-
-
Verfahren und Vorrichtung zum Schutz eines insbesondere mit einem
Halbleiterelement aufgebauten, durch ein Einschaltsignal einschaltbaren Schaltglieds
gegen Überlastung bei Kurzschluss Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz
eines insbesondere mit einem Halbleiterelement aufgebauten, durch ein Einschaltsignal
einschaltbaren Schaltglieds gegen Überlastung bei Kurzschluss eines an ihm angeschlossenen
Verbrauchers, unter Verwendung eines in Reihe zu dem Verbraucher anrgeordneten Schutzwiderstands,
an dem bei Kurzschluss ein das Schaltglied schützender Spannungsabfall entsteht
Die Erfindung betrifft ausserdem eine Schaltungsanordnung zur Ausübung dieses Verfahrens
mit einem Schaltglied mit einem durch eine Einschaltsignalquelle gespeisten Steuersignalkreis
und einem an das Schaltglied in Reihe zu einem Verbraucher angeschlossenen Schutzwiderstand.
-
Es ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zum Schutz
eines Halbleiterelements bekannt, das als Schaltglied mit einem Verbraucher dient,
im Kurzschlussfall des Verbrauchers an einem in Serie zu dem Verbraucher und dem
Halbleiterelement geschalteten
Widerstand einen Spannungsabfall
entstehen zu lassen, der den Strom durch das Halbleiterelement begrenzt, so dass
eine Überlastung des Halbleiterelements vermieden wird. Dieses Verfahren hat jedoch
den Nachteil, dass in dem in Reihe zu dem Halbleiterelement geschalteten Schutzwiderstand
eine verhältnismässig grosse elektrische Leistung während der Dauer des Kurzschlusses
in Wärme umgesetzt wird. Die Leistung ist deswegen verhältnismässig gross, da der
Widerstandswert des Schutzwiderstands eine bestimmte Grösse nicht unterschreiten
darf, wenn im Kurzschlussfall die Dauerverlustleistung des Halbleiters nicht überschritten
werden soll. Abgesehen davon wird man den Widerstandswert des Schutzwiderstands
auch deswegen möglichst klein wählen, damit der Verbraucher bei durchgeschaltetem
Halbleiterelement möglichst mit der vollen Betriebsspannung beaufschlagt wird.
-
Obwohl nach dem voranstehend genannten Verfahren und einer entsprechenden
Schaltungsanordnung mit einem Schaltglied mit einem durch eine Einschaltsignalquelle
gespeisten Steuereingangskreis und einem an das Schaltglied in Reihe zu einem Verbraucherrangeschlossenen
Schutzwiderstand ein sicherer Schutz des Halbleiterelements im Kurzschlussfall des
Verbrauchers erreicht werden kann, setzen dieses Verfahren und diese Schaltungsanordnung
einen verhältnismässig hoch belastbaren Schutzwiderstand voraus.
-
Beispielsweise werden bei einer Betriebsspannung von 15 Volt und einem
Widerstandswert des Schutzwiderstands von 15 Ohm bis zu 15 Watt umgesetzt. Dadurch
wird ein grosser und teurer Schutzwiderstand erforderlich. Ausserdem wird durch
die in dem Widerstand umgesetzte Leistung verhältnismässig viel Wärme erzeugt, so
dass in der Schaltungsanordnung, in der der Schutzwiderstand vorgesehen ist, thermische
Probleme entstehen können, die wiederum nur durch verhältnismässig aufwendige Lüftungsmassnahmen
beseitigt werden können.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter Vermeidung
der Nachteile des bekannten Verfahrens zum Schutz eines Schalt glieds im Kurzschlussfall
des Verbrauchers entsprechend der eingangs genannten Gattung dieses Verfahren so
auszugestalten, dass ein möglichst kleiner und wenig aufwendiger Schutzwiderstand
zum sicheren Schutz des Halbleiterelements genügt und dass im Kurzschlussfall nur
wenig Wärme erzeugt wird.
-
Desgleichen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Ausübung dieses Verfahrens zu schaffen, die ebenfalls nicht die Nachteile der
bekannten Schaltungsanordnung zum Schutz eines mit einem Halbleiterelement aufgebauten
Schaltglieds aufweist und mit einem Schutzwiderstand verhältnismässig geringer Leistung
auskommt.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss für ein Verfahren der eingangs
genannten Gattung dadurch gelöst, dass durch UND-Verknüpfung eines aud dem Spannungsabfall
an dem Schutzwiderstand abgeleiteten Signals und eines verzögerten Einschaltsignals
ein Ausschaltsignal gebildet wird und dass das Ausschaltsignal und das Einschaltsignal
zur Steuerung des Schaltglieds derart verknüpft werden, dass das Schaltglied bei
Auftreten des Ausschaltsignals ausschaltet.
