DE3015831A1 - Schaltung fuer einen elektronischen schalter fuer hohe laststroeme, insbesondere fuer den lampenkreis von kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

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• DIpI.-ng. E. Edef Dipl.-Ing. K. Schiaschke

BMQnchan 40, Ellsaöelh3lra3«34

WERNER MESSMER GMBH & CO. KG 7760 Radolfzell

Schaltung für einen elektronischen Schalter für hohe Lastströtne, insbesondere für den Lampenkreis von Kraftfahrzeugen

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen elektronischen Schalter für hohe Lastströme, insbesondere für den Lampenkreis von Kraftfahrzeugen, mit einem mit der zu schaltenden Last in Reihe liegenden Schalttransistor, der durch eine Treiberstufe nach Betätigung eines Ein/Aus-Schalters in den Sperr- bzw. Durchlaßzustand gesteuert wird.

Neuerdings werden derartige bekannte Schaltungen, z.B. für Motor- und Hubmagnetsteuerungen ' in Kraftfahrzeugen und Industrie, in Form eines IC in der "bilitischen Schaltung" hergestellt und vertrieben. Dabei finden für Anwendungen über 10 A hinaus bis zu 30 A Elemente mit integrierter "Darlington"-Stufe Verwendung. Zur Ansteuerung der Darlington-Stufe ist eine Treiberstufe vorhanden. Zusätzlich sind Elemente zum Schutz der ICs gegen zu hohe Spitzenströme iind Kurzschlußbelastungen vorgesehen. Nachteilig ist hierbiii der verhältnismäßig komplizierte Aufbau derartiger Schaltungen, wodurch die ICs verhältnismäßig teuer werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte.Schal-

i tung dahingehend zu verbessern, daß sie einfacher und billiger

herstellbar wird. ;

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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Erfindung bringt eine Schaltung, die verhältnismäßig einfach aufgebaut werden kann, dem robusten Kraftfahrzeugbetrieb standhält und auch gegen hohe Spitzenströme und Kurzschlußbelastungen geschützt ist=

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Teilschaltbild einer geänderten Ausführungsform;

Die Schaltung nach Fig. 1 gibt einen Schalter für hohe Lastströme wieder, wie er z.B. zur Schaltung der Lampen bei Kraftfahrzeugen notwendig ist. Als ökonomisches Schaltelement wird ein Darlington-Transistor T_? verwendet. Durch Wahl einer 15 A-Ausführung kann man niedere Sattigungsspannungen (Verlustleistung) im Nennstrombereich und ausreichende Impulsfestigkeit gegenüber den auftretenden Kaltstromspitzen realisieren.

Der Darlington-Transistor T vom pnp-Typ ist in Reihe mit der Last L, z.B. einer oder mehreren Glühlampen eines Kraftfahrzeuges, geschaltet. Diese Glühlampe L ist mit dem Kollektoranschluß des Darlington-Transistors verbunden und andererseits an die negative Speiseleitung-U der Fahrzeugbatterie

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angeschlossen. Andererseits ist der Emitter des Darlington-Transistcrs T₀ über einen Widerstand R₁. mit der positiven Spei-

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seleitung +U, _t der Fahrzeugbatterie verbunden.

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Die Basiselektrode des DArlington-Transistors T_? ist über einen Widerstand R₁. an die positive Speiseleitung +U, . der

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Fahrzeugbatterie angeschlossen. R₁. dient der Ableitung des Kollektor-Basis-Reststromes, sowie der Realisierung kurzer Speicherzeiten. Parallel zum Widerstand R₅ ist eine Zenerdiode D₂ geschaltet.

Die Basiselektrode des Darlington-Transistors T ist ferner über einen Rückkopplungswiderstand R₄ mit dem Kollektor des Treibertransistors T- vom npn-Typ verbunden. Der Emitter dieses Treibertransistors T- ist an die negative Speiseleitung -IL . der Fahrzeugbatterie angeschlossen. Die Basiselektrode dieses Treibertransistors T₁ ist über einen Widerstand R- mit der negativen Speiseleitung -U, ,der Fahrzeugbatterie verbunden und andererseits über eine Zenerdiode D und ein Zeitglied, gebildet von dem Kondensator C. und dem Widerstand R₁, an die positive Speiseleitung +U, . der Fahrzeugbatterie angeschlossen. R₃ dient lediglich der Ableitung des Kollektor-Basis-Reststromes. Dem Kondensator C. kann eine Diode D₃ parallelgeschaltet sein.

