DE2164572A1

DE2164572A1 - Vorrichtung zum schutz einer steuerbaren halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2164572A1
Application number: DE2164572A
Authority: DE
Inventors: Erich Feigl; Bernhard Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-12-24
Filing date: 1971-12-24
Publication date: 1973-06-28
Also published as: US3842317A; JPS4874769A; FR2164852B3; SE393492B; FR2164852A1; IT972713B; GB1420763A; BR7208981D0

Description

1.12.1971 Chr/Wu

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmus t erhilf sanineldung

ROBEBT BOSCH GMBH, Stuttgart

Vorrichtung zum Schutz einer steuerbaren Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz einer steuerbaren Halbleiteranordnung, deren Schaltstrecke im Stromkreis eines w Verbrauchers liegt, mit einem Meßv/iderstand, der ebenfalls im Stromkreis des Verbrauchers liegt. Die Vorrichtung ist besonders geeignet für die Anwendung bei elektronischen Getriebesteuerungen in Kraftfahrzeugen.

Bei der Teilemontage in der Kraftfahrzeugherstellung und im Kraftfahrzeugs ervice sind fehlerhafte Verbindungen in der elektrischen Ausrüstung der Fahrzeuge durch Vertauschen von Anschlüssen nicht ganz vermeidbar. Bei einen Kraftfahrzeug kann es dabei vorkommen, daß eine steuerbare Halbleiteranordnung - beispielsv/eise bei einer mit Transistoren aufgebauten Darlington-Endstufe - mit seiner Schaltstrecke direkt an die Klemmen der Fahrzeugbatterie ange-

309826/0208

— 2 —

schlossen wird, wenn statt eines an sich vorgesehenen Verbrauchers fälschlicherweise zum Beispiel ein Stück Kabel in dem zu schaltenden Stromkreis liegt. Die sofortige Zerstörung der Halbleiteranordnung durch Überlastung wäre die Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, innerhalb einer elektronischen Schaltungsanordnung, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine steuerbare Halbleiteranordnung vor Zerstörung durch Überlastung infolge eines zu hohen Verbraucherstroms schützt.

Bei steuerbaren Halbleiteranordnungen kann man im Verbraucher-Stromkreis in Reihe mit der Schaltstrecke - vorzugsweise zwischen der Schaltstrecke und dem anzuschließenden Verbraucher - einen V/iderstand vorsehen, der im Kurzschlußfall den Schaltstrom auf einen zulässigen Höchstwert begrenzt. An diesem Widerstand liegt im Kurzschlußfall aber nahezu die volle Batteriespannung; die Belastbarkeit des Begrenzungswiderstands muß daher sehr hoch bemessen sein. AußerdenWerringert sich durch diese Maßnahme die Spannung am Verbraucher.

Bei Spannungskonstantern und Stromkonstantern sind ferner Anordnunge: bekannt, die beim Ansteigen des Verbraucherstroms über einen ^Hochstzulässigen Wert den im Verbraucherstromkreis liegenden gesteuerten Transistor nicht—leitend machen. Diese Anordnungen sind für die Anwendung in einer Kraftfahrzeug-Elektronik jedoch zu aufwendig.

Nach der Erfindung ergibt sich bei einer eingangs genannten Vorrichtung eine einfache Lösung der Aufgabe dadurch, daß zum Beeinflußen des Steuerstroms der Halbleiteranordnung parallel zu einer Steuerstrecke der Halbleiteranordnung die Schaltstrecke einer Halhleiter-Schaltvorrichtung angeschlossen'ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, die Schaltstrecke der Halbleiteranordnung und den Meßwiderstand un-

309826/0208

0 -

^s·⁶⁵¹

mittelbar hintereinander in Reihe zu schalten und die Schaltstrecke der Halbleiter-Schaltvorrichtung parallel zu der Serienschaltung aus der Schaltstrecke der Halbleiteranordnung und des Meßwiderstands anzuordnen.

Eine besonders vorteilhafte und einfache Lösung ergibt sich dann, wenn als Halbleiter-Schaltvorrichtung ein Thyristor verwendet wird.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Aus-^ führungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Pig. 2 einen Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Temperaturkompensation,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schutz einer Mehrzahl von steuerbaren Halbleiteranordnungen.