-
Nach diesem Verfahren wird das Schaltglied nicht wie üblich während
des Kurzschlussfalls in leitendem Zustand gehalten, so dass der Schutzwiderstand
die maximale Leistung umsetzen muss, sondern das Schaltglied wird im wesentlichen
nach Ablauf der Verzögerungszeit,unter der das Einschaltsignal mit dem Spannungsabfall
an dem Schutzwiderstand verknüpft wird, abgeschaltet, wenn der Kurzschlussfall vorliegt.
Somit wird der Schutzwiderstand
nur zu Beginn des Kurzschlusses,
nicht aber während der Dauer des Kurzschlusses, durch den Kurzschlussstrom belastet.
Es genügt deswegen ein Schutzwiderstand geringer Leistung. Ausserdem wird auch im
Kurzschlussfall nur eine verhältnismässig geringe Wärmemenge erzeugt, so dass aufwendige
Massnahmen zur Ableitung der Wärme entfallen.
-
Eine Schaltungsanordnung zur Ausübung des Verfahrens zeichnet sich
dadurch aus, dass ein erster Eingang eines UND-Glieds mit dem Schutzwiderstand verbunden
ist, dass ein zweiter Eingang des UND-Glieds über ein Verzögerungsglied mit der
Steuerspannungsquelle verbunden ist und dass der Ausgang des UND-Glieds an dem derart
aufgebauten Steuereingangskreis angeschlossen ist, dass der Verbraucher im Kurzschlussfall
und bei vorliegendem Einschaltsignal durch das von dem Ausgang des UND-Glieds abgegebenen
Ausschaltsignal abschaltbar ist.
-
Erfindungsgemäss wird also zur Abschaltung des Schaltglieds im Kurzschlussfall
ein UND-Glied vorgesehen, das mit einem ebenfalls vorgesehenen Verzögerungsglied
an die Steuerspannungsquelle angeschlossen ist.
-
Der Ausgang des UND-Glieds ist so an den Steuereingangskreis des Schaltglieds
angeschlossen, dass ein an dem Ausgang des UND-Glieds im Kurzschlussfall auftretendes
Ausschaltsignal das Schaltglied auch dann öffnet, wenn nach wie vor ein Einschaltsignal
vorliegt.
-
Damit wird die voranstehend genannte Entlastung des Schutzwiderstands,
der zu dem Verbraucher geschaltet ist, erreicht, da dieser Schutzwiderstand nur
einen Spannungsimpuls zu Beginn des Kurzschlusses aufnehmen muss.
-
Eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus,
dass der Steuereingangskreis als exklusives ODER-Glied ausgebildet ist, dass der
erste Eingang mit dem Ausgang des UND-Glieds in Verbindung steht und ein zweiter
Eingang des exklusiven ODER-Glieds mit der Einschaltsignalquelle verbunden ist.
-
Mit dieser Schaltungsanordnung wird unter Verwendung verhältnismässig
wenig aufwendiger Mittel erreicht, dass das Schaltglied im Kurzschlussfall sicher
den Verbraucher ausschaltet, obwohl ein Einschaltsignal in den Steuereingangskreis
des Schaltglieds eingespeist wird. Durch das exklusive ODER-Glied wird der Verbraucher
nur dann eingeschaltet, wenn ein Einschaltsignal, jedoch kein Ausschaltsignal vorliegt.
Tritt jedoch an dem Verbraucher ein Kurzschluss auf, so entsteht nach Ablauf einer
Verzögerungszeit, mit der das Einschaltsignal, das in das UND-Glied eingespeist
wird, verzögert wird, an diesem UND-Glied ein Ausschaltsignal, das den kurzgeschlossenen
Verbraucher ausschaltet. Der Schutzwiderstand in Reihe zu dem Verbraucher wird dadurch
nicht länger beansprucht.
-
Eine spezielle Ausbildung, die sich durch einen geringen Aufwand auszeichnet,
des Eingangsschaltkreises des als Schaltglied verwendeten ersten Transistors zeichnet
sich dadurch aus, dass das Schaltglied durch einen ersten Transistor.gebildet ist,
in dessen Emitter-Kollektorkreis der Verbraucher und der Schutzwiderstand angeordnet
sind und dessen Basis mit der Einschaltsignalquelle in Verbindung steht, und dass
ausserdem an die Basis ein zweiter Transistor mit seinem Emitter-Kollektorkreis
angeschlossen ist, dessen Basis mit dem Ausgang des ersten UND-Glieds in Verbindung
steht.
-
Diese Schaltungsanordnung des Eingangsschaltkreises bewirkt in unkomplizierter
Weise, dass der als Schaltglied vorgesehene Transistor nur dann mit einer den Transistor
öffnenden Spannung beaufschlagt wird, wenn ein Einschaltsignal vorliegt, jedoch
die Basis des ersten Transistors nicht durch den Kollektor-Emitter-Kreis des zweiten
Transistors kurzgeschlossen ist, so dass die durch die Einschaltsignalquelle erzeugte
Spannung einen direkt durch den zweiten Transistor abfliessenden Strom erzeugt.
