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Schaltungsanordnung für elektrische Verbraucher
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mit Verpolschutz Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer
Schaltungsanordnung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer solchen bekannten
Schaltungsanordnung wird der Verpolschutz durch eine Diode erreicht, die in eine
der beiden Anschlußleitungen angeordnet ist und die für eine verpolt angelegte Gleichspannung
in Sperrichtung beansprucht wird. Der spannungsempfindliche Schaltungsteil einer
solchen Schaltungsanordnung wird zwar durch eine solche Schutzdiode gegen überbelastung
bzw. gegen Auslösung von Fehlschaltungen ausreichend geschützt. Es besteht jedoch
der Nachteil, daß bei richtig angelegter Gleichspannung ein relativ hoher Spannungsabfall
von etwa 0,8 V an der Diodenstrecke auftritt, was unter Umständen bei starken Schwankungen
einer kleinen angelegten Betriebsspannung dazu führen kann, daß die Schaltungsanordnung
nicht mehr funktionsgerecht arbeitet. Wird beispielsweise die Erregerwicklung eines
Schaltrelais über die Schalt strecke eines
Transistors angesteuert,
dem in der Anschlußleitung eine Schutzdiode vorgeschaltet ist, so kann beim Absinken
der Betriebs spannung von 12 V der Spannungsabfall an der Schutzdiode sowie an der
Schaltstrecke des Schalttransistors dazu führen, daß die restliche, an der Erregerwicklung
zur Verfügung stehende Spannung nicht mehr ausreicht, um das Relais einzuschalten
bzw. zu halten. Kritisch sind hier insbesondere Schaltungsanordnungen für relativ
kleine Betriebsspannungen wie sie z.B. in Kraftfahrzeugen während des Startvorgangs
vorhanden sind.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber den bekannten Verpolschutz-Schaltungen
den Vorteil, daß die Transistor-Schaltstrecke bei richtig gepolter Betriebsspannung
in den Sättigungsbereich durchgesteuert ist und dabei einen sehr geringen Spannungsabfall
von maximal 0,2 V aufweist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der spannungsempfindliche
Schaltungsteil durch die Transistor-Schaltstrecke auch gegen Überspannung in Form
von Spannungsspitzen geschützt ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.
1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einer Transistor-Schaltstrecke in
einer
Anschlußleitung eines Verbrauchers der gegen Verpolung der
Betriebsspannung zu schützen ist, Fig. 2 die weitere Ausgestaltung einer Schaltungsanordnung
nach Figur 1 mit einem zusätzlichen Schalttransistor für den Verbraucher, Fig. 3
zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer Transistor-Schaltstrecke als Verpolschutz
die bei richtig angelegter Betriebsspannung im Inversbetrieb arbeitet und Fig. 4
zeigt eine Schaltungsanordnung für einen Elektromotor dessen Schaltrelais durch
einen invers betriebenen Transistor gegen Verpolung geschützt ist.
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Besehreibung der Ausführungsbeispiele Die in Figur 1 dargestellte
elektrische Schaltungsanordnung ist mit einem elektrischen Verbraucher 10 versehen,
der gegen eine Verpolung der Versorgungsspannung zu schützen ist. Als Versorgungsspannung
dient im Beispielfall das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, das mit den Anschlußklemmen
15 und 31 der Schaltungsanordnung verbunden ist.
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Der Pluspol der Versorgungsspannung ist über eine Anschlußleitung
11 mit einem Schalter 12 verbunden, durch den der elektrische Verbraucher 10 ein-
und ausgeschaltet wird. Der Schalter 12 kann dabei ein mechanisch, elektromagnetisch
oder elektronisch gesteuerter Schalter sein.
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Der Minuspol der Versorgungsspannung liegt an der Anschlußklemme 31
und ist über eine weitere Anschlußleitung 13 mit dem Verbraucher 10 verbunden. Diese
Anschlußleitung 13 ist auf Masse gelegt.
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Zum Schutz des Verbrauchers 10 gegen Zerstörung oder gegen unerwünschte
Auswirkungen bei einem verpolten Anschluß der Schaltungsanordnung an die Betriebsspannung
ist die Schaltstrecke eines pnp-leitenden Transistors 14 in der Anschlußleitung
11 angeordnet. Die Basis dieses Transistors
14 ist über einen Widerstand
16 mit der anderen Anschlußleitung 13 verbunden. Der Emitteranschluß des Transistors
14 ist über den Schalter 12 mit der Anschlußklemme 15 verbunden, so daß bei richtig
gepolter Betriebsspannung die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 14 in Durchlaßrichtung
beansprucht ist, sobald der Schalter 12 geschlossen wird. Der Kollektoranschluß
des Transistors 14 ist mit einem Anschluß des zu schützenden Verbrauchers 10 verbunden.
Bei geschlossenem Schalter 12 wird die Emitter-Kcllektor-Strecke des Transistors
14 bei richtig gepolt er Versorgungsspannung in den Sttigungsbereich gesteuert,
so daß der Verbraucher 10 praktisch an der vollen Versorgungsspannung liegt. Die
Sättigwgsspannung an der Schaltstrecke des Transistors 14 beträgt dabei etwa 0,2
V.
