DE2805018C3

DE2805018C3 - Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Gerätes gegen Überlastung

Info

Publication number: DE2805018C3
Application number: DE19782805018
Authority: DE
Inventors: Walter 4770 Soest Knittel
Original assignee: Westfaelische Metall Industrie KG Hueck and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1978-02-06
Publication date: 1981-10-01
Also published as: DE2805018B2; DE2805018A1; FR2416581A1; GB2014002B; FR2416581B1; GB2014002A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Gerätes gegen Überlastung mit einem unter Wärmebelastung seinen Widerstand verändernden Halbleiter-Bauelement, das in engem thermischem Kontakt zu einem anderen Bauelement, dessen Erwärmung für die des elektrischen Gerätes kennzeichnend ist, angeordnet ist und dessen Widerstandsänderung zu einer Abschaltung des Gerätes führt.

Aus der DE-AS 15 13 057 ist ein derartiges Gerät bekanntgeworden. Dort ist zwischen dem zu schützenden Gerät und der Betriebsspannungsquelle eine elektronische Sicherung eingeschaltet, die beim Auitreten eines Überstroms in dem Gerät die Betriebsspan^ nung ohne Potentialtrennung selbsttätig abschaltet. Diese elektronische Sicherung enthält einen Steuertransistor mit einem ausgeprägten Schwellwert in der Basis^Emitterkennlinie sowie einen Stelltransistor, der mit einem Kaltleiter gut wärmeleitend verbunden ist. Eine derartige elektronische Sicherung v/eist einen verhältnismäßig aufwendigen Aufbau auf und hat weiter den Nachteil, daß sie nur auf den Überstrom des gesamten zu schützenden Gerätes anspricht und die eigentliche Fehlerursache, z. B. ein einzelnes Bauelement in der Schaltungsanordnung des Gerätes, nicht zu berücksichtigen vermag.

Ferner ist aus der DE-AS 24 58 880 eine Überstromschutzschaltungsanordnung für zwei Transistoren eines Verstärkers bekanntgeworden, bei der Richtleiter zur

ίο Temperaturerfassung verwendet sind, und bei der ein Schutz vor Überströmen durch Strombegrenzung vorgesehen ist Eine (zumindest zeitweilig wirksame) Stromabschaltung ist nicht vorgesehen.

Auch die Verwendung von temperatura'ohängigen Halbleiterelementen, insbesondere solche mit negativen Temperaturkoeffizienten zur Temperaturüberwachung in elektrischen Geräten, ist an sich bekannt, so z. B. aus der DE-AS 11 92 316.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art und hat zum Ziel, derartige Vorrichtungen insbesondere zu vereinfacher, und eine Lösung der Aufgabe zu schaffen, ausgehend von einem besonders gefährdeten Bauelement gezielt dieses Bauelement und damit das gesamte Gerät zu schützen.

Dementsprechend ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterbauelement ein Richtleiter verwendet ist, daß der Richtleite.- so eingefügt und bemessen ist, daß er bei normaler Beanspruchung des zu schützenden Gerätes einen normalen Sperrstrom führt und daß der Anstieg des Sperrstromes infolge Erwärmung des zu schützenden Gerätes die Abschaltung bewirkt. Vorzugsweise ist als Richtleiter eine Siliziumdiode vorgesehen. Bei der Abschaltung kann es sich sowohl um eine Dauerabschaltung als auch um eine kurzzeitige Abschaltung handeln.

Bei dem zu schützenden Bauelement kann es sich um einen Widerstand, beispielsweise einen Meßwiderstand handeln oder z. B. um einen Leisti igstransistor, einen

■Ό Thyristor oder dergleichen. Als Richtleiter im Sinne der Erfindung ist praktisch jedes Haibleiter-Bauelement, insbesondere jedes einkristalline Festkörper-Halbleiter-Bauelement geeignet, das einen Sperrstrom zu führen vermag. Vorzugsweise ist eine Siliziumdiode vorgese-

⁴S hen. Es sind abe* auch andere Dioden geeignet, oder

z. B. als Diode geschaltete Transistoren und dergleichen.

In den Zeichnungen sind in F i g. 1 und 2 zwei

Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile hervorgehen.

so Fig. 1 zeigt einen elektronischen Blinkgeber für Kraftfahrzeuge in der Art eines astabilen Multivibrators mit einem Relais, das den Blinklampenstromkreis schaltet. Der Blinkgeber besteht aus den drei Transistoren TX, Tl und Γ3, den Kondensatoren C1 und C2 und den Widerständen R 1. R2, RA, R5, Rl und Λ 8. Das Relais liegt im Kollektorstromkreis des Transistoren Tl. Sein Kontakt a schaltet den Blinklampenstromkreis, der den Fahrtrichtungsschalter Sund die Blinklampen B enthält, die mit Masse, also dem negativen Pol des Bordnetzes verbunden sind.

