DE19736356A1 - Kurzschluß-Schutzschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kurzschluß-Schutzschaltung für einen Schaltausgang mit nicht-selbstgeschütztem Halbleiterschalter, insbesondere einem Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode über einen Eingang eine Steuerspannung zuführbar ist.

Elektrische Schaltausgänge sollten zweckmäßigerweise gegenüber Kurzschlüssen, die am Ausgang des Schalters sowohl gegen Masse als auch gegen eine Versorgungsspannung (z. B. KFZ-Bordnetzspannung) auftreten können, gesichert sein. Hierbei ist der Betriebszustand kritisch, bei dem der Schaltausgang durchgesteuert, also niederohmig, ist und bei dem gleichzeitig durch einen Kurzschluß eine zu hohe Spannung über dem Schaltausgang anliegt. Bei diesem Fehlerfall können sehr schnell Schaltungsteile zerstört werden. Hierfür sind besondere Schutzmaßnahmen erforderlich.

Bisher war es üblich, selbstgeschützte Feldeffekttransistoren, insbesondere Leistungs-MOS-FETs einzusetzen, deren Drain-Source-Strecke bei drohender Überlastung bzw. Überhitzung automatisch hochohmig geschaltet wird. Nachteilig dabei ist, daß dieser spezielle Leistungs-MOS-FET besonders teuer ist. Außerdem ist diese Art von Schutzschaltung nicht in der Lage, den normalen Betriebszustand der Schaltung automatisch wiederherzustellen, nachdem der Fehler beseitigt wurde.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Kurzschluß-Schutzschaltung der eingangs genannten Art nicht nur ein sofortiges Abschalten der zu schützenden Ausgangsschaltstufe im Fehlerfalle zu erreichen, sondern auch eine automatische Wiedereinschaltung der Stufe nach Beseitigung des Fehlers zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Steuerelektrode des nicht-selbstgeschützten Halbleiterschalters eine Reihenschaltung eines Zeitgliedes, einer Abschaltfreigabestufe und einer Abschaltstufe vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung hat den Vorteil, daß ein preisgünstiger, nicht-selbstgeschützter Feldeffekttransistor eingesetzt werden kann, wobei die Schutzbeschaltung mit wenigen zusätzlichen Bauteilen realisierbar ist.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Schaltausgangsspannung des Feldeffekttransistors von der Abschaltstufe überwacht, welche im Fehler- oder Kurzschlußfall derart aktiviert wird, daß die Ansteuerung des Feldeffekttransistors sofort gesperrt und somit die Ausgangsstufe in einen unkritischen Zustand gebracht wird.

Gleichzeitig wird mit der Sperrung der Feldeffekttransistor-Ansteuerung die Aufladung des Zeitgliedes gestartet. Bei Beendigung der Aufladung des Zeitgliedes werden die Abschaltfreigabestufe und die Abschaltstufe gesperrt, wodurch die Sperrung der Ansteuerung des Feldeffekttransistors aufgehoben ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß im Falle eines weiter bestehenden Fehlers oder Kurzschlusses die Ansteuerung des Feldeffekttransistors sofort wieder gesperrt wird und daß mit Hilfe des Zeitgliedes eine periodisch kurzzeitige Ansteuerung des Feldeffekttransistors bis zur Behebung des Fehlers erfolgt.

Dadurch kann ein optimaler Schutz der Ausgangsschaltstufe sowie ein automatischer Übergang zur normalen Funktion der Schaltung nach Beheben des Fehlerfalles erreicht werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kurzschluß-Schutzschaltung besteht darin, daß das Zeitglied von einem Transistor gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode des Feldeffekttransistors beaufschlagt ist, dessen Basis über ein R/C-Glied mit dem Eingang des Feldeffekttransistors verbunden ist und dessen Kollektor an die Abschaltfreigabestufe, über einen Kondensator an den Emitter und über einen Widerstand an eine Betriebsspannung angeschlossen ist.

Es kann ferner vorgesehen sein, daß die Abschaltfreigabestufe von einem Transistor gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode des Feldeffekttransistors beaufschlagt ist, dessen Basis über einen Spannungsteiler mit dem Ausgang des Zeitgliedes verbunden ist und dessen Kollektor an einen Eingang der Abschaltstufe angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Kurzschluß-Schutzschaltung kann auch derart ausgestaltet sein, daß die Abschaltstufe von einem Transistor gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode des Feldeffekttransistors beaufschlagt ist, dessen Basis mit dem Ausgang der Abschaltfreigabestufe und über einen Spannungsteiler oder ein R/C-Glied mit der Senkenelektrode des Feldeffekttransistors verbunden ist und dessen Kollektor an den Eingang des Feldeffekttransistors angeschlossen ist.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild des Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 Zeitdiagramme von beim Ausführungsbeispiel auftretenden Spannungen und Strömen.

