DE2310448A1 - Verfahren und vorrichtung zum schutz eines elektronischen schalters - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum schutz eines elektronischen schaltersInfo
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Description
R. 13 59
7.2.1973 Ka/Mn
Anlage zur
Patentanmeldung
Patentanmeldung
Verfahren und Vorrichtung zum Schutz eines elektronischen Schalters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines elektronischen
Schalters, insbesondere eines Schalttransistors, bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung mit dem Sehalter
verbundenen Verbrauchers.
Verbraucher, beispielsweise Widerstände, Relais und dergleichen werden häufig durch elektronische Schalter, insbesondere
durch Schalttransistoren eingeschaltet, wobei die Schaltstrecke der elektronischen Schalter in Reihe zu dem Verbraucher
geschaltet ist. Wird der elektrische Verbraucher aus Versehen oder durch einen Fehler am Verbraucher kurzgeschlossen,
so fließt über den elektronischen Schalter ein hoher Strom, der zu einer unzulässig hohen Erwärmung und damit zur Zerstörung
des Schalters führen kann.
Es ist bekannt, zum Schutz des elektronischen Schalters bei Kurzschlüssen des Verbrauchers in Reihe zu der Schaltstrecke
des elektronischen Schalters einen Strombegrenzungswiderstand
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anzuordnen. Mit Hilfe dieses Strombegrenzungswiderstandes kann der Strom, der bei kurzgeschlossenem Verbraucher fließt, auf
einen zulässigen Wert begrenzt werden. Nachteilig ist jedoch, daß auch bei kurzgeschlossenem Verbraucher der Schalter Strom
führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe es möglich ist, den elektronischen
Schalter, der insbesondere ein Schalttransistor ist, bei einem Kurzschluß des in Reihe geschalteten Verbrauchers
vollständig abzuschalten, so daß über die Schaltstrecke des Schalters kein Strom mehr fließt. Das Verfahren soll zweck-■fißigerweise
auch dazu dienen, schon vor bzw. bei beginnender Inbetriebnahme des Verbrauchers zu ermitteln, ob der Verbraucher
kurzgeschlossen ist oder nicht.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei Inbetriebnahme des Verbrauchers ein Abtastimpuls ausgelöst
wird, der den Schalter schließt, daß bei geschlossenem Schalter das Potential am Verbindungspunkt des Schalters und
des Verbrauchers ermittelt wird und daß in Abhängigkeit von diesem Potential der Schalter stromdurchlässig gehalten oder
gesperrt wird.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann der Abtastimpuls
vor Inbetriebnahme des Verbrauchers unter Ausnützung von Speicherzeiten elektronischer Bauelemente einer Schaltungsanordnung
gebildet werden.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Diese Schaltungsanordnung soll einfach und zweckmäßig im Aufbau
sein und sich insbesondere für den rauhen Betrieb auf einem Kraftfahrzeug eignen, da daran gedacht ist, insbesondere
Schalter für Verbraucher in einem Kraftfahrzeug zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Steuerelektrode des elektronischen Schalters mit der Reihenschaltung
der Schaltstrecken zweier Steuertransistoren in Wirkverbindung steht, von denen der erste Steuertransistor in Abhängigkeit
von einem Eingangssignal der Schaltungsanordnung und der zweite Steuertransistor in Abhängigkeit von dem an dem Verbindungspunkt
des Schalters und des Verbrauchers anliegendem Potential umschaltbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 den Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zum Schutz
eines elektronischen Schalters und
Fig. 2 einen Impulsplan zur Erläuterung des Stromlaufplanes nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Verbraucher 10 in Reihe zu der Schaltstrecke
eines Schalttransistors 11 geschaltet. Der Verbraucher 10, der der Einfachheit halber als ohmscher Widerstand gezeichnet ist,
ist einerseits mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung 12 und andererseits mit dem Kollektor des Schalttransistors 11 verbunden.