Ein weiterer Rückkopplungswiderstand R„ verbindet den Kollektor des Darlington-Transistors T₃ mit der Anschlüßverbindung von Kondensator C₁ und Zenerdiode D,.

Ein mechanischer Ein/Aus-Schalter S ist parallel zu der Reihenschaltung von C. , D₁ und R₃ geschaltet.

Bei normalem Betrieb wird der Treibertransistor. T beim Öffnen des Schalters S über R₁, C , D₁ in den leitenden Zustand gesteuert. Durch die an R₄ dann abfallende positive Spannung wird auch der Darlington-Transistor T_ in den leitenden Zustand gesteuert, so daß an der Last L infolge des durch diese hindurchströmenden Stromes ein Spannungsabfall auftritt. Dieser hält über R« den Treibertransistor T₁ so lange leitend, bis zu einem späteren Zeitpunkt der Schalter S wieder geschlossen wird. Beim Schließen des Schalters S wird über C₁ oder D-. Sperrpotential auf die Basis von T-gegeben, so daß T₁ sperrt, wodurch auch T₂ in den Sperrzustand gesteuert wird. Über den Rückkopplungs-

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widerstand R₃ wird auch dieser Sperrzustand stabil beibehalten, bis ein erneuter Ein-Impuls durch Betätigung des Schalters S gegeben wird.

Wie leicht erkennbar, bildet die Anordnung der Transistoren T , T mit den Rückkopplungswiderständen R , R eine bistabile Kippstufe (entweder beide Transistoren T₁, T„ leitend, oder beide Transistoren gesperrt).

Durch die dynamische Ansteuerung über C₁ vom Schalter S her wird diese Kippstufe im Normalbetrieb in ihrem jeweiligen Zustand gesteuert.

Die Diode D₃ hat dabei den Zweck, den Abschaltvorgang auch bei großer Speicherzeit des Darlington-Transistors T„ und kurzer Zeitkonstante des Kondensators C. sicher vorzunehmen. Damit kann man C entsprechend einem sicheren Einschaltverhalten relativ klein wählen, was sich beim noch zu beschreibenden Verhalten bei Kurzschluß positiv auswirkt. Jedoch kann im Prinzip auf D-. verzichtet werden. C₁ muß dann entsprechend einem sicheren Ausschaltverhalten bei hoher Speicherzeit von T₁ relativ groß gewählt werden, was zu längerer Kurzschlußdauer im Kurzschlußbetrieb führen kann.

Für den rauhen Kraftfahrzeug-Einsatz muß eine solche Schaltung kurzschlußsicher sein. Ferner ist zu beachten, daß der vorgesehene Betrieb der Schaltung mit Lampenlast und den dabei auftretenden Kaltstromwerten einen Betrieb mit dynamischen Teilkurzschlüssen darstellt.

Die Schaltung trägt den Anforderungen durch die enthaltenen Funktionen Laststrombegrenzung und Kurzschlußschutz Rechnung.

Der Widerstand der Glühwendel einer die Last L bildenden Lampe verhält sich im kalten und im Betriebszustand etwa wie 1 : (z.B. 24 Volt/21 Watt-Lampe R_kalt2Ohm; R_heiß24Ohm). Beim sprungartigen Anlegen der Betriebsspannung an die die Last L bildende

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Lampe mit kaltem Glühfaden läßt sich ein Einschwingen des Stromes vom ca. 6-fachen des Kaltwertes auf den Warmwert mit einer Zeitkonstanten von ca. 20 ms beobachten. Würde man den Darlington-Transistor T₀ nach dem vollen, hohen Spitzenstrom auslegen, würde man sehr teuere und große Bauelemente benötigen. Würde man nur nach dem stationären Warmstrom auslegen, ergäben sich im Schalttransistor T₀ beim Einschalten der die Last bildenden kalten Lampen unzulässig hohe Spitzenströme und Stromdichten, die zur Zerstörung fuhren.würden.