Fig. 1 zeigt einen nicht-selbstgeschützten Feldeffekttransistor 1, dessen Steuerelektrode 2 (Gate) über einen Widerstand R7 mit dem Eingang 3 und dessen Senkenelektrode 4 (Drain) mit dem Ausgang 5 verbunden ist, während dessen Quellenelektrode 6 (Source) an Masse angeschlossen ist. Dieser Feldeffekttransistor 1, für den je nach Anwendungsfall verschiedene Typen einsetzbar sind, soll nun mit Hilfe einer Kurzschluß-Schutzschaltung 7 vor Überlastungen im Kurzschlußfall geschützt werden. Dabei sind beispielsweise folgende Fehlerquellen denkbar: Kurzschluß zwischen Ausgang 5 und Masse bzw. Ausgang 5 und Bordnetzspannung.

Die Schutzschaltung 7 besteht hierbei aus einem Zeitglied 8, einer Abschaltfreigabestufe 9 und einer Abschaltstufe 10. Das Zeitglied 8 enthält im wesentlichen die Zeitkonstantenglieder R1, C1 und R2, C2, sowie einen Transistor T1 als Schalter zum Starten bzw. Rücksetzen des Zeitgliedes. Die Abschaltfreigabestufe 9 umfaßt einen Spannungsteiler R3, R4 und einen Transistor T2, wobei der Spannungsteiler an den Ausgang des Zeitgliedes 8 angeschlossen ist. Die Abschaltstufe 10 besteht ebenfalls aus einem Spannungsteiler R5, R6, welcher mit der Ausgangsspannung verbunden ist, sowie aus einem Transistor T3, welcher sowohl vom Spannungsteiler als auch vom Ausgang der Abschaltfreigabestufe 9 ansteuerbar ist. Anstelle des Widerstandes R6 kann auch ein Kondensator vorgesehen werden. Dadurch wird vermieden, daß kurze Stromspitzen bereits zum Ansprechen der Abschaltstufe führen. Der Ausgang des Transistors T3 ist schließlich mit der Steuerelektrode 2 des Feldeffekttransistors 1 verbunden.

Im Fehlerfall, also bei Auftreten eines Kurzschlusses, wird die bei Normalbetrieb niedrige Ausgangsspannung über den Feldeffekttransistor 1 auf einen höheren Wert steigen, wodurch der Feldeffekttransistor und möglicherweise die angeschlossenen Bauelemente dabei überhitzt und zerstört werden können.

Bei einem solchen Fehlerfall wird die vorgesehene Schutzschaltung 7 sofort aktiviert, indem der Transistor T3 von dem über den Spannungsteiler R5, R6 gemessenen Spannungsabfall so geschaltet wird, daß die an der Elektrode 2 des Feldeffekttransistors 1 anliegende Steuerspannung gesperrt wird. Dabei entsteht allerdings kurzzeitig ein hoher Stromimpuls, für den der Feldeffekttransistor 1 ausreichend dimensioniert sein muß. Gleichzeitig mit der Abschaltung der Ausgangsspannung wird die Aufladung des Zeitgliedes 8 gestartet, womit möglichst lange Verzögerungszeiten erreicht werden sollen. Nach Ablauf der Ladezeit, das heißt nach Aufladung des Zeitgliedes 8, werden sowohl die Abschaltfreigabestufe 9 als auch die Abschaltstufe 10 selbst wieder gesperrt. Sollte der Fehler allerdings nicht behoben sein, so beginnt der Abschaltvorgang - wie oben beschrieben - wieder von vorn. Auf diese Weise versucht die Schutzschaltung periodisch, den Ausgang immer wieder aufzusteuern. Solange der Fehlerfall noch vorliegt, wird jedoch sofort wieder abgeschaltet.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen schematisch den Verlauf von Spannungen und Strömen bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, wobei die jeweiligen Größen nur ungefähr angegeben sind. Fig. 2a stellt die Spannung am Feldeffekttransistor 1 dar, die von einem niedrigen Wert während des leitenden Zustandes im Normalbetrieb zu Beginn eines Kurzschlusses bei t1 auf einen hohen Wert ansteigt und wieder abfällt, wenn der Kurzschluß bei t2 beendet ist.

