei über
der Zenerdiode abgegriffen. Bei der ersten Last handelt es sich üblicherweise
um ein Steuergerät
des Kraftfahrzeugs. Typischerweise sind jedoch auch noch weitere
Lasten parallel zu dem Spannungsgenerator geschaltet. Bei diesen
weiteren Lasten kann es sich zum Beispiel um die Batterie des Kraftfahrzeugs
handeln, welche bei Betrieb des Motors des Kraftfahrzeugs von der Lichtmaschine
mit aufgeladen wird.
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Der
beschriebene bekannte Schaltkreis bietet zum einen Schutz gegen
eine überhöhte Lastspannung
für den
Fall, dass die zweite Last, das heißt insbesondere die Batterie
des Kraftfahrzeugs von dem Generator abfallen sollte. Dieser Fall
kann zum Beispiel dann eintreten, wenn sich ein Anschluss der Batterie
gelöst
hat. Durch den Abfall der zweiten Last wird die Gesamtlast mit welcher
der Spannungsgenerator insgesamt belastet wird wesentlich geringer;
daraufhin steigt die von dem Generator bereitgestellte Generatorspannung
stark an. Sie wird dann jedoch bei der bekannten Schaltung durch die
erwähnt
Zenerdiode auf deren Sperrspannung begrenzt. Weil die Lastspannung
mit dem Spannungsabfall über
der Zenerdiode identisch ist, wird auf diese Weise auch die Lastspannung
im gewünschtem
Maße begrenzt.
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Weiterhin
bietet die beschriebene Schaltung einen Verpolungsschutz. Für den Verpolungsschutz kommt
die erwähnte
Sicherung zum Einsatz. Kommt es zu einer Verpolung der Batteriespannung
am Eingang des beschriebenen elektronischen Schaltkreises so fließt ein Strom
durch die Zenerdiode und die besagte Sicherung. Übersteigt dieser Strom einen durch
die Sicherung repräsentierten
Grenzwert, so brennt die Sicherung durch. Auf diese Weise wird gewährleistet,
dass die Batteriespannung mit der falschen Polung keinesfalls auf
die erste Last übertragen
wird.
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Die
Wirkung des Verpolungsschutzes hängt jedoch
maßgeblich
von der Konstitution der Batterie und der Art der ersten Last ab.
So wird beispielsweise bei einer „schwachen" Batterie oder einem langen Kabelbaum
zwischen dem Ausgang des Schaltkreises und der ersten Last die besagte
Sicherung im Falle eines Kurzschlusses nicht unbedingt ausgelöst. Die
aufgrund ihrer Eigenschaften sehr teure Zenerdiode wird dann zerstört oder
lötet sich
aus.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es deshalb die Aufgabe der Erfindung,
einen elektronischen Schaltkreis bereitzustellen, der neben einem Schutz
gegen einen Lastabfall einen Verpolungsschutz auch bei „ungünstigen" Randbedingungen, wie
zum Beispiel einer „schwachen" Batterie oder einer
langen Kabelverbindung zwischen dem Schaltkreis und der Last gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach
ist die Lösung
für einen
einleitend beschriebenen elektronischen Schaltkreis gekennzeichnet
durch eine erste zu der Spannungsquelle parallel geschaltete Reihenschaltung,
umfassend einen ersten Widerstand, eine Diode, welche mit ihrer
Anode an dem ersten Widerstand angeschlossen ist, und eine erste
Zenerdiode, welche mit ihrer Anode nach Masse an die Spannungsquelle
angeschlossen ist; einen ersten Transistor, welcher mit seiner Source
und seinem Gate parallel zu dem Widerstand geschaltet ist, wobei
seine Source an die Spannungsquelle angeschlossen ist; einen zweiten
Transistor, welcher mit seinem Steuereingang an die Kathode der
ersten Zenerdiode angeschlossen ist und weicher mit seiner Source
an die erste Last angeschlossen ist, so dass zwischen seiner Source
und Masse die Lastspannung abfällt,
und welcher mit seinem Drain-Anschluss an den Drain-Anschluss des ersten
Transistors angeschlossen ist; und eine Hilfsspannnungsquelle zum
Bereitstellen einer geeigneten Spannung am Steuereingang des ersten
Transistors und am Steuereingang des zweiten Transistors.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
beanspruchte Schaltung realisiert vorteilhafterweise gleichermaßen einen
Schutz der ersten Last gegenüber
einer aus einem Abfall der zweiten Last von dem Spannungsgenerator
resultierenden erhöhten
Generatorspannung und einen Verpolungsschutz. Vorteilhafterweise
werden diese beiden Funktionen durch den beanspruchten Schaltkreis auch
ohne das Vorsehen einer lastabhängigen
Sicherung realisiert. Damit ist der beanspruchte Schaltkreis unabhängiger von
der spezifischen Ausgestaltung der jeweils an den Generator angehangenen ersten