Aus diesem Grunde ist es wirtschaftlich und technisch optimal, einen Schalttransistor T₀ einzusetzen, der ca. den 3-fachen Wert des Warmstromes als Spitzenstrom verträgt. Im stationären Fall bei Warmstrom zeigt der Schalttransistor T₀ dann gute Sättigungseigenschaften (niedere Verlustleistung). Die Begrenzung des Stromes auf den dreifachen Wert des Warmwertes erfolgt durch eine Strombegrenzung, oder Regelung.

Bei der dargestellten Schaltung dienen Rg und D der Strombegrenzung. Im Normalfall erzeugt der Warmstrom am niederphmigen Widerstand Rg nur einen geringen Spannungsabfall, so daß υ^^+ϋ-,,,,Τ- unterhalb der Knickspannung von D₀ bleibt. R,. und D_ sind so gewählt, daß beim zu begrenzenden Spitzenstromwert der Spannungsabfall an R_g und damit U ₀= ^ur6^+u _be ^T2 ^so <3^roß> werden, daß D₀ leitend wird. D₀ übernimmt den von. R. bereitgestellten Basisstrom für T₀ und begrenzt somit dessen Basispotential und damit dessen Kollektor-Emitter-Spitzenstrom.

Der Kurzschlußsicherung für diese Schaltung dient die Zenerdiode D-. Sofern die Last L in sich oder der Ausgang (Kollektor T₀) nach Masse kurzgeschlossen werden, liegt das Kollektorpotential an Masse, so daß die Schwellspannung der Zenerdiode D-eine Kopplung über R₀ verhindert. Der im Normalfall ohne Kurzschluß mögliche stabile Zustand, in dem beide Transistoren T- und T₀ in den leitenden Zustand gesteuert sind, kann nicht stabil eingenommen werden. Erfolgt der- Kurzschluß nach einem

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Einschalten, wird sofort T₁ gesperrt, damit sperrt auch T-. Diese werden somit in den stabilen stromlosen Zustand geschaltet. Erfolgt ein Einschaltversuch (Schalter öffnen), während ein Kurzschluß vorliegt, wird T₁ über R., C.für die damit realisierte Triggerzeit leitend gehalten- Somit ist auch T^leitend und arbeitet im mit D_, R_& vorgegebenen Strombegrenzungsbetrieb. Infolge des Kurzschlusses kann trotz Stromfluß durch D„ das Kollektorpotential nicht so weit angehoben werden, daß über R₇, D₁ der stabile "Ein-Zustand" erreicht wird. Nach Abklingen des kurzen Einschaltimpulses über R,, C. wird (bei offenem Schalter S) T₁ wieder gesperrt. Somit sperrt auch T₂ wieder. Die Schaltung fällt in den stabilen "Aus-Zustand". Der Einschaltversuch über R₁, C₁ bei einem vorliegenden Kurzschluß führt also infolge der Strombegrenzung nur zu einem kurzzeitigen Betrieb mit dem zulässigen Spitzenstrom (große aber zulässige Verlustleistung)· Ein zerstörendes Anwachsen des Stromes über alle Grenzen im Kurzschlußfall wird somit sicher vermieden.

Selbstverständlich ist es bei entsprechender Anforderung möglich, eine komplementäre Schaltung (Last einseitig an Plus, Elektronik schaltet nach Masse) durch Wechsel der Polaritäten und dergleichen aus dem gleichen Grundschaltbild darzustellen.

Es ist auch ohne weiteres möglich, als Steuerschalter S einen Schließer an Plus zu verwenden. Eine solche Ausführungsform zeigt Fig. 2. Der Schalter 2 ist dabei direkt mit der positiven Speiseleitung +U, der Fahrzeugbatterie verbunden. An den

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Schalter S sind C₁ und R₁ angeschlossen, die das Zeitglied bilden. In Reihe damit ist wieder die Zenerdiode D₁ geschaltet, die mit der Basis des nicht mehr dargestellten Treibertransistors verbunden ist. Der Schalter S ist außerdem über einen Wider

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terie verbunden.

stand R„ mit der negativen Speiseleitung -U, der Fahrzeugbat-

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Anstatt des bisher beschriebenen mechanischen Ein/Aus-Schalters S als Steuerschalter kann auch für entsprechende Funktionen ein Opto-, Hall-Effekt oder sonstiges Bauelement eingesetzt werden.