Zu Beginn des Kurzschlusses bei t1 wird die an sich zur Ansteuerung zugeführte Spannung Vg (Fig. 2b) an der Steuerelektrode über den Widerstand R5 und den Transistor T3 sehr schnell auf einen geringen Wert zurückgenommen, so daß der Feldeffekttransistor gesperrt ist. Daraufhin lädt sich der Kondensator C2 langsam auf. Wenn dessen Spannung Vt einen Wert erreicht hat, der ein Leitendwerden des Transistors 2 zur Folge hat, wird der Transistor T3 geschlossen, so daß infolge der Spannung am Eingang 3 der Feldeffekttransistor 1 leitend wird. Unmittelbar danach wird über den Spannungsteiler R5/R6 der Transistor T3 wieder in den leitenden Zustand geschaltet, so daß der Feldeffekttransistor 1 wieder gesperrt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis der Kurzschluß bei t2 beendet ist. Danach steht wieder die normale Steuerspannung Vg an der Steuerelektrode 2 des Feldeffekttransistors 1 an.

Fig. 2c stellt den Strom Id durch den Feldeffekttransistor 1 dar. Während des Normalbetriebes fließt ein durch die Last vorgegebener Strom. Zu Beginn des Kurzschlusses und während des probehalber Einschaltens des Feldeffekttransistors fließt ein wesentlich höherer Strom, was in Fig. 2c an den Stromspitzen erkennbar ist.

Claims (8)

1. Kurzschluß-Schutzschaltung für einen Schaltausgang mit nicht-selbstgeschütztem Halbleiterschalter, insbesondere einem Feldeffekttransistor, dessen Steuerelektrode über einen Eingang eine Steuerspannung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Steuerelektrode (2) des nicht-selbstgeschützten Halbleiterschalters (1) eine Reihenschaltung eines Zeitgliedes (8), einer Abschaltfreigabestufe (9) und einer Abschaltstufe (10) vorgesehen ist.

2. Kurzschluß-Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltausgangsspannung des Feldeffekttransistors (1) von der Abschaltstufe (10) überwacht wird, welche im Fehler- oder Kurzschlußfall derart aktiviert wird, daß die Ansteuerung des Feldeffekttransistors (1) sofort gesperrt und somit die Ausgangsspannung abgeschaltet wird.

3. Kurzschluß-Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Sperrung der Feldeffekttransistor-Ansteuerung die Aufladung des Zeitgliedes (8) gestartet wird und daß bei Beendigung der Aufladung des Zeitgliedes (8) die Abschaltfreigabestufe (9) und die Abschaltstufe (10) gesperrt werden, wodurch die Sperrung der Ansteuerung des Feldeffekttransistors (1) aufgehoben ist.

4. Kurzschluß-Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines weiter bestehenden Fehlers oder Kurzschlusses die Ansteuerung des Feldeffekttransistors (1) sofort wieder gesperrt wird und daß mit Hilfe des Zeitgliedes (8) eine periodisch kurzzeitige Ansteuerung des Feldeffekttransistors (1) bis zur Behebung des Fehlers erfolgt.

5. Kurzschluß-Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (8) von einem Transistor (T1) gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode (6) des Feldeffekttransistors (1) beaufschlagt ist, dessen Basis über ein R/C-Glied (R1, C1) mit dem Eingang (2, 3) des Feldeffekttransistors (1) verbunden ist und dessen Kollektor an die Abschaltfreigabestufe (9), über einen Kondensator (C2) an den Emitter und über einen Widerstand (R2) an eine Betriebsspannung angeschlossen ist.

6. Kurzschluß-Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltfreigabestufe (9) von einem Transistor (T2) gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode (6) des Feldeffekttransistors (1) beaufschlagt ist, dessen Basis über einen Spannungsteiler (R3, R4) mit dem Ausgang des Zeitgliedes (8) verbunden ist und dessen Kollektor an einen Eingang der Abschaltstufe (10) angeschlossen ist.

7. Kurzschluß-Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltstufe (10) von einem Transistor (T3) gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode (6) des Feldeffekttransistors (1) beaufschlagt ist, dessen Basis mit dem Ausgang der Abschaltfreigabestufe (9) und über einen Spannungsteiler (R5, R6) mit der Senkenelektrode (4) des Feldeffekttransistors (1) verbunden ist und dessen Kollektor an den Eingang (2, 3) des Feldeffekttransistors (1) angeschlossen ist.

8. Kurzschluß-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltstufe (10) von einem Transistor (T3) gebildet ist, dessen Emitter mit dem Potential der Quellenelektrode (6) des Feldeffekttransistors (1) beaufschlagt ist, dessen Basis mit dem Ausgang der Abschaltfreigabestufe (9) und über ein R/C-Glied mit der Senkenelektrode (4) des Feldeffekttransistors (1) verbunden ist und dessen Kollektor an den Eingang (2, 3) des Feldeffekttransistors (1) angeschlossen ist.