-
Weiter ist die Schaltungsanordnung dadurch besonders wenig aufwendig
aufgebaut, dass zur Verzögerung der Einschaltsignalspannung eine Widerstands-Kondensator-Kombination
zwischen der Einschaltsignalquelle und dem UND-Glied angeordnet ist.
-
Mit dieser Widerstands-Kondensator-Kombination wird der verzögerte
Verlauf des Einschaltsignals an dem UND-Glied mit besonders geringem Aufwand erreicht.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren
erläutert. Es zeigt: Fig. 1 die Schaltungsanordnung zum Schutz eines mit einem Transistor
aufgebauten Schaltglieds gegen Überlastung bei Kurzschluss einer Lampe in einer
schematischen Darstellung und Fig. 2 ein detaillierteres Schaltbild der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1.
-
In beiden Figuren sind gleiche Teile mit übereinstimmenden Bezugszeichen
bezeichnet.
-
In Fig. 1 ist mit 1 eine Klemme bezeichnet, an die eine Einschaltsignalquelle
anschliessbar ist. Die Klemme 1 steht über eine Widerstands-Kondensator-Kombination
2, 3, die als Verzögerungsglied geschaltet ist, mit einem Eingang eines UND-Glieds
4 in Verbindung. Ein zweiter Eingang des UNDGlieds 4 ist an einem gemeinsamen Verbindungspunkt
5 zwischen einer als Verbraucher wirkenden Lampe 6 und einem Schutzwiderstand 7
angeschlossen. Der Verbraucherkreis, der aus der Lampe 6 und dem Schutzwiderstand
7 gebildet wird, steht über eine Klemme 8 mit einer Betriebsspannungsquelle in Verbindung.
Der Verbraucherkreis kann durch einen Verstärker 9, der als Halbleiterelement ausgebildet
ist und mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist, eingeschaltet werden. Der
Steuersignalkreis des Verstärkers 9 wird durch ein exklusives ODER-Glied 10 gebildet,
dessen einer Eingang mit dem Ausgang des ersten UND-Glieds 4 in Verbindung steht.
Ein zweiter Eingang des exklusiven ODER-Glieds ist an die Klemme 1 für die Einschaltsignalquelle
angeschlossen.
-
Die detailliertere Darstellung in Fig. 2 zeigt vor allem Einzelheiten
des Steuereingangskreises des Schaltglieds. Das Schaltglied wird durch einen ersten
Transistor 12 gebildet. In dem Kollektor-Emitter-Kreis dieses Transistors sind in
Reihe der Schutzwiderstand 7 und der Verbraucher 6 geschaltet. Die Basis des Transistors
12 steht über einen Vorwiderstand 13 mit der Klemme 1 in Verbindung. Der Vorwiderstand
13 bildet zusammen mit dem Widerstand 14 einen Spannungsteiler. Die Basis des Transistors
12 ist ferner in den Kollektor-Emitter-Kreis eines zweiten Transistors-15 eingeschaltet,
der über einen mit den Widerständen 16 und 17 gebildeten Spannungsteiler an einen
Ausgang des UND-Glieds 4 angeschlossen ist.
-
Der Spannungsteiler 13, 14, der zweite. Transistor 15 und der Spannungsteiler
16, 17 bilden den Steuereingangskreis des Transistors 12.
-
Zur Dimensionierung der Bauelemente wird bemerkt, däss die Belastbarkeit
des Schutzwiderstands 7 gleich der Dauerverlustleistung im Normalbetrieb, d.h. ohne
Kurzschluss, bemessen wird. Die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds, das aus der
Widerstands-Kondensator-Kombination 2, 3 gebildet wird, ist entsprechend der Verzugszeit
bemessen, nach der der Eollektor-Emitter-Rreis des Transistors 12 nach Auftreten
eines Einschaltsignals leitet. Wenn die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds
so kurz bemessen wird, dass die zulässige Impulsbelastbarkeit des Transistors 12
nicht erreicht bzw. überschritten wird, kann der Widerstandswert des Schutzwiderstands
7 kleiner bemessen werden als er zum Schutz des Transistors bei Dauerkurzschluss
sein müsste.
-
Wenn in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 an der Komme 1 kein Einschaltsignal
auftritt, d.h. wenn ein Low-Signal vorliegt, bleibt das Halbleiterelement, das den
Verstärker 9 bildet, gesperrt.