Fig. 1 zeigt eine Halbleiter-Anordnung 11, die beispielsweise einen Transistor 12 enthält. Statt des einzelnen Transistors 12 kann die Halbleiter-AnOrdnung 11 selbstverständlich auch mehrere in zweckdienlicher V/eise miteinander verbundene Halbleiter-Elemente, beispielsweise zwei zu einer Darlington-Schaltung zusammengesetzte einzelne Tranistoren, enthalten. Der Basisanschluß 13 des Transistors 12 dient als Steueranschluß und ist mit der in der Zeichnung nicht dargestellten elektronischen Getriebe-Steuerung des Kraftfahrzeugs verbunden. Zwischen dem Kollektoranschluß 14 und einer Plusleitung 15 liegt ein Verbraucher, im gezeichneten Ausführungsbeispiel ein Eelais 16. Dem Relais 16 ist in bekannter Weise eine Diode 1? zum Abfangen der Abschalt-Spannungs-Spitze parallel geschaltet. Zwischen dem Emitteranschluß 18 des Transistors 12 und

309826/0208 - 4 -

Chr/Wu

einer Minusleitung 19 liegt ein Meßwiderstand 21. Zwischen den Easisanschluß 13 und die Minusleitung 19 ist ein Thyristor 22 geschaltet, und zwar liegt die Kathode des. Thyristors 22 an der Minusleitung 19· Zwischen dem Gitter des Thyristors 22 und dem Emitteranschluß 18 des Transistors 12 liegt ein Ankoppelwiderstand 23- Von dem Basisanschluß 13 zur Plusleitung 15 führt ein dem zwischen den Klemmen 13 und I5 meßbaren Innenwiderstand der nicht gezeichneten elektronischen Steuerschaltung parallel geschalteter Parallelwiderstand 24. Durch die gestrichelte Linie ist ein Kurzschluß des Relais 16 angedeutet. Die Steuerstrecke des Thyristors 22 kann durch einen vom Gitter zur Kathode führenden Dämpfungskondensator 26 überbrückt sein. Die an der Steuerstrecke des Thyristors 22 anliegende Steuerspannung ist mit Ug bezeichnet, am Meßwiderstand 21 ist die Meßspannung u^ feststellbar. In den Kollektor des Transistors 12 fließt der Laststrom i_T.

In Fig. 2, die eine Schältungsvariante mit Temperaturkompensation zeigt, sind gleiche Schaltelemente mit gleichen Eezugszeichen versehen. Die Kathode des Thyristors 22 ist an die Anzapfung eines Spannungsteilers angeschlossen, dessen erster Teilwiderstand 27 zwischen der Kathode des Thyristors 22 und der Minusleitung 19 und •dessen zweiter Teilwiderstand zwischen der Kathode des Thyristors und der Anschlußklemme 29 einer nicht eingezeichneten Konstant-Spannungsquelle liegt. Die Anode des Thyristors 22 liegt wieder am Basisanschluß 13 des Tranistors 12, zwischen dem Basisanschluß und der Plusleitung 15 liegt der Parallelwiderstand 24. Der .. Dämpfungskondensator 26 führt vom Gitter des Thyristors 22 an die Minusleitung I9. Zwischen dem Gitter des Thyristors 22 und dem Emitteranschluß 18 des Transistors 12 ist eine Diode 31 angeordnet, und zwar mit der Kathode am Emitter 18. Über der Diode 31 ist die Durchlaßspannung u^ feststellbar. Zwischen dem Emitteranschluß des Transistors 12 und der Minusleitung 19 liegt wieder der Meßwiderstand 21,. zwischen dem Kollektoranschluß 14 und der Plusleitung 15 die Parallelschaltung aus dem Relais 16 und der Diode 1?· Zwischen der Plusleitung 15 und dem Gitter des Thyristors 22 liegt ein Vorwiderstand 30.

309826/0208 " ⁵ ~

ChrA/u

Halbleiter-Anordnung 11 eine weitere/ Fig. 3 zeigt neben der bisher beschriebenen/Halbleiter-Anordnung mit einem Transistor 112, dessen Emitter 118 über einen weiteren Meßwiderstand 121 mit der Hinusleitung 19 verbunden ist. Über dem Meßwiderstand 121 ist die Meßspannung u™ feststellbar. Zwischen dem Basisanschluß 13 desjlransistors 12 und der Anode des Thyristors 22, die an einen ersten Verbindungspunkt 31 angeschlossen ist, liegt eine erste Diode 32, die zur Entkopplung dient. Zwischen dem Basisanschluß 113 des weiteren Transistors 112 und dem ersten Verbindungspunkt 31 liegt eine weitere erste Diode 132. Zwischen dem ersten Verbindungspunkt 31» also der Anode des Thyristors 22, und der Plusleitung 15 ist ein Vorwiderstand 33 angeschlossen. Die Kathode des Thyristors 22 liegt direkt an der Minusleitung 19» ' zwischen den Gitteranschluß des Thyristors 22 und die Minusleitung 19 ist ein Widerstand 34, zwischen den Gitteranschluß und einen zweiten Verbindungspunkt 35 ein Entkopplungswiderstand 36 gelegt.·Zwischen dem zweiten Verbindungspunkt 35 und dem Emitteranschluß 18 des Thyristors 12 ist zur Entkopplung eine zweite Diode 37 angeschlossen, und zwar mit der Kathode am zweiten Verbindungspunkt 35- In gleicher Weise liegt zwischen dem Emitteranschluß 118 des Transistors 112 und dem zweiten Verbindungspunkt 35 eine weitere zweite Diode 137· An den ersten Verbindungspunkt 31 können über v/eitere erste Entkopplungsdioden die Steueranschlüsse weiterer Halbleiter-Anordnungen und an den zweiten Verbindungspunkt 35 über v/eitere zweite Entkopplungsdioden die ^ Emitteranschlüsse dieser weiteren Halbleiter-Anordnungen angeklemmt werden.

