DE2750972B2 - Schaltung zum Ansteuern von niederohmigen Lasten, insbesondere Zündpillen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Ansteuern von niederohmigen Lasten über einen mit einer Stromquelle verbundenen Leistungsschalter, insbesondere zum Ansteuern niederohmiger Zündpillen in Zündschaltungen.

Zum Ansteuern niederohmiger Lasten sind verhältnismäßig hohe Leistungen erforderlich, so daß man bestrebt ist, die Leistung der Stromquelle möglichst verlustleistungsfrei auf die niederohmige Last zu schalten.

Derartige Schaltungen werden im allgemeinen über ein Steuersignal mit scharfer Flanke angesteuert, wobei selbstverständlich der Ansteuerpegel an den Schaltpegel des Leistungsschalters angepaßt werden muß. In komplexen Schaltungen, in denen etwa mehrere derartige niederohmige Lasten zu verschiedenen Zeitpunkten angesteuert werden müssen, wird heute oftmals die Ansteuerung mit einem sogenannten Logikpegel bevorzugt, das heißt eine Ansteuerung mit Signalen, die in einer Logikschaltung abgeleitet werden. Die Ausgangspegel derartiger Logikschaltungen sind jedoch nur sehr gering.

Zudem muß bei derartigen komplexen Schaltungen dafür Sorge getragen werden, daß durch etwaige Fehler in der Schaltung, so z. B. einen Kurzschluß der niederohmigen Last, die damit zusammenhängende Schaltung abgeschaltet wird, damit die Stromquelle nicht leer läuft. In Zündschaltungen kann ein derartiger Fall etwa dann auftreten, wenn nach einer nicht vollständigen Zündung der Zündpille diese sozusagen

verschweißt und eine Kurzschlußbröcke bildet,

Zündscbaltungen für militärische Anwendungen müssen außerdem gegen elektromagnetische Störungen abgesichert sein, Hierfür sind im sogenannten MIL-Standard 461A, Kennziffer 3, Grenzwerte für EMV-Messungen für Baugruppen angegeben, und zwar für eingestrahlte und über elektrische Leitungen geleitete Störungen. Bis zu den dort angegebenen Grenzwerten darf die Zündschaltung nicht auslösen. Für eingestrahlte Störleistungen gelten dabei folgende Grenzwerte:

Bei Frequenzen zwischen 14 kHz bis 35MHz beträgt das Störfeld 10 V/m, das mit einer Rechteckfrequenz von 1 kHz moduliert ist;
bei Frequenzen zwischen 35MHz bis 7 GHz beträgt das Störfeld 5 V/m, das ebenfalls mit einer Rechteckfrequenz von 1 kHz moduliert ist.

Bei über elektrische Leitungen geleiteten Störungen gelten folgende Werte:

Bei einer Störfrequenz von 20Hz beixägt die Spannung zwischen den beiden Spitzenwerten 8Vss,

bei einer Störfrequenz von 3 kHz ist die Störspannung 6 Vss und

bei einer Frequenz von 1 GHz ist die Störspannung 2Vss.

Es gibt verschiedene Schaltungen der eingangs genannten Art Oftmals verwendet wird eine Thyristor-Schaltung oder eine dieser Schaltung ähnliche Schaltung, etwa mit einer 4-Schichtdiode oder einer Ersatzschaltung mit zwei Transistoren.

Derartige Schaltungen sind sehr vorteilhaft da sie nur einen geringen Ruhestrom und eine geringe Verlustleistung im Zündfall aufweisen.