-
Tritt jedoch an der Klemme 1 ein Einschaltsignal, nämlich ein High-Signal
auf, so gelangt dieses unmittelbar zu dem einen Eingang des exklusiven ODER-Glieds
10 jedoch verzögert zu dem einen Eingang des UND-Glieds 4, welches demzufolge noch
ein Low-Signal abgibt. Das Einschaltsignal gelangt demzufolge zu dem Halbleiterelement,
das den Verstärker 9 bildet, so dass die Lampe 6 in dem Lastkreis zunächst eingeschaltet
wird.
-
Wenn diese Lampe nicht kurzgeschlossen ist, wird von dem gemeinsamen
Verbindungspunkt 5 ein Low-Signal zu dem UND-Glied 4 abgegeben, das demzufolge auch
dann ein Low-Signal an seinen Ausgang liefert, wenn das Einschaltsignal,das verzögert
zu dem UND-Glied gelangt an diesem das Niveau eines High-Signals erreicht. Das Halt
leiterelement, das den Verstärker 9 bildet, bleibt also durch das Einschaltsignal
von der Klemme 1 her ständig eingeschaltet.
-
Ist jedoch die Lampe kurzgeschlossen, so tritt an dem gemeinsamen
Verbindungspunkt 5 ein High-Signal auf, das durch die Betriebsspannung an der Klemme
9 gebildet wird. Dieses High-Signal bewirkt in Verbindung mit dem Einschaltsignal
nach Ablauf einer zeitlichen Verzögerung, die das High-Signal durch die Widerstands-Kondensator-Kombination
durchläuft, dass das UND-Glied 4 ein High-Signal abgibt. Dieses High-Signal von
dem UND-Glied 4 bewirkt an dem exklusiven ODER-Glied 10, dass das Halbleiterelement,
das den Verstärker 9 bildet, auch bei vorliegendem Einschaltsignal an der Klemme
1 gesperrt wird. Dadurch wird der Stromfluss über den Schutzwiderstand 7 und die
kurzgeschlossene Lampe unterbrochen, das High-Signal bleibt dabei an dem gemeinsamen
Verbindungspunkt 5 bestehen.
-
In Verbindung mit der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 werden Einzelheiten
besprochen, die sich aufgrund des Aufbaus des Steuereingangskreises ergeben. Die
grundsätzliche Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist die gleiche
wie diejenige nach Fig. 1. Es kann daher insofern auf die voranstehenden Erläuterungen
zurückgegriffen werden.
-
Wenn an der Klemme 1 ein Einschaltsignal auftritt, fließt ein Strom
in die Basis des Transistors 12, der dadurch in seinem Emitter-Kollektor-Kreis leitend
wird, unter der Voraussetzung, dass die Basis nicht durch den Transistor 15 kurzgeschlossen
wird. Ein solcher Kurzschluss der Basis des Transistors 12 tritt in jedem Fall im
ersten Augenblick nach Auftreten eines Einschaltsignals an der Klemme 1 nicht auf,
da infolge der Verzögerung durch die Widerstands-Kondensator-Kombination 2, 3 das
Einschaltsignal nur allmählich in den betreffenden Eingang des UND-Glieds 4 gelangt,
so dass dessen Ausgang zu-
nächst ein Low-Signal abgibt, das den
Transistor 15 gesperrt hält. Bei intaktem Lastkreis mit der Lampe 6 gibt das UND-Glied
4 ständig nur ein Low-Signal ab, da in dem mit dem Verbindungspunkt 5 verbundenen
Eingang des UND-Glieds 4 nach dem Durchschalten des Transistors 12 nur ein Low-Signal
auftritt und da dieses Low-Signal schneller erscheint als das verzögerte Einschaltsignal
an dem anderen Eingang des UND-Glieds die Abgabe eines High-Signals an dem Ausgang
des UND-Glieds veranlassen könnte.
-
Bleibt jedoch an dem gemeinsamen Verbindungspunkt 5 auch im weiteren
Verlauf nach Auftreten eines Einschaltsignals an der Klemme 1 ein High-Signal bestehen,
so gibt das UND-Glied 4, nachdem das Einschaltsignal an seinem Eingang angestiegen
ist, ein High-Signal an seinem Ausgang ab, das über den Widerstand 16 den Transistor
15 in leitenden Zustand bringt, so dass der Basiskreis des Transistors 12 kurzgeschlossen
wird, Dadurch fliesst das High-Signal von der Klemme 1 nicht über die Basis des
Transistors 12, sondern über den Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors 15,und
der Transistor 12 sperrt, wodurch der Lastkreis mit der kurzgeschlossenen Lampe
und dem Schutzwiderstand 7 abgeschaltet wird. Es wird dann keine elektrische Leistung
in Wärme an dem Schutzwiderstand 7 umgesetzt.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren und die Schaltungsanordnung eignen
sich besonders zum Schutz der Ausgangs stufen einer Kontrolleinrichtung, die als
Zentralinformator zur Funktionsüberwachung insbesondere in Kraftfahrzeugen verwendet
wird.