Bei nach links oder rechts eingeschaltetem Fahrtrichtungsschalter 5 wird also die jeweilige Blinklampengruppe durch den Relaiskontakt a pulsierend mit dem positiven Pol des Bordnetzes verbunden« In der

Verbindungsleitung vom Pluspol zu den Blinklampen liegt zwischen Pluspol und dem Relaiskontakt a ein Meßwiderstand R 6, dessen Spannungsabfall in bekann* ter Weise zur Kontrolle der Blinklampenfunktion

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benutzt werden kann. Bei Belastung mit zwei Blinklampen zeigt der Spannungsabfall eine bestimmte Größe, die ein normales Arbeiten des Blinkgebers bewirkt, während bei vermindertem Strom, beispielsweise bei Belastung mit nur einer Blinklampe, der entsprechend ^r. verminderte Spannungsabfall dafür sorgt, daß der Blinkgeber beispielsweise mit etwa doppelt so hoher Frequenz schwingt und damit dem Kraftfahrzeugführer anzeigt, daß eire Blinklampe ausgefallen ist.

Ein derartiger Meßwiderstand muß so bemessen sein, daß er die Blinklampenfunktion nicht behindert Sein Spannungsabfall muß also sehr gering sein, das heißt, er muß sehr niederohmig ausgelegt sein. Ferner ist er häufig so ausgelegt, daß er in der Wärmebelastung den pulsierenden Strom der Blinklampen verträgt bei is Dauerbelastung mit dem Blinklanipenstrom oder einem höheren Strom zerstört werden würde. Insbesondere auch ein Kurzschluß im Blinklampenstromkreis kann zur Zerstörung des Meßwiderstandes /?6 führen, und dies selbst dann, wenn durch das Ansprechen von Schmelzsicherungen andere Teile der übrigen Schaltungsanordnung unbeeinträchtigt bleiben wün'en.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist eine Diode Gr2 so angeordnet, daß sie in Sperrichtung belastet ist Sie liegt mit ihrer Kathode am Pluspol. Der normal fließende Sperrstrom beeinflußt die Blinkgeberanordnung nicht

Die Diode Gr2, bei der es sich um eine Siliziumdiode handeln kann, befindet sich in engem thermischem Kontakt mit dem Widerstand Λ 6, was durch die gemeinsame Umrahmung gekennzeichnet werden soll, jo Der für gewöhnlich sehr niederohmig ausgeführte Meßwiderstand kann z. B. in der Form eines Bandwiderstandes ausgebildet sein, der gewellt ist In einer der Wellen des Blechbandes kann dann die Diode angebracht sein, z. B. mit Hilfe eines wärmeleitenden « Kittes eingekittet sein. Die Diode kann selbstverständlich auch in jeder anderen geeigneten Weise gut wärmeleitend mit dem Meßwiderstand /?6 verbunden sein.

Wie aus "~ i g. 1 hervorgeht, ist die Diode Gr 2 in der Schaltungsanordnung so angeordnet daß bei einem merklichen Anstieg des Sperrstromes unter dem Einfluß der Erwärmung des Meßwiderstandes /?6 die Basis des Transistors Tl mit dem Pulspol verbunden wird, weil der Anstieg des Sperrstromes wie ein Kurzschluß wirkt. Der Widerstand Rl wird vollständig überbrückt Man kann die Schaltungsanordnung leicht so auslegen, daß zwischen Raumtemperatur und einer vorgewählten Temperaturgrenze von etwa 100° C der Sperrstrom keine Wirkung auf du' Schaltung ausübt, während infolge der exponentiellen Abhängigkeit des Sperrstromes von drr Temperatur bsi einer erhöhten Temperatur von etwa 150°C ein um den Faktor 10* gegenüber Raumtemperatur erhöhter Sperrstrom auftritt der die gewünschte Wirkung hat.

Die Verbindung der Basis des Transistors T\ durch den erhöhten Sperrstrom mit dem positiven Pol des Kraftfahrzeugbordnetzes hat zur Folge, daß der Multivibrator in der Dunkelphase stehenbleibt, daß also das Relais nicht mehr anzieht und der Kontakt a nicht mehr geschlossen wird. Bevor der Meßwiderständ RS infolge Stromanstieg zerstört werden kann, wird also infolge der ansteigenden Temperatur des Meßwider-Standes und der mit ihm im Wärmekontakt befindlichen Diode Gr 2 die elektrische und damit die Wärmebelajtung des Widerstandes R 6 beseitigt.