Dem steht jedoch gegenüber, daß Thyristor-Schaltungen, sobald sie einmal angesteuert sind, in der Regel nicht abschaltbar sind. Dies kann, wie oben ausgeführt, dazu führen, daß die Stromquelle bei einem Schaden innerhalb der Schaltung feer läuft und dann zum Ansteuern weiterer Lasten bzw. Zündpullen nicht mehr verwendbar ist

Thyristor-Schaltungen sind auch sehr störempfindlich bei kurzzeitigen Spannungszusammenbrüchen, d.h., wenn etwa eine Störspannung in die Masseleitung eingestrahlt oder eingeleitet wird. Für militärische

Anwendungen können sie daher nur in beschränktem Umfang verwendet werden. Des weiteren vind Transistor-Schaltungen bekannt,

so die im Ruhezustand eine hohe Verlustleistung aufweisen. Sie können daher in Fällen, wo ein niedriger Leistungsverbrauch im Ruhezustand gefordert wird, nur beschränkt eingesetzt werden. Dies ist auf militärischem Gebiet bei sogenannten autarken Munitionen, wie Minen, Lauerminen, Kleinbomben oder Streumunition jedoch immer der Fall.

Bei Transistor-Zündschaltungen liegt üblicherweise auch die Zündpille auf hohem Potential, damit, wie eingangs erwähnt, die Schaltung auch mit niedrigem Steuerpegel aus einer Logikschaltung angesteuert werden kann. Nach den Forderungen des Militärs soll jedoch aus Sicherheitsgründen die Zündpulle auf niedrigem Potential oder direkt an Masse liegen, wodurch der Ansteuerpegel auf den Versorgungspegel angehoben werden muß, wenn ein einwandfreies Durchschaltsn der Zündpille gewährleistet sein soll. Ohne Zusatzschaltungen sind daher derartige Transistorsteuerungen mit niedrigen Pegeln, so den erwähnten

Logikpegeln, nicht ansteuerbar.

FQr die genannte autarke Munition wäre ein Senaltungsaufljsiu lediglich aus Feldeffekt-Transistoren möglich, da diese sehr hohe Sperrwiderstände und aus diesem Grunde auch nur geringe Verlustleistungen im Ruhezustand aufweisen. Gerade dies bringt jedoch die Schwierigkeit mit sich, niederohmige Zündpiilen mit einem Widerstand von etwa 20 Ohm anzusteuern, da wegen der hohen Sperrwiderstände der Feldeffekt-Transistoren Ober diese für die Zündpillen nicht die erforderlichen hohen Stromstärken geleitet werden können.

Die beiden letztgenannten Schaltungsarten können zudem nur durch eine sehr aufwendige Zusatzelektronik EMV-sicher gestaltet werden. Aus diesen Gründen ist es heute praktisch nicht möglich, eine Zündschaltung etwa direkt in der Nähe der Zündpille und der damit zu zündenden Spreng- oder anderen Ladung anzuordnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die schaltungstechnisch sehr einfach i& und nur wenige Elemente aufweist, wobei die Schaltung dur:h geringe Steuerpegel ansteuerbar sein soll; außerdem soll die Schaltung nur eine geringe Verlustleistung im Ruhezustand aufweisen und auch bei hohen Störleistungen einwandfrei funktionieren, so daß sie auch den Forderungen für militärische Anwendungen genügt

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die niederohnige Last mit einem Anschluß an Masse im Leistungspfad des Leistungsschalters, insbesondere eines Leistungstransistors liegt, dessen Ansteuerbasis über einen Basiswiderstand an Masse und über einen im Ruhezustand, d. h. bei nicht angesteuerter Last, gesperrten Steuertransistor am Pluspol der Stromquelle liegt, und daß die Steuerelektrode des Steuertransistors mit einer Transistor-Inverterstufe verbunden ist, mit der eingangsseitig ein Differenzierglied verbunden ist

Die angegebene Schaltung ist schaltungstechnisch sehr einfach; sie weist nur wenige aktive und passive Bauelemente auf, wobei sämtliche aktiven Bauelemente im Ruhezustand der Schaltung gesperrt sind. Die Verlustleistung der Schaltung ist daher im Ruhezustand sehr klein, so daß sie bei militärischen Anwendungen auch in autarker Munition mit langen Lagerzeiten einwandfrei eingesetzt werden kann.

