DE2310448B2

DE2310448B2 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters

Info

Publication number: DE2310448B2
Application number: DE2310448A
Authority: DE
Inventors: Wolf Ing.(Grad.) 7141 Schwieberdingen Wessel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-03-02
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1981-01-08
Also published as: US3889159A; BR7401443D0; NL7402817A; FR2220112B1; DE2310448A1; DE2310448C3; SE390685B; ES423797A1; IT1015824B; JPS502853A; GB1462080A; FR2220112A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters insbesondere eines Schalttransistors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verbraucher, beispielsweise Widerstände, Relais und dgl. werden häufig durch elektronische Schalter, insbesondere durch Schaltransistoren 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 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

Aus der DE-AS 1139 879 ist weiterhin eine Überlastungsschutzeinrichtung für Schalttransistoren, insbesondere bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung mit dem Schalter verbundenen Verbrauchers bekannt, bei der durch Auslösung eines Abtastimpulses der Verbraucher dadurch in Betrieb genommen wird, daß der Abtastimpuls den Schalter schließt, und bei der bei geschlossenem Schalter das Potential am Verbindungspunkt des Schalters und des Verbrauchers über ein Element eines logischen Schaltkreises den Schalter geschlossen hält oder öffnet Bei der bekannten Vorrichtung ist die Länge des Abtastimpulses jedoch so gewählt, daß sie in der Größenordnung der Schaltzeit der Schalttransistoren Hegt, so daß die Schaltung insgesamt nur während der Schaltzeit der Schalttransistoren überwacht wird. Da während dieser Zeit noch keine definierten Verhältnisse in der Schaltung vorliegen, kann es demzufolge zu Fehlauslösungen kommen. Weiter ist bei der bekannten Vorrichtung von Nachteil, daß zur Erzeugung des Abtastimpulses ein Zeitglied mit einem Kondensator verwendet wird, so daß sich insgesamt eine aufwendige Fertigung der Schaltungsanordnung ergibt, wenn diese als integriertes Bauelement ausgeführt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die als integrierte Schaltung herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Schaltungsanordnung ist besonders für den rauhen Betrieb in einem Kraftfahrzeug geeignet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmä-

Bige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den Zeichnungen. Es zeigt

F i g. 1 den Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters und

F i g. 2 einen Impulsplan zur Erläuterung des Stromlaufplanes nach F i g. 1.

In F i g. 1 ist ein Verbraucher 10 in Reihe zu der Schaltstrecke eines Schalttransistors 11 geschaltet. Der <o 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 14 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 18 mit der Reihenschaltung der Schaltstrecken zweier Steuert'ansistcren 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 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 Transistors 22 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 14 verbunden ist Der zweite Steuertransistor 18 bildet dabei zusammen mit den Widerständen 19 und 21 ein ODER-Glied. Die Basis des Transistors 22 ist mit der Kathode einer Diode 23 und einem Widerstand 24 verbunden, der an die gemeinsame Versorgungsleitung 14 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 31 geschaltet.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung soll anhand der in Fig.2 bei a bis d aufgetragenen Spannungsverläufe erläutert werden, Es soll dabei zunächst angenommen werden, daß an der Eingangsklemme 29 zum Zeitpunkt f₀ eine Eingangsspannung Ue = 0 Volt anliegt. Dadurch ist der Eingangstransistor 27 gesperrt und über den Widerstand 25 und die Diode 23 wird der Transistor 22 leitend gehallen. Dabei wird der Transistor 22 im Übersteuerunesbereich betrieben, das heißt, es wird der Basis dieses Transistors 22 ein wesentlich größerer Basisstrom zugeführt, als zum Umschalten des Transistors 22 in den leitenden Zustand notwendig wäre. Durch diesen Betrieb des Transistors 22 im Obersteuerungsbereich wird erreicht, daß bei einem Umschalten des Transistors in den nicht leitenden Zustand, d. h. bei einer Änderung des Eingangssignales an der Basis des Transistors 22 das Ausgangssignal des Transistors 22 nicht sofort, sondern erst nach einer sogenannten Speicherzeit geändert wird.

Wenn der Transistor 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 da Q über den Widerstand 16 kein Basisstrom zu dem Schalttransistor 11 fließen kana Der Schalttransistor 11 ist deshalb ebenfalls gesperrt

Zum Zeitpunkt fi wird die Eingai-gsspannung U_e positiv. Damit wird der Eingangstransistor 27 in den leitenden Zustand geschaltet und die über der Schaltstrecke des Eingangstransistors 27 abfallende Spannung geht gegen NuIL Dadurch kann über die Diode 23 kein Basisstrom mehr zu dem Zwischentransistor fließen, aber aufgrund des vorherigen Betriebes in dem Obersteuerungsbereich bleibt während der Speicherzeit U der Transistor 22 bis zum Zeitpunkt t₂ in leitendem Zustand. Bei leitendem Eingangstransistor 27 leitet aber auch der erste Steuertransistor 17, und da der zweite Steuertransistor 18 bis zum Zeitpunkt /2 aufgrund der Ansteuerung über den Transistor 22 und den Widerstand 21 ebenfalls noch leitet ist die Reihenschaltung der Steuertransistoren 17 und 18 in dem Zeitintervall fi bis f₂ leitend. Der dabei auftretende Differenzimpuls, der in Fig.2d dargestellt ist steuert über den Widerstand 16 den Schaltiransutor 11 mindestens für diese Zeit d bis h in den leitenden Zustand. Ist jetzt der Verbraucher 10 nicht kurzgesciilossen, so tritt am Kollektor des Schalttransistors 11 eine Spannung auf, die etwa der der gemeinsamen Versorgungsleitung 14 (minus Ue) entspricht Damit kann über den Widerstand 19 für den zweiten Steuertransistor 18 ein Basisstrom fließen, auch wenn der Transistor 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 leite idem Zustand gehalten, so daß über den Widerstand 16 weiterhin ein Basisstrom für den Schalttransistor 11 fließen kann, so daß der Schaltfansistor 11 eingeschaltet bleibt und der Strom über den Verbraucher 10 fließen kann.