elektronischen Last und der Verbindungsleitungen. Weil eine elektronische
Sicherung erst gar nicht vorhanden ist, kann diese nicht, auch nicht fälschlicherweise,
ausgelöst
werden und eine Zerstörung
oder ein Sich-Auslöten
der ersten Zenerdiode wird wirksam verhindert. Weiterhin ist zu
erwähnen, dass
der gesamte elektronische Schaltkreis sehr kostengünstig und
mit nur sehr geringem Flächenbedarf
realisiert werden kann. Anspruch 1 repräsentiert ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der
Erfindung weißt
die beanspruchte Schaltung einen Kondensator auf, welcher parallel
zu der ersten Zenerdiode geschaltet ist. Dieser Kondensator bewirkt
vorteilhafterweise einen verlangsamten Anstieg der Lastspannung
und des Laststroms selbst dann, wenn die erste Last unter Spannung
angeschlossen wird. Eine Beschädigung
der Last und hierbei insbesondere der Steckverbindungen aufgrund
zu starker Änderungen
des Laststroms oder der Lastspannung werden auf diese Weise verhindert.
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Zur
Begrenzung der Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors weist
der beanspruchte Schaltkreis zwischen beiden Anschlüssen vorzugsweise
eine Zenerdiode auf.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn die beiden Transistoren des elektronischen
Schaltkreises als Metall Oxid Semiconductor Field Effect Transistors MOSFETs
und insbesondere als „Trech-Gate" – MOSFETs ausgebildet sind.
Insbesondere letztere haben einen äußerst geringen Durchlasswiderstand und
ermöglichen
deswegen eine Minimierung der Verlustleistung des Schaltkreises.
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Bei
der zweiten Last handelt es sich typischerweise um die Batterie
des Kraftfahrzeugs. Wenn diese abfällt, weil sich zum Beispiel
eine Anschlussklemme der Batterie gelöst hat, dann bewirkt der beanspruchte
elektronische Schaltkreis Vorteilhafterweise eine Begrenzung der
Lastspannung.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn der elektronische Schaltkreis eine Strombegrenzungseinrichtung
zum Begrenzen des Betrags des Laststroms durch die erste Last aufweißt.
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Schließlich ist
es auch von Vorteil, dass der Schaltkreis zumindest teilweise auf
einem Halbleiterchip integrierbar ist, wodurch sein Raumbedarf minimiert
wird.
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Zeichnungen
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Der
Beschreibung sind insgesamt 4 Figuren beigefügt, wobei
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1 eine
der Erfindung zugrundeliegende Schaltungsanordnung;
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2 den
Aufbau des erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltkreises;
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3 einen
Strom-/Spannungsverlauf für den
elektronischen Schaltkreis für
den Fall einer ersten, in Form eines Abfalls der zweiten Last auftretenden
Störung,
und einer zweiten, in Form einer Verpolung der Spannungsquelle auftretenden
Störung;
und
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4 einen
Strom-/Spannungsverlauf für den
erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltkreis, für
den Fall einer dritten möglichen
auftretenden Störung,
welche dann vorliegt, wenn die erste Last unter Spannung an den
Schaltkreis angeschaltet wird;
zeigt.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Form verschiedener Ausführungsbeispiele
detailliert unter Bezugnahme auf die genannten Figuren beschrieben.
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1 zeigt
ein Beispiel für
eine der Erfindung zugrundeliegenden Schaltungsanordnung. Dargestellt
ist eine Gleichspannungsauelle 100, welche in einem Kraftfahrzeug
typischerweise durch eine Lichtmaschine mit einem nachgeschalteten Gleichrichter
realisiert wird. Im Normalbetrieb, wenn der Motor und damit auch
die Lichtmaschine des Kraftfahrzeugs laufen, übernimmt die auf diese Weise
realisierte Spannungsquelle 100 die gesamte Spannungsversorgung
für alle
elektronischen Lasten in dem Kraftfahrzeug. Eine erste Last 310 kann
zum Beispiel durch ein Steuergerät
repräsentiert
sein. Eine zweite Last 320 wird typischerweise auch von der
Batterie des Kraftfahrzeugs realisiert, welche bei Betrieb der Gleichspannungsquelle 100 von
dieser aufgeladen wird. Die Batterie wird während des beschriebenen Normalbetriebs
der Lichtmaschine durch die zu ihr ebenfalls parallel geschalteten
Lasten nicht belastet.