Die Wirkungsweise der einzelnen Vorrichtungen ist im folgenden beschrieben.

Am Basisanschluß 13 wird der Transistor 12 dann in seinen leitfähigen Zustand gesteuert, wenn das Relais 16 anziehen soll. In diesem Fall fließt dann der Laststrom i-j- über die Schaltstrecke 14-18 des Transistors 12. Der Transistor 12 ist so bemessen, daß er durch den Laststrom i_T nicht überlastet wird. An dem Meßwider-

309826/0208

stand 21, der in Serie mit der Schaltstrecke 14-18 des Transistors 12 liegt, kann eine Spannung gemessen werden, die mit ausreichender Genauigkeit im Laststrom Ij proportional ist. Je größer der Laststrom i_T ist, desto größer ist auch die Meßspannung Uj₁,. Übersteigt die Keßspannung u-, am Meßwiderstand 21 die Zündspannung des Thyristors 22, so fließt über den Ankoppelwiderstand 23 ein Zündstrom in das Gitter des Thyristors 22. Der Thyristor 22 schaltet dann in seinen leitfähigen Zustand durch und bleibt wegen des Parallelwiderstands 24 auch in seinem leitenden Zustand. Der bisher über den Basisanschluß 13 in den transistor 12 geflossene Steuerstrom fließt nun unmittelbar über

ie Schaitstrecke des Thyristors 22 zur Minusleitung 19· Der Transistor 12 wird infolgedessen gesperrt. Der Parallelwiderstand ist an sich nicht erforderlich, wenn der Innenwiderstand, von den Klemmen 13 und 15 aus in die Steuerschaltung hineinfeemessen, einen so geringen Wert hat, daß der Haltestrom des Thyristors 22 auf jeden Fall fließen kann. Mit der Größe des Widerstands 21 kann der Wert des Laststroms i,- eingestellt werden, bei dem die Schutz-Anordnung mit dem Thyristor 22 ansprechen soll. Der Dämpfungskondensator 26 dient zum Abfangen kurzer Störimpulse, die beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs immer auftreten können und die unter Umständen ein Zünden des Thyristors verursachen würden. Der Dämpfungskondensator 26 ist aber nicht unbedingt erförderlich.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 gilt folgende Gleichung:

Im normalen Belastungsfall, wenn also der Laststrom i-r unter seinem höchstzulässigem Wert liegt, ist die Steuerspannung Ug kleiner als die zum Zünden des Thyristors 22 erforderliche Zündspannung. V/enn dagegen der Laststrom i-j- größer wird als zulässig ist, dann steigt auch die Meßspannung u«. über einen vorbestimmten oberen V/ert. Zu der Meßspannung u™ addiert sich die Durchlaßspannung u-p. der Diode 31? die durch den über den Vorwiderstand

309826/0208 ■ „

Robert- Bosch GmbH _Ώ _α!-_{Λ η}, ,,,

Stuttgart ^R· ^{651 Chr/Vm}

fließenden Strom verursacht wird. Dann erreicht auch der Wert

^US ^{= U}D ^{+ U}M " ^UR

der Steuerspannung eine Größe,' die über der Zündspannung des Thyristors 22 liegt. Der Thyristor 22 zündet dann und schaltet somit den Transistor 12 aus. Bei vorgegebener konstanter stabilisiei ter Spannung an der Anschlußklemme 29 läßt sich durch die Wahl der Werte der Widerstände 27 und 28 des Spannungsteilers und durch die Wahl des Werts des Meßwiderstands 21 einstellen, bei welchem Wert des Laststroms ij die Schutzvorrichtung ansprechen soll. φ Die Durchlaßspannung u^ der Diode 31 ist von der Temperatur abhängig. Durch diese Temperaturabhängigkeit von Uy. kann die Temperaturabhängigkeit der Zündspannung des Thyristors 22 kompensiert werden.

