DE19914466C1 - Treiberstufe zum Schalten einer Last - Google Patents

Treiberstufe zum Schalten einer Last

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Abstract

Die Emitter-Kollektor-Strecke eines Schalttransistors Q1 einer Treiberstufe wird durch Einschalten eines Kurzschlußtransistors Q2 bei größer werdendem Laststrom hochohmiger und Laststrom und Verlustleistung des Schalttransisitors dadurch geringer. Dieser Effekt wird durch Parallelschalten eines Spannungsteilers zur Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransisitors mittels eines Paralleltransisitors Q3 verstärkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Treiberstufe zum Schalten einer Last gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Treiberstufe ist aus DE 196 00 792 A1 bekannt. Solche Treiberstufen werden, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, vielfach zum Schalten kleiner und mittlerer Lasten, wie Leuchtdioden, Kleinmotoren, Relais etc., verwen­ det.
Bei der bekannten Treiberstufe liegt ein Spannungsteiler aus zwei Widerständen parallel zur Schaltstrecke eines mit der Last in Reihe liegenden Schalttransistors, über welchen ein Strom fließt, wodurch im Kurzschlußfall der durch den Schalt­ transistor fließende Strom reduziert wird. In abgeschaltetem Zustand der Treiberstufe fließt ein Reststrom vom Pluspol der Betriebsspannung über eine Reihenschaltung aus Spannungstei­ ler und Last zum Minuspol.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bekannte Schaltung einer Treiberstufe dahingehend zu verbessern, daß in ausgeschalte­ tem Zustand kein überflüssiger Reststrom vom Pluspol durch die Last zum Minuspol fließen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Treiberstufe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine kurzschlußsichere Treiberstufe zum Schalten einer Last, mit einem pnp-Schalttransistor Q1, des­ sen Emitter über einen ersten Widerstand R1 mit dem Pluspol +Ub einer nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle verbun­ den ist, und dessen Kollektor, der zugleich Ausgang 2 der Treiberstufe ist, über einen Kondensator C mit dem Minuspol GND der Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Die Basis des Schalttransistors Q1 ist über eine Reihenschal­ tung eines fünften Widerstandes R5 und eines sechsten Wider­ standes R6 ebenfalls mit dem Pluspol +Ub der Betriebsspan­ nungsquelle verbunden. Der Verbindungspunkt der beiden Wider­ stände R5 und R6 ist mit dem Kollektor eines npn-Treiber­ transistors Q4 verbunden, dessen Emitter mit dem Minuspol GND der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.
Der Basis des Treibertransistors Q4 werden am Eingang 1 Steu­ ersignale st zum Schalten der Treiberstufe über einen sieben­ ten Widerstand R7 zugeführt, der zusammen mit einem achten Widerstand R8, der zwischen Basis und Emitter des Treiber­ transistors Q4 liegt, einen Spannungsteiler bildet.
Des weiteren ist ein pnp-Kurzschlußtransistor Q2 vorgesehen, dessen Emitter mit dem Pluspol +Ub der Betriebsspannungsquel­ le verbunden ist, dessen Kollektor mit der Basis des Schalt­ transistors Q1 verbunden ist, und dessen Basis über einen zweiten Widerstand R2 mit dem Emitter des Schalttransistors Q1 verbunden ist.
Schließlich ist noch ein als P-Kanal-MOSFET ausgebildeter Paralleltransistor Q3 vorgesehen, dessen Source mit der Basis des Kurzschlußtransistors Q2 verbunden ist, dessen Gate über einen vierten Widerstand R4 mit dem Kollektor des Treiber­ transistors Q4 verbunden ist, und dessen Drain über einen dritten Widerstand R3 mit dem Kollektor des Schalttransistors Q1 verbunden ist.
Die vorstehend beschriebene Schaltung arbeitet folgenderma­ ßen:
im Normalbetrieb wird durch ein Steuersignal st (H-Signal) am Eingang 2 der Treibertransistor Q4 über den Spannungsteiler R7, R8 leitend gesteuert und damit über den Widerstand R5 auch der Schalttransistor Q1. Es fließt ein Laststrom vom Pluspol +Ub über den Widerstand R1, den Schalttransistor Q1 und den Ausgang 2 durch die nicht dargestellte Last zum Mi­ nuspol GND. Der Widerstand R1 ist so zu dimensionieren, daß im Normalbetrieb der Spannungsabfall an ihm kleiner als die zum Durchschalten des Kurzschlußtransistors Q2 erforderliche Basis-Emitter-Spannung ist.
Gleichzeitig mit dem Schalttransistor Q1 wird vom Treiber­ transistor Q4 auch der Paralleltransistor Q3 leitend gesteu­ ert, der einen Spannungsteiler aus den Widerständen R2 und R3 parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Schalttransistors Q1 schaltet. Solange der Schalttransistor Q1 leitend gesteu­ ert ist, fließt nur ein vernachlässigbar kleiner Strom über diesen Spannungsteiler.
Steigt nun der Laststrom so weit an, daß der Spannungsabfall am Widerstand R1 die erforderliche Basis-Emitterspannung des Kurzschlußtransistors Q2 erreicht, so schaltet dieser durch und entzieht über seine Emitter-Kollektor-Strecke dem Schalt­ transistor Q1 soviel Basisstrom, so daß die Spannung am Wi­ derstand R1 nicht über die Basis-Emitterspannung (ca. 0.7 V) des Kurzschlußtransistors Q2 ansteigt. Damit wird der durch den Schalttransistor Q1 fließende Laststrom begrenzt und die­ ser dadurch gegen Kurzschluß geschützt.
Wird dem Schalttransistor Q1 Basisstrom entzogen, so kann dessen Emitter-Kollektor-Strecke soweit hochohmig werden, daß die an ihr liegende Spannung bis nahe an die Betriebsspannung Ub ansteigt, wodurch die an der Last liegende Spannung ein­ bricht.
Die an der Emitter-Kollektor-Strecke des Schalttransistors Q1 liegende Spannung liegt auch an dem Spannungsteiler R2, R3, was bedeutet, daß sich die am Widerstand R2 liegende Spannung zu der am Widerstand R1 liegenden Spannung addiert. Die Summe dieser beiden Spannungen entspricht wieder der Basis-Emitter­ spannung des Kurzschlußtransistors Q2, die annähernd konstant ist.
Damit reduziert sich der Spannungsabfall am Widerstand R1 weiter, und mit ihm auch der Strom durch den Schalttransistor Q1, dessen Verlustleistung ebenfalls kleiner wird. Somit ist die Treiberstufe sicher gegen Kurzschlüsse und thermische Überlast geschützt.
Wenn das Steuersignal st verschwindet, wird allen vier Tran­ sistoren Basisstrom entzogen, sodaß sie nichtleitend werden.
Der Paralleltransistor Q3 dient zur Vermeidung eines über die Widerstände R1, R2 und R3 fließenden Reststromes durch die Last im ausgeschalteten Zustand der Treiberstufe, indem er in diesem nichtleitenden Zustand den Spannungsteiler R2, R3 auf­ trennt.
Der Widerstand R4 vermindert die Schaltgeschwindigkeit des Paralleltransistors Q3; während der Kondensator C dazu dient, die Treiberstufe gegen ESD-Impulse sowie gegen Störeinkopp­ lungen von außen zu schützen.
Die beschriebene Treiberstufe funktioniert auch in inverser Form mit Transistoren Q1 und Q2 als npn-Transistoren, Q4 als pnp-Transistor, und Q3 als N-Kanal-MOSFET. Jeder der vier Transistoren Q1 bis Q4 kann als Bipolartransistor oder als MOSFET ausgebildet sein.