Als Leistungsschalter kann z.B. ein üblicher Leistungstransistor oder eine Darlington-Schaltung verwendet werden, die auf hohem Potential liegt, während die anzusteuernde Last, also etwa die ZQndpilie, an einer so Seite gegen Masse geschaltet ist und daher auf niedrigem Potential liegt Die Ansteuerung des Leistungsschalters erfolgt über eine Steuerschaltung, durch die der Ansteuerpegel, etwa ein Logikpegel, auf das Schaltpotential dos Leistungsschalters angehoben wird. Auf diese Weise sind auch niederohmige Lasten mit den entsprechend hohen Strömen ansteuerbar.

Wesentlich ist ferner, daß in der Ansteuerschaltung ein Differenzierglied enthalten ist Auf diese Weise wird erreicht, daß der Steuertransistor für den Leistungs- m> schalter nach einer durch die Zeitkonstante des Differenziergliedes bestimmten kurzen Zeit wieder gesperrt wird, auch wenn das Ansteuersignal weiter am Eingang anliegt Dadurch wird nach dieser Zeit der Leistungsschalter wieder gesperrt, so daß die Ausbildung eines Kurzschlusses über die Last nicht dazu führt, daß die Stromquelle sich über diesen Strompfad entleert Hierdurch können komplexe Schaltungen mit mehreren Schaltstufen einwandfrei nacheinander angesteuert und geschaltet werden, auch wenn in einer dieser Schaltungen ein sonst zum Entladen der Stromquelle führender Kurzschluß vorhanden ist

Ein wesentlicher Vorteil der angegebenen Schaltung liegt auch darin, daß sie gegen Störeinflüsse sehr unempfindlich ist In Versuchen ist nachgewiesen worden, daß bei eingestrahlten und geleiteten Störleitungen, die weit über den oben angegebenen zulässigen Grenzen liegen, die Schaltung noch einwandfrei funktioniert

Damit ist es auch möglich, die gesamte Schaltung mit der Last zu integrieren, was insbesondere für militärische Anwendungen vorteilhaft ist Hier kann die gesamte Zündschaltung in die Zündpille integriert werden, ohne daß wie bisher befürchtet werden muß, daß ungewollte Auslösungen durch Störungen auftreten können. Der Platzbedarf für die angegebene Zündschaltung ist wegen- der nur geringen Anzahl der verwendeten Bauelemente sehr gering, was ebenfalls für militärische Anwendungen vorteilhaft ist

Die angegebene Schaltung kann generell als Uberspannungsschutzschaltung oder etwa als Zündschaltung auf militärischem Gebiet bzw. in Verbindung mit Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, wie Luftkissen, oder Gurtspanner verwendet werden. Als Stromquelle sind übliche Batterien oder auch Piezogeneratoren einsetzbar.

Die Erfindung ist in drei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert Hierin stellen dar:

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung, die durch ein positives Spannungssignal von einer Logikschaltung angesteuert wird;

Fig.2 eine Zündschaltung für eine niederohmige Zündpille, wobei die ZQndpilie im Ruhezustand der Schaltung Überbrückt ist;

Fig.3 ein drittes AusfQhrungsbeispiel einer Schaltung gemäß der Erfindung mit einem selbstsperrenden MOS-Feldeffekttransistor als Steuertransistor;

F i g. 4 eine Variante zu einer Ansteuerschaltung für die angegebenen Schaltungen.

Eine Stromquelle U ist mit einer Serienschaltung aus einem Leistungstransistor T₁ und einer Zündpille P überbrückt Die Basis des Transistors 7} ist über einen Basiswiderstand R\ an Masse geschaltet In Sei ie mit diesem Basiswiderstand R\ ist die Kollektor-Emitterstrecke eines PNP-Transistors T₂ geschaltet dessen Emitter mit dem positiven Pol der Stromquelle U verbunden ist Die Basis des Transistors T₂ ist über einen Widerstand Rt ebenfalls mit dem positiven Pol der Stromquelle verbunden und über einen weiteren Widerstand A3 und die Kollektor-Emitter-Strecke eines Ans.euertransistors Ti an Masse geschaltet