Der Emitter des Schalttransistors 11 ist über einen Emitterwiderstand
13 mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung 1*4 verbunden. An die Basis des Schalttransistors 11 ist eine
Zenerdiode 15 angeschlossen, die einseitig mit der gemeinsamen
Versorgungsleitung 14 verbunden ist. Die Basis des Schalttransistors
11 ist weiterhin über einen Widerstand 16 mit der Reihenschaltung der Schaltstrecken zweier Steuertransistoren
17 und 18, die ein UND-Glied bilden, verbunden. Dabei ist der Kollektor des ersten Steuertransistors 17 mit dem Widerstand
16 verbunden und der Emitter des ersten Steuertransistors 17 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 18. Der
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Emitter des zweiten Steuertransistors 18 ist an die gemeinsame Versorgungsleitung 12 angeschlossen. Von dem Kollektor des
Schalttransistors 11 führt eine Verbindungsleitung zu einem
Widerstand 19, der an die Basis des zweiten Steuertransistors 18 angeschlossen ist. An die Basis des zweiten Steuertransistors
18 sind zwei Widerstände 20 und 21 angeschlossen, von denen der Widerstand 20 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 12
Verbindung hat und von denen der Widerstand 21 über die Schaltstrecke
eines Zwischentransistors 22 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung Ik verbunden ist. Der zweite Steuertransistor
bildet dabei zusammen mit den Widerständen 19 und 21 ein ODER-Glied. Die Basis des Zwischentransistors 22 ist mit der Kathode
einer Diode 23 und einem Widerstand 21I verbunden, der an die
gemeinsame Versorgungsleitung 1*4 angeschlossen ist. Die Anode
der Diode 23 ist mit einem Widerstand 25 verbunden, der einseitig an die gemeinsame Versorgungsleitung 12 angelegt ist. Außerdem
ist die Anode der Diode 23 mit der Anode einer Diode 26 verbunden,
deren Kathode an den Kollektor eines Eingangstransistors
27 angeschlossen ist. Der Emitter des Eingangstransistors 27 ist mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 14 verbunden und die
Basis des Eingangstransistors 27 ist über einen Vorwiderstand
28 mit einer Eingangsklemme 29 verbunden. Von dem Kollektor des Eingangstransistors 27 führt eine Leitung zu einem Widerstand
30, der mit der Basis des ersten Steuertransistors 17 verbunden ist. Außerdem ist zwischen die Basis des ersten Steuertransistors
17 und die gemeinsame Versorgungsleitung 12 ein Widerstand
geschaltet.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung soll anhand der in Fig. 2 bei a bis d aufgetragenen Spannungsverläufe
erläutert werden. Es soll dabei zunächst angeommen werden, daß an der Eingangsklemme 29 zum Zeitpunkt tQ eine Eingangsspannung
U=O Volt anliegt. Dadurch ist der Eingangstransistor 27 gesperrt und über den Widerstand 25 und die Diode
23 wird der Zwischentransistor 22 leitend gehalten. Dabei wird der Zwischentransistor 22 im Übersteuerungsbereich betrieben,
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daß heißt, es wird der Basis dieses Zwischentransistors 22 ein wesentlich größerer Basisstrom zugeführt, als zum Umschalten
des Zwischentransistors 22 in den leitenden Zustand notwendig wäre. Durch diesen Betrieb des Zwischentransistors
22 im Übersteuerungsbereich wird erreicht, daß bei einem Umschalten des Zwischentransistors in den nicht leitenden
Zustand, d.h. bei einer Änderung des Eingangssignales
an der Basis des Zwischentransistors 22 das Ausgangssignal ' des Transistors 22 nicht sofort, sondern erst nach einer sogenannten
Speicherzeit geändert wird.
Wenn der Zwischentransistor 22 leitet, dann ist über den Widerstand
21 auch der zweite Steuertransistor 18 leitend und der erste Steuertransistor ist aufgrund des gesperrten Eingangstransistors und der ebenfalls gesperrten Diode 26 in gesperrtem
Zustand. Bei gesperrtem ersten Steuertransistor 17 ist aber die Reihenschaltung der Steuertransistoren 17 und 18,
die in dieser Schaltungsweise ein "UND-Glied" darstellt, insgesamt betrachtet gesperrt, so daß über den Widerstand 16 kein
Basisstrom zu dem Schalttransistor 11 fließen kann. Der Schalttransistor 11 ist deshalb ebenfalls gesperrt.
Zum Zeitpunkt tn wird die Eingangsspannung U positiv. Damit
wird der Eingangstransistor 27 in den leitenden Zustand geschaltet und die über der Schaltstrecke des Eingangstransistors
27 abfallende Spannung geht gegen Null. Dadurch kann über die Diode 23 kein Basisstrom mehr zu dem Zwischentransistor
fließen, aber aufgrund des vorherigen Betriebes in dem Übersteuerungsbereich bleibt während der Speicherzeit t der
Zwischentransistor 22 bis zum Zeitpunkt t_ in leitendem Zustand
. Bei leitendem Eingangstransistor 27 leitet aber auch der erste Steuertransistor 17, und da der zweite
Steuertransistor 18 bis zum Zeitpunkt t>2 aufgrund der Ansteuerung
über den Zwischentransistor 22 und den Widerstand 21 ebenfalls noch leitet, ist die Reihenschaltung der Steuer-
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transistoren 17 und 18 in dem Zeitintervall t. bis t? leitend.