Bei den Figuren 1 und 2 ist mit der gestrichelten Linie 25 der EaIl angedeutet, daß die Wicklung des Relais 16 kurzgeschlossen wird. In einem solchen Fall steigt der Last strom i-j- natürlich sehr schnell über den zulässigen Höchstwert an.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird man nur in Spezialfallen verwenden. Zur Ausrüstung von .Kraftfahrzeugen verwendet man meist Halbleiter-Bauelemente, die ein Mehrfaches des normaler^ weise auftretenden Laststrorns, also des'"Iiennstroms, vertragen. In einem Kraftfahrzeug sind nämlich die Halbleiter-Bauelemente einem sehr rauhem Eetrieb ausgesetzt und müssen deshalb überdimensioniert werden. Außerdem versucht man, innerhalb der Elektronik eines Kraftfahrzeugs möglichst gleichartige Bauelemente zu verwenden. Das hat seinen Grund darin, daß die einzelnen Bauelemente in großen Stückzahlen billiger hergestellt werden können. Auch deshalb v/erden daher die meisten Bauelemente weit weniger beansprucht als zulässig ist. Bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug stört also die Temperaturabhängigkeit der Schutzvorrichtung nach Fig. 1 überhaupt nicht, und man kommt mit der einfacheren und billigeren .■

Schutzvorrichtung nach Fig. 1 aus.

Es ist möglich, mehrere zu schützende Halbleiter-Anordnungen an eine einzige Schutzvorrichtung anzuschließen. Ein Ausführungsbeispiel dazu zeigt Fig. 3» in der wieder gleiche Schaltelemente mit denselben Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 versehen sind. Die Easisanschlüsse 13i 113 der einzelnen steuerbaren Halbleiter-Anordnungen sind über die ersten Entkcpplungsdioden 32, 132 usw. an den ersten Verbindungspunkt 31 gelegt, der seinerseits mit der Anode des Thyristors 22 verbunden ist. Die Emitteranschlüsse 18, 118 usw. sind über zweite Entkopplungsdioden 37» 137 usw. an den zweiten Verbindungspunkt 35 angeschlossen. Zx%'ischen dem Verbindungspunkt 35 und dem Gitter des Thyristors 22 liegt ein Ent— kopplungswiderstand 36 ₅ der zusammen mit dem V/iderstand 34 einen Spannungsteiler bildet. Wenn nun irgendeine

der steuerbaren Halbleiter-Anordnungen, beispielsweise die Halbleiteranordnung 111, überlastet wird, steigt die Meßspannung u,™ über den vorgegebenen Wert an, es fließt ein Zündstrom über die zweite Entkopplungsdiode 137 und den Entkopplungswiderstand 36 in das Gitter des Thyristors 22. Der Thyristor 22 zündet und wird leitend. Infolgedessen wird das Potential des ersten Verbindungspunkts 31 v/esentlich negativer, nämlich fast gleich dem Potential der Hinusleitung 19, und damit v/erden särtliche Halbleiter-An-Ordnungen 11, 111 usw. ausgeschaltet. Der Thyristor 22 bleibt leitend, denn sein Haltestrom kann über den Vorv?iderstand 33 fließen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schutz einer steuerbaren Halbleiteranordnung ist sehr einfach aufgebaut und billig herzustellen. Sie umfaßt im wesentlichen nur einen Thyristor und zwei Widerstände Die Schutzvorrichtung kann gleichzeitig zum Schutz mehrerer steuerbarer Halbleiter-Anordnungen verwendet werden. Als Thyristor kann-" beispielsweise ein Kleinleistungs-Plastik-Thyristor eingebaut werden. Die Bauelemente der Schutzvorrichtung können direkt bei der Endstufe angeordnet werden, dies ist besonders vorteilhaft beim

309826/0208 " ⁹ "

Robert Bosch GmbH _D _r<-* ην,^Ατ,,

Stuttgart ■ ^R· ⁶^ ^Chr/^Wu

Entwurf und beim Bau gedruckter Schaltungen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Schutzanordnung nach dem Auftreten eines Überlastungsfalls die zu schützende Halbleiter-Anordnung auch dann noch ausgeschaltet hält, wenn die Störung beseitigt ist. Damit ist sichergestellt, daß erst nach dem Fehler gesucht wird, und daß nach dem Fehler überhaupt gesucht werden kann. Der in der
Schutzvorrichtung enthaltene Thyristor kann nur dadurch gelöscht werden, daß die Versorgungsspannung kurzfristig abgeschaltet wird.