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Wie
in 1 dargestellt ist zwischen die Gleichspannungsquelle 100 und
die erste Last 310 eine Schutzschaltung in Form eines elektronischen Schaltkreises 200 geschaltet.
Dieser Schaltkreis stellt eine für
die erste Last 310 geeignete Lastspannung UL selbst
in vorbestimmten Störungsfällen zur Verfügung. So
gewährleistet
er, dass weder ein Anschließen
der zweiten Last 320 mit falscher Polung, noch ein Abfall
der zweiten Last 320, noch ein Anstecken der ersten Last
unter Spannung unerwünschte Auswirkungen
auf die Lastspannung UL oder den Laststrom IL für die erste
Last 310 haben. Die entsprechende Funktionsweise des erfindungsgemäßen elektronischen
Schaltkreises 200 wird weiter unten näher erläutert.
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Voraussetzung
für das
Verständnis
der Funktionsweise des elektronischen Schaltkreises 200 ist
jedoch zunächst
die Kenntnis über
seinen Schaltungsaufbau. Es wird deshalb zunächst dieser Schaltungsaufbau
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, bevor dann nachfolgend
die Funktionsweise des elektronischen Schaltkreises näher beschrieben
wird.
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Der
Schaltungsaufbau gemäß 2 zeigt 2 Transistoren
T1 und T2. Diese sind in 2 als MOSFETs ausgebildet; sie
könnten
alternativ jedoch auch unter Inkaufnahme einer größeren Verlustleistung
auch als bipolar Transistoren, insbesondere als Insulated Gate Bipolar
Transistors IGBTs ausgebildet sein, wobei dies eine geringfügig abgeänderte Schaltungsmimik
zur Folge hat.
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In 2 ist
zu erkennen, dass der erfindungsgemäße elektronische Schaltkreis 200 eine erste
Reihenschaltung aufweist, welche parallel zu der Gleichspannungsquelle 100 liegt.
Diese Reihenschaltung umfasst einen ersten Widerstand R1, eine Diode
D2 und eine erste Zenerdiode D1, welcher mit ihrer Anode nach Masse
an die Gleichspannungsquelle 100 angeschlossen ist. Parallel
zu der ersten Zenerdiode D1 ist der Kondensator C1 geschaltet. Ein
zweiter Transistor T2 ist mit seinem Steuereingang G2 an die Kathode
der ersten Zenerdiode D1 und mit seiner Drain an die Drain des ersten
MOSFETs angeschlossen. Zwischen die Source S2 und das Gate G2 des
zweiten Transistors T2 ist eine zweite Zenerdiode D3 geschaltet.
Die zweite Zenerdiode liegt mit ihrer Anode an der Source S2. Die
beiden Drain-Source-Strecken der beiden Transistoren T1 und T2 bilden
zusammen den Laststrompfad um, wobei die Source S1 von Transistor
T1 mit dem ersten Widerstand R1 und der Spannungsquelle 100 verbunden
ist. In 2 ist eine mögliche Strombegrenzungseinrichtung 210 aufgezeigt,
welche die Stärke
des Stromes durch den Laststrompfad durch Potentialabgriffe, z.B.
an den beiden Sourcen der Transistoren T1 und T2, erfasst und erforderlichenfalls
durch geeignete Variation des Potentials am Steuereingang G2 von
Transistor T2 begrenzt. Diese Strombegrenzungseinrichtung 210 sowie
der Kondensator C1 sind optional.
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Zwischen
dem Steuereingang G1 des ersten Transistors T1 und der Kathode der
ersten Zenerdiode D1 ist eine Diode D2 geschaltet, wobei die Kathode
der Diode D2 an der Kathode der ersten Zenerdiode D1 liegt. Schließlich umfasst
der erfindungsgemäße elektronische
Schaltkreis eine Hilfsspannungsquelle 220 zum Bereitstellen
einer Steuerspannung UH für den Steuereingang
G1 des ersten Transistors T1 und den Steuereingaben G2 des zweiten
Transistors T2. Ein eventuell von der Hilfsspannungsquelle 220 fließender Steuerstrom
wird durch einen zweiten Widerstand R2 erforderlichenfalls begrenzt.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der soeben unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen elektronischen
Schaltung unter Bezugnahme auf die 3 und 4 näher beschrieben.