Der dabei auftretende Differenzimpuls, der in Fig. 2 d dargestellt
ist, steuert über den Widerstand 16 den Schalttran^ 'sistor 11 mindestens für diese Zeit t. bis t_ in den leiten- "
den Zustand. Ist jetzt der Verbraucher 10 nicht kurzgeschlossen, so tritt am Kollektor des Schalttransistors 11 eine Spannung
auf, die etwa der der gemeinsamen Versorgungsleitung Ik (minus U£} entspricht. Damit kann über den Widerstand 19
für den zweiten Steuertransistor 18 ein Basisstrom fließen, auch wenn der Zwischentransistor 22 nach Ablauf der Speicherzeit
t sperrt und über den Widerstand 21 kein Basisstrom mehr für den zweiten Steuertransistor 18 fließen kann.
Der zweite Steuertransistor 18 wird also über den Widerstand 19 in leitendem Zustand gehalten und der erste Steuertransistor
17 wird weiterhin über den Widerstand 30 und den Eingangstransistor 27 in leitendem Zustand gehalten, so daß
über den Widerstand 16 weiterhin ein Basisstrom für den Schalttransistor 11 fließen kann, so daß der Schalttransistor
11 eingeschaltet bleibt und der Strom über den Verbraucher 10 fließen kann.
Zum Zeitpunkt t, geht die Eingangsspannung U wieder auf ,Null
zurück. Nach Ablauf einer Verzögerungszeit des Eingangstransistors
27 sperrt dann zum Zeitpunkt tu der Eingangstransistor
27, damit sperrt auch der erste Steuertransistor 17 und der Basisstrom des Schalttransistors 11 wird unterbrochen, so daß
der Schalttransistor 11 sperrt, bis von neuem ein Eingangssignal
an die Eingangsklemme 29 angelegt wird, das signalisiert, daß der Verbraucher 10 wieder eingeschaltet werden soll.
Ist der Verbraucher 10 kurzgeschlossen, läuft bis zum Zeitpunkt tp der beschriebene Eins ehaltVorgang ab. Im Zeitraum t1~t2 kann
jedoch die Spannung am Kollektor des Schalttransistors Il nicht
gegen die Betriebsspannung minus üß gehen, da sie bei kurzgeschlossenem
Verbraucher auf dem Pluspotential, das an der ge-
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meinsamen Versorgungsleitung 12 anliegt, gehalten wird. Damit
kann über den V/iderstand 19 kein Basisstrom su dem zweiten Steuertransistor 18 fließen. Sperrt also nach Ablauf der
Speicherzeit t der Zwischentransistor 22, erhält der zweite
Steuertransistor keinen Basisstrom mehr und sperrt, so daß die Reihenschaltung des ersten Steuertransistors 17 und des
zweiten Steuertransistors 18" insgesamt betrachtet sperrt. Die Spannung U ^ gemäß Fig. 2 d tritt also nur als Differenzimpuls
auf und der Schalttransistor 11 wird also nur für die kurze Dauer dieses Differenzimpulses leitend gemacht und sperrt zum
Zeitpunkt t_ wieder. Der während der Dauer des Differenzimpulses fließende Kurzschlußstrom wird entweder durch die nur
Stromverstärkung des Schalttransistors 11 begrenzt oder wie in Fig. 1 angedeutet, durch eine spezielle Begrenzungsschaltung,
die aus dem Emitterwiderstand 13 und der Zenerdiode 15 besteht, niedrig gehalten. Die dabei im Transistor 11 auftretende
kurzzeitige hohe Impuls leistung kann aufgrund der Wärmekapazität ohne weiteres vom Transistor aufgenommen werden;
die zulässige Impulsleistung beträgt ein Vielfaches der im
Dauerbetrieb zulässigen Verlustleistung.
Besonders vorteilhaft ist bei der beschriebenen Schaltungsanordnung,
daß aufgrund des abgeschalteten Schalttransistors 11 im Kurzschlußfall keine Vfärme leistung abzuführen ist, wie dies
bei häufig verwendeten Kurzschlußsicherungen in Form einer Strombegrenzung der _Fall ist. Dadurch werden spezielle Kühlmaßnahmen
vermieden.