Zum Zeitpunkt t₃ geht die. Eingangsspannung Ü_c wieder auf Null zurück. Nach Ablauf einer Verzögerungszeit des Eingangstransistors 27 sperrt dann zum Zeitpunkt U der Eingangstransistor 27, dan.it sperrt auch der erste Steuertransistor 17 und der Basisslrom 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 h der beschriebene Einschaltvorgang ab. Im Zeitraum t\ — t₂ kann jedoch die Spannung am Kollektor des Schalttransistors Ii nicht gegen die Betriebsspannung minus Ub gehen, da sie bei kurzgeschlossenem Verbraucher auf dem Pluspotential, das an der gemeinsamen Versorgungsleitung 12 anliegt, gehalten wird. Damit kann über den Widerstand 19 kein Basisstrom zu dem zweiten Steuertransistor 18 fließen. Sperrt also nach Ablauf der Speicherzeit f, der Transistor 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. 2d 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 f2 wieder. Der während der Dauer des Differenzimpulses fließende Kurzschlußstrom wird entweder durch die nur Stromverstärkung des Schalttransistors 11 begrenzt oder wie in F i g. I angedeutet, durch eine spezielle Begrenzungsschaltung, die aus dem Emitterwiderstand 13 urvd del Zenerdiode 15 besteht, niedrig gehalten. Die dabei inTransistor 11 auftretende kurzzeitige hohe Impulslei slung kann aufgrund der Wärmekapazität ohne > weiteres vom Transistor aufgenommen werden; die zulässige Impulsleistung beträgt ein Vielfaches der irr Dauerbetrieb zulässigen Verlustleistung.

Besonders vorteilhaft ist bei der beschriebener Schaltungsanordnung, daß aufgrund des abgeschalteter

in Schalttransistors 11 im Kurzschlußfall keine Wärmelei stung abzuführen ist, wie dies bei häufig verwendeter Kurzschlußsicherungen in Form einer Strombegren zung der Fall ist. Dadurch werden spezielle Kühlmaß nahmen vermieden.

ι j Tritt während des Betriebes des Verbrauchers 10 eir Kurzschluß auf, so wird der Kollektor des Schalttransistors 11 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 12, ar der die positive Betriebsspannung plus Ub anliegt verbunden und der zweite Steuertransistor 18 wire gesperrt, so daß auch bei diesem Fall sofort eine Abschaltung des Schalttransistors 11 infolge de« unterbrochenen Basisstroms eintritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Schalttransistors, bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung mit dem Schalter verbundenen Verbrauchers, bei der durch Auslösen eines Abtastimpulses der Schalter durch diesen Impuls geschlossen und der Verbraucher in Betrieb genommen wird und der Abtastimpuls mit Hilfe einer UND-Schaltung gebildet wird, an deren erstem Eingang das den Verbraucher einschaltende Schaltsignal unverändert eingespeist wird und an deren zweiten Eingang das Potential am Verbindungspunkt des Schalters und des Verbrauchers anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Eingang das Schaltsignal zusätzlich über ein elektronisches Halbleiterbauelement (22), das das Schaltsignal invertiert und verzögert, eingespeist wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des elektronischen Schalters (11) mit dem Ausgang der als Reihenschaltung der Schaltstrecken zweier Steuertransistoren (17, 18) ausgebildeten UND-Schaltung verbunden ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, jiaß das elektronische Halbleiterbauelement ein Transistor (22) ist, wobei die Verzögerung durch Umschalten des Transistors vom Übersteuerungsbereich in den Sperrbereich erzielt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der er^.e Steuertransistor (17) mit einem Eingangstransistor (27) in Wirkverbindung steht, an dessen Steuerelektrode als Eingangssignal ein den Stromfluß durch den Verbraucher (10) auslösendes Signal anlegbar ist, und daß der zweite Steuertransistor (18) über den das elektronische Halbleiterbauelement darstellenden Transistor (22) mit dem Eingangstransistor (27) in Wirkverbindung steht

5. Schaltungsanordnung mit einem Schaltransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstrecke des Schalttransistors (11) eine Zenerdiode (15) parallel geschaltet ist und daß in Reihe zu der Schaltstrecke des Schalttransistors (11) ein Strombegrenzungswiderstand (13) angeordnet ist

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des Schalttransistors (11) über einen Widerstand (19) mit der Steuerelektrode des zweiten Steuertransistors (18) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des Eingangstransistors (27) mit der ersten Elektrode einer Diode (26) und über einen Widerstand (30) mit der Steuerelektrode des ersten Steuertransistors (17) verbunden ist, daß die zweite Elektrode der Diode (26) mit der Steuerelektrode des Transistors (22) in Wirkverbindung steht, daß die zweite Elektrode der Diode (26) mit einer weiteren Diode (23) verbunden ist, die zusammen mit einem Widerstand (24) einen Basisspannungsteiler für den Transistor (22) bildet und daß die Ausgangselektrode des Transistors (22) über einen Widerstand (21) mit der Steuerlektrode des zweiten Steuertransistors (18) verbunden ist.

8, Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der Schaltstrecken der Steuertransistoren (17,18) mit einem Widerstand (16) und der Zenerdiode (15) in Reihe geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt von Widerstand (16) und Zenerdiode (15) mit der Steuerelektrode des Schalttransistors (11) verbunden ist