30 08 26/02 08 . - 10 -

Claims

Robert Bosch GmbH _{H>
651 Chr/Wu}

Stuttgart

Ansprüche

/ij Vorrichtung zum Schutz einer steuerbaren Halbleiter-Anordnung, deren Schaltstrecke im Stromkreis eines Verbrauchers liegt, mit einem Meßwiderstand, der ebenfalls im Stromkreis des Verbrauchers liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Beeinflußen des Steuerstroms der Halbleiter-Anordnung (11) parallel zu einer Steuerstrecke der Halbleiter-Anordnung (11) die Schaltstrecke einer Halbleiter-Schaltvorrichtung (22) angeschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstrecke der Halbleiteranordnung (11) und der Meßwiderstand (21) unmittelbar hintereinander in Serie geschaltet sind und daß die Schaltstrecke der Halbleiter-Schaltvorrichtung (22) parallel zu der Serienschaltung aus der Schaltstrecke der Halbleiter-Anordnung (11) und des Meßwiderstands (21) angeordnet ist.
3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerstrecke der Halbleiter-Schaltvorrichtung (22) parallel zum Meßwiderstand (21) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Anordnung (11) wenigstens als Eingangsstufe einen Transistor (12) enthält und daß als Steuerstrecke der Halbleiter-Anordnung (11) die Basis-Emitte Strecke gewählt ISt_{30 9826/0208}

- 11 -

Chr/Wu
5· Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (21) mit dem Emitteranschluß (18) der Halbleiter-Anordnung (11) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche Λ bis 5 s dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiter-Schaltvorrichtung (22) ein Thyristor vorgesehen ist.
7- Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ( Gitter des Thyristors (22), vorzugsweise über einen Ankoppelwiderstand (23), an den Verbindungspunkt zwischen dem Meßwiderstand (21) und dem Emitteranschluß (18) der Halbleiter-Anordnung (11) angeschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Arspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß zum Bereitstellen des Haltestroms in Serie mit der Echaltstrecke des Thyristors (22) ein Parallelwiderstand (24) angeordnet ist.
9- Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Steuerstrecke des Thyristors (22) ein Dämpfungskondensator (26) angeschlossen ist.
10, Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 9 einer Plusleitung und einer Minusleitung, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Emitteranschluß der Halbleiter-Anordnung (11) abge-

309828/0208

wandte Ende des Keßwiderstands (21) und die Kathode des Thyristors (22) an die Minusleitung (19) und daß das dem Basisanschluß (13) der Halbleiter-Anordnung (11) abgewandte Ende des Parallelwiderstands (24) an die Plusleitung (15) angeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß

zur Temperaturkompensation der Funktion der Vorrichtung die Kathode des Thyristors (22) an die Anzapfung eines Spannungsteiler (27, 28) angeschlossen ist, der zwischen der Minusleitung (19) und dem Plus-Anschluß (29) einer stabilisierten Spannungsquelle liegt, daß zwischen der Plusleitung (15) und dem Gitter des Thyristors (22) ein Vorwiderstand (30) angeordnet ist und daß zwischen dem Gitter des Thyristors (22) und dem Emitteranschluß (18) der Halbleiter-Anordnung (11) eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode>(31) liegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anschluß einer Mehrzahl von zu schützenden steuerbaren Halbleiter-Anordnungen (11, 111) zwischen der Anode des Thyristors (22) und dem geweiligen Basisanschluß der zu schützenden Halbleiter-Anordnungen (11, 111) je eine erste Diode (32, 132) liegt, wobei die Kathoden der.ersten Dioden (32, 132) an die Anode des Thyristors (22) angeschlossen sind und daß das Gitter des Thyristors (22) mit der Anzapfung eines weiteren Spannungsteilers (34-, 36) verbunden ist, dessen eines Ende an die ffinusleitung (19) angeschlossen ist und

309826/0208

Robert Bosch GmbH _π et-λ „, _/T,

Stuttgart ^E· ^{651 Chr/Wu}

zwischen dessen anderem Ende (35) und dem jeweiligen Emitteranschluß (18, 118) der zu schützenden Halbleiter-AnOrdnungen (11, 111) je eine zweite Diode (37, 137) liegt, wobei die Eathoderider zweiten Dioden (37ι 137) an das andere Ende (35) des zweiten Spannungsteiler (3^₅ 36) angeschlossen sind.

02. Ui.

30S82S/020

Leerseite

1 t