Tritt während des Betriebes des Verbrauchers 10 ein Kurzschluß auf, so wird der Kollektor des Schalttransistors 11 mit der gemeinsamen
Versorgungsleitung 12, an der die positive Betriebsspannung plus Ug anliegt, verbunden und der zweite Steuertransistor
18 wird gesperrt, so daß auch bei diesem Fall sofort eine Abschaltung des Schalttransistors 11 infolge des unterbrochenen
Basistroms eintritt.
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Claims (1)
- " 8 " 13 5 9Ansprücheill)Verfahren zum Schutz eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Schalttransistors, bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung mit dem Schalter verbundenen Verbrauchers, dadurch gekennzeichnet, daß bei Inbetriebnahme des Verbrauchers (10) ein Abtastimpuls ausgelöst wird, der den Schalter (11) schließt, daß bei geschlossenem Schalter ■(11) das Potential am Verbindungspunkt des Schalters (11) und des Verbrauchers (10) ermittelt wird und daß in Abhängigkeit von diesem Potential der Schalter (11) stromdurchlässig gehalten oder gesperrt wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastimpuls unter Ausnützung von Speicherzeiten elektronischer Bauelemente (22) einer Schaltungsanordnung gebildet wird.3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des elektronischen Schalters über ein UND-Glied (17» 18) ansteuerbar ist, dessen erster Eingang mit dem Eingang (29) der Schaltungsanordnung und dessen zweiter Eingang mit dem Schalter (10) in Wirkverbindung steht.H. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem UND-Glied (17, 18) ein ODER-Glied (18, 19, 21) zugeordnet ist.409836/0961 - 9 -13 5 95. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des elektronischen Schalters (11) mit dem als Reihenschaltung der Schaltstrecken zweier Steuertransistoren (17» 18) ausgebildeten UND-Glied in Wirkverbindung steht, wobei der erste Steuertransistor (17) in Abhängigkeit von einem Eingangssignal der Schaltungsanordnung und der zweite Steuertransistor (18) in Abhängigkeit von dem an dem Verbindungspunkt des Schalters (11) und des Verbrauchers (10) anliegenden Potential umschaltbar ist.6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuertransistor (18) über einen Zwischentransistor (22) mit einem Eingangstransistor (27) in V/irkverbindung steht.7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da-. durch gekennzeichnet, daß der erste Steuertransistor (17) mit dem Eingangstransistor (27) in Wirkverbindung steht, an dessen Steuerelektrode als Eingangssignal ein den Stromfluß durch den Verbraucher (lo) auslösendes Signal anlegbar ist.8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem den Stromfluß durch den Verbraucher (10) unterbrechenden Signal an der Steuerelektrode des Eingangstransistors (27) der Zwischentransistor (22) im Übersteuerungsbereich betrieben wird.- 10 -409836/09612310U8- 10 - 13 5 99. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, da-.durch gekennzeichnet, daß der Steuerstrecke des .Schalttransistors (11) eine Zenerdiode (15) parallel geschaltet ist. -10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu der Schaltstrecke des Schalttransistors (11) ein Strombegrenzungswiderstand (13) angeordnet ist.11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des Schalttransistors (11) über einen Widerstand (19) mit der Steuerelektrode des zweiten Steuertransistors (18) verbunden ist.12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des Eingangstransistors (27) mit der ersten Elektrode einer Diode (26) und über einen Widerstand (3o) mit der Steuerelektrode des ersten Steuertransistors (17) verbunden ist.13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode der Diode (26) mit der Steuerelektrode des Zwischentransistors (22) in Wirkverbindung steht.14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode der Diode (26) mit einer \*eiteren Diode (23) verbunden ist, die zusammen mit einem Widerstand- 11 409836/09612310U813 5 9(21I) einen Basisspannungsteiler für den Zwischentransistor (22) bildet.15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des Zwischentransistors (22) über einen Widerstand (21) mit der Steuerelektrode des zweiten Steuertransistors (18) verbunden ist.16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche- 3 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Schaltstrecken^der Steuertransistoren (17, 18) mit einem Widerstand (16) in Reihe geschaltet ist, der mit der Zenerdiode (15) und der Steuerelektrode des Schalttransistors (11) verbunden ist.409836/0961ft .Leerseite
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