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Wird an den Anschlußklemmen 15 und 31 die Betriebsspannung verpolt
angeschlossen, so ist bei geschlossenem Schalter 12 die Emitter-Basis-Strecke des
Transistors 14 in Sperrichtung beansprucht. Bei einer Spannung von mehr als 5 V
bricht bei normalen Transistoren diese Strecke durch. Nun wird auch die Schaltstrecke
des Transistors 14 leitend; allerdings mit einem Spannungsabfall von mindestens
5 V. Dadurch wird sichergestellt, daß am elektrischen Verbraucher nur noch eine
Rest spannung anliegt, die für eine Zerstörung oder ungewollte Schaltung des Verbrauchers
10 nicht mehr ausreicht.
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In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, bei der als Verbraucher
ein Relais 20 vorgesehen ist, zu dessen Erregerwicklung 20a eine Diode 21 mit einem
vorgeschalteten Widerstand 22 parallel liegt. Ein Schaltkontakt 20b des Relais 20
ist über Anschlußklemmen 30 und 87 in den Versorgungsstromkreis eines nicht dargestellten
Verbrauchers
eingefügt. Das Relais 20 wird durch einen pnp-leitenden Schalttransistor 23 ein-
und ausgeschaltet, dessen Schaltstrecke in der Anschlußleitung 11 der Schaltungsanordnung
liegt. Die Basis des Schaltransistors 23 liegt über einen Widerstand 24 am Ausgang
eines Signalverstärkers 25, der einen Signaleingang E hat. Der Ausgang des Signalverstärkers
25 ist außerdem über eine Z-Diode 26 mit der auf Masse liegenden Ansohlußleitung
13 verbunden. Als Verpolschutz ist ein npn-leitender Transistor 27 vorgesehen, dessen
Schaltstrecke in der Anschlußleitung 13 angeordnet ist. Der EmitteranschluR des
Transistors 27 ist mit der Anschlußklenme 31 der Glechspannung und der Kollektoranschluß
mit dem zu schützenden Relais 20 verbunden. Der andere Anschluß des Relais 20 ist
über die Schaltstrecke des Schalttransistors 23 mit der Anschlußklemme 15 der Gleichspannung
verbunden. Die Basis des als Verpolschutz dienenden Transistors 27 ist über den
Widerstand 16 mit dem zum Relais 20 führenden Kollektoranschluß des Schalttransistor
23 verbunden.
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Bei richtig gepolter Versorgungsspannung wird der Schalttransistor
23 in den stromleitenden Zustand durchgesteuert, sobald am Signaleingang E ein Schaltsignal
eingegeben wird, das über den Signalverstärker 25 den Baslswiderstand 24 gegen Masse
schaltet. Sobald der Schalttransistor 23 durchgesteuert ist, wird auch die Basis-Emitter-Strecke
des Transistors 27 in Durchlaßrichtung beansprucht, so daß auch seine Schaltstrecke
stromleitend wird. Das Relais 20 ist dadurch an die Versorgungsspannung angeschaltet
und der Schaltkontakt 20b des Relais 20 wird geschlossen.
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Zwar ist es für den Einschaltvorgang unerheblich, ob der Widerstand
16 an der Basis des Verpolschutz-Transistors 27 vor oder hinter der Schaltstrecke
des Schalttransistors 23 an die Anschlußleitung 11 angeschlosser wird. Für den
Abschaltvorgang
ist die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 jedoch besonders vorteilhaft, da beim Abschalten
in der Erregerwicklung 20a des Relais 20 eine Spannung induziert wird, die nun nicht
mehr zur Versorgungsspannung addiert an der Schaltstrecke des Schalttransistors
23 wirksam werden kann. Vielmehr wird bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 am
gesperrten Schalttransistor 23 nur noch die Versorgungsspannung und am gesperrten
Verpolschutz-Transistor 27 nur die in der Erregerwicklung 20a induzierte Spannung
auftreten, weil jetzt auch der Transistor 27 vom Schalttransistor 23 abgeschaltet
wird.
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Bei einem verpolten Anschluß der Versorgungsspannung werden die Basis-Emitter-Strecken
der Transistoren 23 und 27 zunächst in Sperrichtung beansprucht. Sobald die Durchbruchs
spannung der Transistoren 23 und 27 von etwa 5 V überschriten wird, gelangen sie
in den stromleitenden Zustand. Bei einer Versorgungsspannung von 12 V würden daher
an beiden Schaltstrecken der Transistoren 23 und 27 je 5 V Spannungsabfall auftreten,
so daß an der Erregerwicklung 20a des Relais 20 lediglich eine Restspannung von
2 V übrigbleibt. Durch diese Restspannung wird das Ansprechen des Relais 20 mit
Sicherheit verhindert.