Zur Ansteuerung des Transistors Tt dient ein Differenzierglied D aus einem Widerstand HU zwischen der Basis des Transistors T3 und Masse sowie einem Kondensator Q zwischen der Basis des Transistors T₃ und einem Spannungsteilerabgriff einer über dein Eingang des Differenziergliedes liegenden Serienschaltung aus Widerstände Rs und Rt. Ein weiterer Kondensator Ci ist zwischen die Basis des Transistors Tj und Masse geschaltet

Die beschriebene Schaltung wird von einer Logik-Schaltung L angesteuert, die eine übliche C-MOS-Schaltung ist. Diese Schaltung gibt nach einem bestimmten hier nicht näher interessierenden Programm zu einem bestimmten Zeitpunkt einen in der Zeichnung angedeu-

teten positiven Spannungsimpuls /ab.

Im Ruhezustand der Schaltung, d.h. solange kein Steuerimpuls / anliegt, ist der Transistor Tj gesperrt, da dessen Basis Ober den Widerstand Ra mit Emitter verbunden ist Ebenso ist der Transistor 7'₂ gesperrt, weil er keinen Basisstrom Ober den gesperrten Transistor T₃ ziehen kann und seine Basis über den Widerstand Ri mit seinem Emitter verbunden ist. Dadurch ist der Leistungstransistor T₁ ebenfalls gesperrt

Wird an den Eingang der Schaltung von der Logikschaltung L ein positiver Spannungsspning / angelegt, so wird dieser Spannungssprung durch das Differenzierglied aus G und R* für eine bestimmte Dauer an die Basis des Transistors T) weitergeleitet, so daß dieser während dieser Zeitspanne leitend wird. Hierdurch wird der Transistor 7} aufgesteuert und damit die Spannung an der Basis des Leistungstransistors 71 angehoben. Dieser wird hierdurch leitend, so daß nunmehr ein Laststrom über die Zündpille P fließen kann und diese initiiert wird.

Mit der Zündpille kann etwa eine übliche Sprengladung gezündet werden; als Zündpille kann z. B. auch ein niederohmiger Widerstand verwendet werden, durch den dann eine Überspannungssicherung einer hier nicht näher dargestellten Schutzschaltung betätigt wird.

Sobald der Steuerimpuls je nach dem Anstieg eine konstante Höhe erreicht, fällt infolge des Differenziergliedes aus C\ und R* die Spannung an der Basis des Transistors T₁ entsprechend der Zeitkonstante wieder ab, so daß dieser Transistor und damit auch der Transistor Ti gesperrt werden und dadurch die Spannung an der Basis des Leistungstransistors 71 erneut abfällt, bis dieser Transistor sperrt. Der Strompfad von der Batterie über den Leistungstransistor 71 und die Zündpulle Pwird dadurch in jedem Falle wieder unterbrochen. Wird die angegebene Schaltung als Zündschaltung verwendet und sollte durch eine unvollständige Verbrennung der Zündpille Pdiese einen Kurzschluß bilden, so wird unabhängig davon die Stromquelle U von der Zündpille getrennt. Die Stromquelle wird daher nur so weit entladen, wie es zur Initiierung der Zündpille notwendig ist. Eine weitergehende Entladung ist auch durch einen etwaigen Kurzschluß an der Zündpille Pnicht möglich.

In F i g. 2 ist die Schaltung gemäß F i g. 1 ergänzt durch eine Darlington-Schaltung aus Transistoren T* und Ts parallel zu der Zündpille Pj, wobei die Basis des Transistors Ti über einen Widerstand Ri mit dem Kollektor des Transistors 71 verbunden ist Im

Ruhezustand sind diese Transistoren leitend, da der Transistor Tj fließen kann; dadurch werden eventuell an

der Zündpille eingestrahlte Störungen kurzgeschlossen.