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Die dynamische Ein-Aus-Steuerung vom Schalter muß auch nicht notwendigerweise mit dem RC-Glied R₁, C₁ erfolgen. In einer integrierten Bauweise wäre eine bevorzugte, dynamische Ansteuerung mittels Laufzeitglieder ausführbar..

Bei einer in der Praxis erprobten Ausführungsform hatten die einzelnen Bauelemente der Schaltung folgende Werte:

T₁ Typ bc

T_ Typ . bdw 84 a

L Lampe 6 χ 2IW /24V

R 7,5 kohm

R 5,6 kohm

R₃ 10 kohm

R. 560 ohm

R₅ 2 kohm

R, 70 milliohm

R„ 3 kohm

C. 2,2 nano farad D₁ bzy 87/1 V D₂ bzy 87/2 V

D. In 4148

U, . . 24 volt batt

Patentanwalt Dipl.-Ing. E./Eder Dipl.-Ing. K. $

CMünchan 40, Elisa

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Claims (10)

Dipl.-mg. E. Ie DIpl.-lng. K. Schlsschk© München 40, ElisabeihatraSeKS WERNER MESSMER GMBH & CO. KG 7760 Radolfzell Schaltung für einen elektronischen Schalter für hohe Lastströme, insbesondere für den Lampenkreis von Kraftfahrzeugen Patentansprüche s

1. Schaltung für einen elektronischen Schalter für hohe Lastströme, insbesondere für den Lampenkreis von Kraftfahrzeugen, mit einem mit der zu schaltenden Last in Reihe liegenden Schalttransistor, der durch eine Treiberstufe nach Betätigung eines Ein/Aus-Schalters in den Sperr- bzw. Durchlaßzustand gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalttransistor (T-) und der Treibertransistor (T-) mit, jeweils Kollektor mit Basis verbindenden Rückkopplungswiderständen (R₂, R.) als bistabile Kippstufe geschaltet sind, daß in den Ansteuerkreis der Basis des Treibertransistors ein Kondensator (C₁) eines Zeitgliedes geschaltet ist und daß dieser über den Ein/Aus-Schalter (S) an ein den Treibertransistor und damit auch den Schalttransistor in den leitenden oder sperrenden Zustand steuerndes Potential anschaltbar ist.

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BAD ORIGINAL

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalttransistor (T,) ein Darlington-Transistor verwendet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spitzenstromwert für den Darlington-Transistor (T„) etwa der 3-fache Wert des Warmstromes durch die Last (L) . gewählt ist, daß zwischen Emitter des Darlington-Transistors und positiver Speisespannung (+) ein strombegrenzender Vorwiderstand (R_ß) eingeschaltet ist und daß die Basis des Darlington-Transistors über eine Stabilisatordiqde (D ) an die positive Speisespannung geschaltet ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Treibertransistors (T,) über eine Stabilisatordiode (D,) und das damit in Reihe geschaltete Zeitglied (R,, C₁) mit der positiven Speisespannung verbunden ist.

5. Schaltung nach "Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß von der Basis des Treibertransistors (T^) ein Widerstand (R₃) an die negative Speisespannung gelegt ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C-) des Zeitgliedes einerseits über die Stabilisatordiode (D-) mit der Basis des Treibertransistors (T₁) und andererseits über den mechanischen Ein/Aus-Schalter (S) mit der negativen Speisespannung verbunden ist.

7. Schaltung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Basis des Treibertransistors (T₁) über die Stabilisatordiode (D,) verbundene Kondensator (C,) über Reihenschaltung eines Widerstandes (R,) über den mechanischen Ein/Aus-Schalter (S) an die positive Speisespannung angeschlossen ist und über einen Widerstand mit der negativen Speisespannung verbunden ist.

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8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kondensator (C.) im Ansteuerkreis des Treibertransistors (T-) eine Diode (D-) parallelgeschaltet ist.

9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Ein/Aus-Schalter (S) durch einen Opto-, Hall-Effekt oder sonstiges Bauelement ersetzt ist.

10. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das RC-Glied (R., C₁) durch Laufzeitglieder·ersetzt wird.

Patentanwälte ma. E. Eder

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