Da die zerstörenden Wirkungen für das zu schützende Bauelement im allgemeinen nur von der Wärmewir kung des elektrischen Stromes ausgehen, genügt häufig eine zeitliche Abschaltung der Schaltungsanordnung. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Schutzvorrichtung mit Hilfe eines in Sperrichtung gepolten Richtleiters, der in wärmeleitendem Kontakt mit dem zu schützenden Bauelement ist, tritt die zeitweise Abschaltung nahezu selbsttätig ein, da bei einer Abkühlung des zu schützenden Bauelements auch der Richtleiter abkühlt womit sein Sperrstrom sinkt und die abschaltende Wirkung nicht mehr aufrechterhalten kann. Dies ist besonders wichtig bei nur kurzzeitig auftretenden Kurzschlüssen, also z.B. einem Kurzschluß in der Glühlampenfassung bei zufälliger Berührung durch den Glühlampensockel beim Einsetzen einer Glühlampe, da in diesem Fall nach der selbsttätigen Wiedereinschaltung das Gerät vollkommen in Ordnung ist und eine dauernde Abschaltung deshalb vollkommen unerwünscht ist

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, das heißt einem elektronischen Blinkgeber, beeilt die Möglichkeit, die Siliziumdiode Gr 2 und die anderen Teile der Schaltung so zu dimensionieren, daß Kein dauerndes Stehenbleiben des Blinkgebers in der Dunkelphase bewirkt wird, sondern lediglich eine starke Ve.'ängerung der Dunkelphase, also der Blinkpause. Für gewöhnlich wird das Verhältnis von Hellphase zu Dunkelphase etwa 1 :1 gewählt wodurch bei der üblichen Blinkfrequenz eine für das Auge deutlich unterscheidbare Blinkt'olge erkennbar wird. Durch die abschaltende Wirkung des Richtleiters im Falle einer Erwärmung über das vorgesehene Maß hinaus wurde bei durchgeführten Versuchen bewirkt, daß die Dunkelphase nicht etwa 50% einer Blinkphase, sondern mehr als 90% einer Blinkphase einnahm, während die Hellzeit erheblich verkürzt wurde. Hierdurch wird eine derartige Abkühlung des Meßwiderstandes erreicht, daß dieser unzerstört bleibt obgleich er dennoch kurzzeitig mit dem Kurzschlußstrom beaufschlagt wird. Nach mehreren Blinkfolgen ist ein gewisses Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugung und der Wärmeabführung hergestellt, die zu einem stabilen Verhältnis zwischen Dunkelphase und Hellphase trotz jeweiliger Abschaltung durch den Richtleiter Gr2 führt, solange die Störung bestehenbleibt.

F i g. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem mit besonderem Vorteil von den Vorzügen der Erfindung Gebrauch gemacht werden kann. Es handelt sich ebenfalls um einen elektronischen Blinkgeber, der im wesentlichen aus einem astabilen Multivibrator MVbesteht der ein Relais A steuert, das zwei Schaltkontak:e al und a2 besitzt. Auch hier dienen ein Fahrtrichtungsschalter S und Blinklampen BL zur Vervollständigung des Blinksystems. Ein Mebwitierstand RM ist in den Blinklampenstromkreis gelegt. Der Spannungsabfall an diesem Meßwidersiand RM kann in bekannter Weise zum Eingriff in den Multivibrator MV dienen, z. B. damit durch schnelleres Blinken der Ausfall einer Blinklampe angezeigt wird.

Wie in der deu'schen Patentschrift 22 46 490 dargestellt sind die zwei Kontakte a 1 und a 2 des Relais A so aufgebaut, daß der Reläisköntäkt a 2 kurzzeitig nach dem Relaiskontakt a 1 schließt, wenn das Realis A anzieht. Dies hat zur Folge, daß der Meßwiderstand RM jeweils nur kurzzeitig mit dem Blinklampenstrom belastet wird, und daß umgekehrt der Blinklampenstromkreis nur kurzzeitig mit dem Meßwiderstand belastet ist Dies führt dazu, daß der Meßwiderstand RM höher dimensioniert werden kann, da bei seiner

Dimensioniefurig nicht auf den Blinklämperisifömkfeis Rücksicht genommen werden muß.

Da dieser besonders kurzzeitig belastete Meßwiderstand RM entsprechend dimensioniert ist, also nur sehr kurzzeitig die an ihm auftretende Belastung vertragen kann, ist er besonders durch Überlastung gefährdet Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 wird deshalb in engem thermischem Kontakt mit dem Meßwiderstand RM eine in Sperrichtung gepolte Diode D, zweckmäßig eine Siliziumdiode, angebracht, die in den Multivibratorstromkreis MV eingreifen kann. Zwecks deutlicherer Darstellung ist ein Widerstand R2 des Multivibratorstromkreises gesondert herausge-(zeichnet. Ein Kondensator C dient zur Glättung der Spannung des Kraftfahrzeugbordnetzes.