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Wie
bereits oben erwähnt
gewährleistet
der erfindungsgemäße elektronische
Schaltkreis 200 zum einen einen Verpolschutz für ein Anschließen der
zweiten Last 320 mit falscher Polung. In einem solchen
ersten Störungsfall
würde der
Verpolungsschutz insbesondere durch das Zusammenwirken der ersten
Zenerdiode D1, der Diode D2, des ersten Widerstands R1 und des ersten
Transistors T1 bewerkstelligt werden. Bei Anliegen einer verpolten Gleichspannung
zwischen den Klemmen A und C kann über die parallel liegende Reihenschaltung,
gebildet durch die Zenerdiode D1, die Diode D2 und den Widerstand
R1, kein Strom fließen,
da die Diode D2 in Sperrrichtung gepolt ist.
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Infolge
dessen bildet sich über
R1 keine Spannung aus; die Potentialdifferenz zwischen Source S1
und dem Gate G1 des Transistors T1 ist 0 Volt; der Transistor T1
sperrt und „blockt" die nachfolgenden
Schaltungsteile von der Batteriespannung ab.
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Zum
Löschen
kleiner schneller Spannungsspitzen in der Lastspannung UL ist es vorteilhaft, wenn eine Diode D5
zum Ausgang des Schaltkreises 200 parallel geschaltet wird,
wobei dann deren Anode nach Masse geschaltet ist.
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Der
beanspruchte elektronische Schaltkreis 200 ist weiterhin
so ausgebildet, dass er auch im Falle eines Abfalls der in 1 gezeigten
zweiten Last 320 von dem Generator und einem dadurch bedingten
starken Anstieg der Generatorspannung UG eine Begrenzung
der Lastspannung UL auf seiner Ausgangsseite gewährleistet. Dieser sogenannte „Load-Dump-Schutz" wird mit dem Widerstard
R1 der Diode D2, der ersten Zenerdiode D1 und dem zweiten Transistor
T2 realisiert. Übersteigt
die Gleichspannung UG am Eingang des elektronischen
Schaltkreises 200 zwischen den Klemmen A und C die Zündspannung
der Zenerdiode D1 zum Beispiel in Folge eines Abfalls der zweiten
Last 320 von der Gleichspannungsquelle 100, so
wird der Spannungsabfall über
der ersten Zenerdiode D1 von dieser konstant auf ihre Zündspannung
begrenzt. Dies ist in 3 veranschaulicht. Dort ist
zu erkennen, dass der Betrag der Lastspannung UL im Wesentlichen
auf den Betrag der Zündspannung
der ersten Zenerdiode D1, hier ca. 60 Volt begrenzt wird, auch wenn
der Betrag der Generatorspannung UG zumindest
kurzzeitig auf ca. 80 Volt ansteigt. Die Lastspannung UL bestimmt
sich als Spannungsabfall über
der ersten Zenerdiode, das heißt
als deren Zündspannung,
zuzüglich
der Gate-Source-Spannung des zweiten Transistors T2. Der Transistor
T2 arbeitet im Regelbetrieb. Dies bedeutet, dass er den Widerstand
seiner Drain-Source-Verbindung und damit den Spannungsabfall über dieser
Verbindung im Ansprechen auf sein Gate-Potential und die Größe der Gleichspannung
so regelt, dass sich die vorbestimmte Lastspannung UL zwischen
seiner Source S2 und Masse einstellt. In dieser Situation ist die
Drain-Source- Strecke
des ersten Transistors T1 gesperrt; ein Strom fließt allerdings
durch die parasitäre
Diode des ersten Transistors T1 und die grundsätzlich leitende Drain-Source-Verbindung des zweiten
Transistors T2.