Wird dieser Schaltung ein positiver Spannungssprung

als Eingangssignal zugeführt wird wieder der Transistor Ti leitend, wodurch die Basispotentiale der Transistoren Ti und 7s so absinken, daß diese sperren. Dadurch wird die Energie der Stromquelle (J Ober die Zündpille P geführt und diese initiiert Nach der durch die

ίο Zeitkonstante des Differenziergliedes bestimmten Zeit spanne wird der Ruhezustand der Schaltung wieder hergestellt, so daß auch dann, wenn die Zündpille unvollständig abgebrannt ist und einen Kurzschluß herbeigeführt hat, die Stromquelle nicht weiter belastet wird.

Die Schaltung von F i g. 3 unterscheidet sich von der in Fig. I dadurch, daß anstelle des PNP-Transistors T₂ ein selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor 7} eingesetzt ist. Während beim Sperrschichttransistor

2n ungefähr 0,7 V zwischen Basis und Emitter genügen, um ihn leitend zu machen, werden beim selbstsperrenden MOS-Feldeffekttransistor Spannungen von z. B. 6 V zwischen Gate und Source benötigt. Dadurch erhöht sich die Störsicherheit der Schaltung.

Die in F i g. 1 bis 3 verwendete Steuerschaltung für den Transistor Γι ist in Fig.4 so modifiziert und dimensioniert, daß die Schaltung von zwei Eingangssignalen an Eingängen E₁ und E₂ angesteuert werden kann.Lrie Steuerschaltung weist wiederum ein Differen-

jo zierglied aus einem Kondensator Ci, und einem Widerstand Ra- auf. Der Kondensator ist mit dem Abgriff eines Spannungsteilers aus zwei Widerständen Rt und Ri verbunden, wobei der eine Widerstand Rg an Masse liegt und der andere Widerstand mit der

is Eingangsklemme des Eingangs E₂ verbunden ist Die Schaltung kann wahlweise durch ein Logiksignal am Eingang E₂ oder durch einen Schließkontakt zwischen dem Pluspol der Stromquelle und E₂ angesteuert werden, oder aber durch einen öffner zwischen Ei und dem Minuspol der Stromquelle, wenn der Pluspol mit £2 verbunden ist.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß z. B. als Spannungsquelle ein Piezogenerator verwendet werden kann, der die Schaltung mit der notwendigen Energie versorgt und gleichzeitig das für die Ansteuerung der Schaltung benötigte Eingangssignal liefert Hierbei wird die Zündpille mit einer zeitlichen Verzögerung, die durch das Zeitdifferenzierglied am Eingang bestimmt ist, gezündet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Schaltung zum Ansteuern von mederobmigen Lasten über einen mit einer Stromquelle verbundenen Leistungsschalter, insbesondere zum Ansteuern niederohmiger Zündpillen in Zündschaltungen, dadurch gekennzeichnet, daß die niederohmige Last (P) mit einem Anschluß an Masse im Leistungspfad des Leistungsschalters, insbesondere eines Leistungstransistors (T\) liegt, dessen Ansteuerbasis über einen Basiswiderstand (Ry) an Masse und Ober einen im Ruhezustand, d. h. bei nicht angesteuerter Last, gesperrten Steuertransistor (Ti) am Pluspol der Stromquelle (U) liegt, und daß die Steuerelektrode des Steuertransistors mit einer Transistor-Inverterstufe (Ti, Q, A₄) verbunden ist, mit der eingangsseitig ein Differenzierglied (Q, Ra) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet; daß der Leistungsschalter (T<) und der Transistor (Tj) der Inverterschaltung jeweils ein NPN-Transistor und der Steuertransistor (Tt) für den Leistungstransistor ein PNP-Transistor ist

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuertransistor für den Leistungsschalter fl\) ein selbstsperrender MOS-Feldeffekttransistor (T₂ ¹) ist

4. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Last (P) durch eine im Ruhezustand der Schaltung leitende Transistorschaltung (T₄, 7s) überbrückt ist, die bei durchgesäuertem Transistor (T₃) der Inverterschaltung sper.t