Beim Arbeiten des Blinkgebers zieht das Relais A abwechselnd an und fällt ab, wobei jeweils beim Anziehen der Relaiskontakt a 1 eher schließt als der Relaiskontakt al. Kurzzeitig liegt also der Meßwider-Stand RM im Blinklampenstromkreis und wird dann durch den Kontakt al überbrückt Der Blinklampenstrom wird also nur kurzzeitig geschwächt, bei jedem Blinktakt tritt aber dennoch ein der jeweiligen Lampenlast entsprechender Spannungsabfall am Meßwiderstand RM auf und zur geeigneten Beeinflussung der Blinkgeberanordnung genutzt werden. Bei einem Kurzschluß im Blinklampenstromkreis hingegen, oder auch in dem Falle, daß der Relaiskontakt al nicht schließt, der Meßwiderstand also den vollen Blinklampenstrom während der gesamten Hellzeit des Blinkgebers führen müßte, bewirkt die Erwärmung des Meßwiderstandes RMeine Abschaltung des Multivibrators MVüberden erhöhten Sperrstrom des Richtleiters D.

Die Erfindung ist nicht nur auf elektronische Blinkgeber, wie in den Ausführungsbeispielen dargestellt, beschränkt. Sie kann auch z. B. bei Steuerungen für Kraftfahrzeug-Zusatzheizungen angewendet werden oder bei Steuerungen für Streuscheibenwaschanlagen für Kraftfahrzeuge. In beiden Fällen liegen mit den darin enthaljenen oder dadurch gesteuerten Elektromotoren empfindliche Geräte vor, die z. B. bei ihrem Festbremsen durch erhöhte Stromaufnahme zerstört werden. Auch hier können Meßwiderstände in der

Is Stromzuführung angeordnet Und mit in Sperrichtung betriebenen Richtleitern in Wärmekontakt gebracht werden, über die dann ein entsprechender Eingriff in die Steuerung vorgenommen werden kann, die eine Abschaltung der gesamten Schaltungsanordnung be-

M wirkt. Die Abschaltung kann vollständig sein, so daß eine Neueinschaltung nur von Hand erfolgen kann, oder es kann auch eine kurzzeitige Abschaltung vorgesehen sein. Insbesondere bei nur für Kurzzeitbetrieb vorgesehenen Motoren, wie in einer Streuscheibenwascheinrichtung, kann bereits eine Dauerbelastung infolge einer Fehlschaltung zu Dauerschäden führen. Hier genügt dann häufig eine kürzzeitige Abschaltung zur Vermeidung vor»Zerstörungen. Selbstverständlich können auch gesonderte Triggerschaltühgen zur dauernden Abschaltung vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

nc λι ο κ)3 υ ι ο Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Gerätes gegen Überlastung mit einem unter Wärmebelastung seinen Widerstand verändernden Halbleiterbauelement, das in engem thermischem Kontakt zu einem anderen Bauelement, dessen Erwärmung für die des elektrischen Gerätes kennzeichnend ist, angeordnet ist und dessen Widerstandsänderung zu einer Abschaltung des Gerätes führt, dadurch gekennzeichnet,
daß als Halbleiterbauelement ein Richtleiter (Gr2 bzw. D) verwendet ist,

daß der Richtleiter (Gr2 bzw. D) so eingefügt und bemessen ist, daß er bei normaler Beanspruchung des zu schützenden Gerätes einen normalen Sperrstrom führt, und

daß der Anstieg des Sperrstroms infolge Erwärmung des zu Ac'jützenden Gerätes die Abschaltung bewirkt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Richtleiter eine Siliziumdiode vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, verwendet bei einem elektronischen Blinkgeber für Kraftfahrzeuge, bei dem ein Meßwiderstand (R 6) im Blinklampenstromkreis vorgesehen ist, dessen Spannungsabfall zur Frequenzumschaltung des Blinkgebers dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtleiter (Gr2) in thermisc' im Kontakt mit dem Meßwiderstand (R 6) angebracht und so geschaltet ist, daß er den Blinkgeber in der Dunkelphase festhält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstai.d (R 6 bzw. RM) als Bandwiderstand ausgebildet ist, und daß der Richtleiter (Gr 2 bzw. D) in einer Falte des Bandwiderstandes angebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtleiter auf den Meßwiderstand aufgekittet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtleiter so in die Schaltung des Blinkgebers eingefügt ist, daß die Dunkelphase verlängert und die Hellphase verkürzt ist.