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Im
Hinblick auf die Eigenschaften der Hilfsspannung UH,
das heißt
im Hinblick auf deren eventuelle ratiometrische Bindung an die Generatorspannung
UG oder deren Konstanz etc., im Hinblick
auf die spezifischen Anforderungen an die Lastspannung UL, das heißt insbesondere im Hinblick
auf deren individuell geforderten maximalen Betrag, zum Beispiel maximal
12 Volt, 14 Volt, 24 Volt, 40 Volt etc. und letztendlich auch im
Hinblick auf die Wahl der Transistoren T1 und T2 hinsichtlich ihrer
Sperrspannung und/oder Leistungsaufnahme kann der Schaltkreis 200 durch
Vorsehen weiterer Bauelemente optimiert werden. Bei diesen Bauelementen
handelt es sich zum einen um die eventuell parallel zum Ausgang des
Schaltkreises 200 geschaltete Diode D5, welche mit ihrer
Anode nach Masse geschaltet ist. Weiterhin kann zwischen dem Drain-Anschluss
des Transistors T1 und dem Kondensator ein Widerstand R4 vorgesehen
werden. Schließlich
kann zwischen der Anode der zweiten Diode D2 und der Hilfsspannungsquelle UH eine Reihenschaltung vorgesehen sein, welche einen
zweiten Widerstand R2 zur Strombegrenzung und/oder eine Diode D4
aufweist, wobei die Diode D4 dann mit ihrer Anode an die Spannungsquelle 220 angeschlossen
ist. Die Bauelemente R4, R2, D1 und D4 können in dem Schaltkreis 200
zum Zwecke von dessen Optimierung unabhängig voneinander vorgesehen
oder weggelassen werden; in jedem Fall sind sie bei einer vorgesehenen
Verwendung jedoch geeignet zu dimensionieren.
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Schließlich verhindert
der elektronische Schaltkreis 200, dass die grundsätzlich bei
einem Anschließen
einer Last unter Spannung auftretenden Spannungs- und Stromspitzen beziehungsweise starken Änderungen
der Spannung und des Stromes sich auf die erste Last 310 auswirken.
Wird die Gleichspannung UG erstmalig an
den elektronischen Schaltkreis 200 mit nachgeschalteter
erster Last 310 angeschlossen, so läd sich der Kondensator C1 gemäß einer
durch den ersten Widerstand R1 und den Kondensator C1 definierten
Zeitkonstante auf. Die Spannung am Gate G2 des zweiten Transistors
T2 steigt dann auch nur langsam an, weil diese Spannung zu dem Spannungsabfall über dem
Kondensator C1 identisch ist. Aufgrund dieses langsamen Anstiegs
der Gate-Spannung am Gate G2 des zweiten Transistors T2 wird der
Widerstand von dessen Drain-Source-Strecke auch nur entsprechend langsam
abgesenkt, was zur Folge hat, dass der Laststrom IL und
die Lastspannung ebenfalls nur verzögert ansteigen. Diese verzögerten Anstiege
sind in 4 beispielhaft veranschaulicht.
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Schließlich sei
ergänzend
der normale Betrieb des elektronischen Schaltkreises 200 erläutert, bei
dem keine Störungen
auftreten. Auch in diesem Fall muss der elektronische Schaltkreis
einen Betrieb der Last 310 an der Gleichspannungsquelle 100 ermöglichen.
Im normalen Betrieb arbeiten beide Transistoren T1 und T2 als sogenannte
High-Side-Schalter.
Dies bedeutet, dass Sie auf Pluspotentialseite der Schaltung vorgesehen
sind. Beide Gates G1 und G2 erhalten dann ihre Steuerspannungen über die
Hilfsspannungsquelle 220. Der Steuerstrom durch die Gates
kann erforderlichenfalls durch den zweiten Widerstand R2 begrenzt
werden. Die zweite Zenerdiode D3 begrenzt die Spannung zwischen
dem Gate G2 und der Source S2 des zweiten Transistors T2. Dies ist
notwendig bei niedrigen Versorgungsspannungen, das heißt wenn
der Betrag der Steuerspannung UH abzüglich der
Lastspannung UL über die zulässige Gate-Source-Spannung
des zweiten Transistors T2 ansteigen sollte. Beim Hochfahren der
ersten Last 310 ergibt sich ein Spannungsabfall von einigen Volt über den
Drain-Source-Strecken der beiden Transistoren T1 und T2. Nach Bereitstellung
der Hilfsspannung UH durch die Hilfsspannungsquelle 220,
einige Millisekunden nach dem Hochfahren der ersten Last, schalten
die beiden Transistoren T1 und T2 vollständig durch. Durch diese Maßnahme wird die
von den beiden Transistoren im Normalbetrieb generierte Verlustleistung
minimiert, weil beim Durchschalten die Impedanz der Drain-Source-Strecken
der Transistoren minimiert wird. Diese Impedanz ist vorteilhafterweise
wesentlich geringer als die Impedanz des Stromflusse durch die parasitären Dioden
der beiden Transistoren, wobei ohnehin nur die parasitäre Diode
des ersten Transistors T1 in Durchlassrichtung geschaltet wäre.