DE2310448C3

DE2310448C3 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters

Info

Publication number: DE2310448C3
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: 1981-10-01
Also published as: BR7401443D0; IT1015824B; DE2310448B2; DE2310448A1; FR2220112A1; JPS502853A; ES423797A1; NL7402817A; US3889159A; GB1462080A; FR2220112B1; SE390685B

Description

Die Erfindung betriff» eine Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters insbesondere

H 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 11 39 879 ist weiterhin eine Überlastungsschutzeinrichtung für Schalttransistoren, insbesondere bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung mit dem Schalter verbunucnen 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 liegt, so daß die Schaltung insgesamt nur während der Schaltzeit der Schalttransistoren überwacht wird. Da während dieser Zeit noch Leine 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 t angegebenen Maßnah-

men gelöst

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

ßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchßn 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

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

In Fig. 1 isi ein Verbraucher 10 in Reihe zu der Schaltstrecke eines Schalttransistors 11 geschaltet. Der in 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 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 Emit'er des y, 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 Eingangslransistors 27 ist über einen Vorwidersiand 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. vj 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 F-" i g. 2 bei a bis d tn aufgetragenen Spannungsverläufe erläutert werden- Es idll dabei zunächst angenommen werden, daß an der Eingangsklemme 29 zum Zeilpunkt ίο eine Eingangsspannung Ue = 0 Volt anliegt. Dadurch ist der Eingangstransistor 27 gesperrt Und über den Widerjtand 25 und die Diode 23 wird der Transistof_22 leitend gehalten. Dabei wird d* Transistor 22 im Übersteuerunesbereich betrieben, das heißt, es wird der Basis dieses Transistors 22 ein wesentlich größerer Basisstrom zugeführt, als zum Umschalten des Transistors ii 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 Ändemng 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 Steuertransisioren 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 Schalttransi- .ir Il ist deshalb ebenfalls gesperrt.

Zum Zeitpunkt fi wird die Eingangsspannung U_e positiv. Damit wird der Eingangstransistor 27 in den leitenden Zustand geschaltet und die über der Schalt5:recke 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 Übersteuerungsoereich bleibt während der Speicherzeit t, der Transistor 22 bis zum Zeitpunkt r₂ in leitendem Zustand. Bei leitendem Eingangstransistor 27 leitet aber auch der erste Steuertransistor 17, und da der zweite Steuertransistor 18 bis zum Zeitpunkt f2 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 /1 bis fc leitend. Der dabei auftretende Differenzimpuls, der in Fig. 2d dargestellt ist, Ueuert über den Widerstand 16 den Schalttransistor 11 mindestens für diese Zeit t\ bis h in den leitenden Zi ₅tand. Ist jetzt der Verbraucher 10 nicht kurzgeschlossen, so tritt am Kollektor des Schalttransistors 11 eine Spannung auf, die etwa der der gemeinsamen Versorgungsleitung 14 (minus Ut) entspricht. Damit kann über den Widerstand 19 für den zweiten Steuertransistor 18 ein Basisstrom fließen, auch wenn der Transistor 22 nach Ablauf der Speicherzeit f_s 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 Widp-s'and 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 Zeitpunk. U geht die Eingangsspannung U_e wieder auf Null zurück. Nach Ablauf einer Verzögerungszeit des Eingangstransistors 27 sperrt d?nn zum Zeitpunkt U 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 werdensoll.

Ist der Verbraucher 10 kurzgeschlossen, läuft bis zum Zeitpunkt h der beschriebene Einschaltvorgang ab. Im Zeitraum t\ — h kann jedoch die Spannung am Kollektor des Schalttransistors 11 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 t_s der Transistor 22, erhält der zweite Steuertransistor keinen Bäsisstrorri mehr und sperrt, so daß die Reihenschaltung des ersten Steuertransistors 17 und des zweiten Steuertransistors 18 insgesamt betrachtet sperrt. Die Spannung i/4 gemäß Figi2d tritt also nur als pifferenzimpuls auf und der Schalttransistor 11 wird also hur für die kürze Dauer dieses Diffeferizirrtpulses leitend gemacht und sperrt zum Zeitpunkt b wieder. Der während der Dauer des Differenzimpulses fließende Kurzschlußstrom wird entweder durch die nur Stromverstärkung des Schalttränsistors 11 begrenzt oder wie in F i g. I angedeutet, durch eine spezielle Begrerizurigsschaltung, die aus dem Emitlerwidersland 13 und der Zenerdiode 15 besieht, niedrig gehalten. Die dabei im Transistor 11 auftretende kurzzeitige hohe Irripülsleistung 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

in Schalttransistors 11 im Kurzschlußfall keine Wärmeleistung abzuführen ist. wie dies bei häufig verwendeten kürzschlußsicherungen in Form einer Strombegrenzung der Fall ist. Dadurch werden spezielle Kühlmaßnahmen Vermieden.

i/i 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 Ub anliegt, verbunden und der zweite Steuertransistor 18 wird

2(i gesperrt, so daß auch bei diesem Fall sofort eine Abschaltung des Schalttransistors U infolge des 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. Schakuagsanordnung 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 naJi Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Halbleiterbauelement ein Transistor (22) ist, wobei die Verzögerung durch Umschalten des Transistors vom Obersteuerungsbereich in den Sperrbereich erzielt wird.

4. Schaltungsanordnung nar¹-. Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß der _erste Steuertransistor (17) tnit 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 Schaltransisto.· 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 Schalttiansistors (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.