Claims (2)

1. Treiberstufe zum Schalten einer Last (L), mit einer zwi­ schen den Polen (+Ub, GND) einer Betriebsspannung liegenden Reihenschaltung der mit einem ersten Pol (GND) der Betriebs­ spannung verbundenen Last (L), eines Schalttransistors (Q1) und eines zwischen dem Emitter des Schalttransistors (Q1) und einem zweiten Pol (+Ub) der Betriebsspannung liegenden ersten Widerstandes (R1),
wobei der Schalttransistor (Q1) mittels Steuersignalen (st) über einen Treibertransistor (Q4) schaltbar ist, dessen Emit­ ter mit dem ersten Pol (GND) der Betriebsspannung verbunden ist und dessen Kollektor einerseits über einen sechsten Wi­ derstand (R6) mit dem zweiten Pol (+Ub) der Betriebsspannung und andererseits über einen fünften Widerstand (R5) mit der Basis des Schalttransistors (Q1) verbunden ist, und
wobei ein Kurzschlußtransistor (Q2) vorgesehen ist, dessen E­ mitter mit dem zweiten Pol (+Ub) der Betriebsspannung verbun­ den ist, dessen Kollektor mit der Basis des Schalttransistors (Q1) verbunden ist, und dessen Basis über einen zweiten Wi­ derstand (R2) mit dem Emitter des Schalttransistors (Q1) und über einen dritten Widerstand (R3) mit dem Kollektor des Schalttransistors (Q1) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein synchron mit dem Schalttransistor (Q1) vom Treiber­ transistor (Q4) über einen vierten Widerstand (R4) steuerba­ rer Paralleltransistor (Q3) vorgesehen ist, dessen Schalt­ strecke zwischen der Basis des Kurzschlußtransistors (Q2) und dem dritten Widerstand (R3) liegt.
2. Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im nichtleitenden Zustand des Schalttransistors (Q1) der ebenfalls nichtleitende Paralleltransistor (Q3) einen aus erstem, zweitem und drittem Widerstand (R1, R2, R3) und der Last (L) gebildeten Pfad für einen unerwünschten Reststrom sperrt.
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