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Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem Relais 20, dessen
Schaltkontakt 20b mit einem Ausgang A an einen nicht dargestellten Verbraucher anzuschließen
ist. Das Relais 20 wird über einen Signaleingang E eines Differenzverstärkers 41
und einen daran angeschlossenen Basiswiderstand 42 durch einen Schalttransistor
43 ein- und ausgeschaltet. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 41 ist an
einen Spannungsteiler aus den Widerständen 44 und 45 angeschlossen, der seinerseits
durch eine Z-Diode 45 mit vorgeschaltetem Widerstand 47 an eine stabilisierte Gleichspannung
liegt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 41 liegt über eine weitere Z-Diode 48
gegen Masse.
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Als Verpolschutz ist in der am Pluspotential liegenden Anschlußleitung
11 ein pnp-leitender Transistor 40 angeordnet, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
bei richtig gepolter Versorgungsspannung im Inversbetrieb arbeitet.
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Dazu ist der Kollektoranschluß des Transistors 49 mit der Anschlußklemme
15 für die Versorgungsspannung und der Emitteranschluß mit dem zu schützenden Schaltungsteil
der Schaltungsanordnung verbunden. Die Basis ist über den Widerstand 16 mit der
zur Klemme 31 führenden Anschlußleitung 13 verbunden.
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Bei richtig gepolter Betriebsspannung arbeitet der Transistor 49 im
Inversbetrieb, indem die Basis-Eollektor-Strecke in Durchlaßrichtung beansprucht
wird. Die Schaltstrecke des Transistors 49 wird dabei in den Sättigungsbereich durchgesteuert
und die volle Versorgunggsspannung gelangt zu dem Schaltungsteil mit dem Schalttransistor
43 und dem Differenzverstärker 41. Sobald am Eingang E ein Signal auftritt, wird
der Schalttransistor 43 über den Differenzverstärker 41 in den stromleitenden Zustand
gesteuert und das Relais 20 wird eingeschaltet. Der Spannungsabfall an den Transistoren
49 und 43 von je 0,2 V ist so gering, daß selbst bei starken Spannungsschwankungen
die Funktionssicherheit der Schaltungsanordnung gewährleistet wird.
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Wird an den Anschlußklemmen 15 und 31 eine verpolte Versorgungsspannung
angeschlossen, so bleibt der Verpolschutz-Transistor 49 im Sperrzustand, da seine
Kollektor-Basis-Strecke in Sperrichtung beansprucht wird. Die Sperrspannung der
Kollektor-Strecke liegt wesentlich über der Versorgungsspannung so daß sichergestellt
ist, daß der zu schützende Schaltungsteil spannungsmäßig nicht mehr beansprucht
wird. Differenzverstärker 41 und Schalttransistor 43 können nicht mehr angesteuert
werden.
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In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei der als Verbraucher
der Motor 6C einer Kraftstoffpumpe durch den Schaltkontakt 20b des Relais 20 ein-
und ausgeschaltet wird. Der Motor 60 wird über eine Klemme 30 an das Bordnetz eines
Kraftfahrzeuges angeschlossen. Das Relais 20 wird durch einen Schalttransistor 23
geschaltet, dessen Schaltstrecke in der Anschlußleitung 11 liege indem sein Emitteranschluß
mit der Anschlußklemme 15 und sein Kollektoranschluß mit dem Relais 20 verbunden
ist. Der Signaleingang E liegt an der Basis des Schalttransistors 23.
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Als Verpolschutz ist hier ein npn-leitender Transistor 61 vorgesehen,
dessen Schaltstrecke in der Anschlußleitung 13 angeordnet ist, indem sein Emiteranschluß
mit dem Relais 20 und sein Kollektoranschluß mit der Anschlußklemme 31 verbunden
ist. Mit seiner Basis ist er über den Widerstand 16 mit der anderen Anschlußleitung
11 verbunden und zwar hinter der Schaltstrecke des Transistors 23 an dessen Kollektoranschluß.
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Auch bei dieser Schaltungsanordnung ist der Transistor 61 bei richtig
gepolter Betriebsspannung invers durchgesteuert, sobald der Schalttransistor 23
durch ein Eingangssignal stromleitend wird. Das Pluspotential auf der Anschlußleitung
11 gelangt über den Widerstand 16 zur Basis des Transistors 61 und beansprucht dort
die Basis-Kollektor-Stecke in Durchlaßrichtung. Bei falsch gepolter Betriebsspannung
ist es zwar möglich, den Schalttransistor 23 durch ein Eingangssignal beim Überschreiten
der Durchbruchs spannung von etwa 5 V noch stromleitend zu steuern, aber auch in
diesem Fall wird die hochsperrende Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 61 in
Sperrichtung beansprucht und damit sichergestellt, daß der spannungsempfindliche
Schaltungsteil der Schaltungsanordnung nicht mehr an Spannung gelegt werden kann.
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Schaltungsanordnung für elektrische Verbraucher mit Verpolschutz Zusammenfassung
Es wird eine Schaltungsnaordnung für elektrische Verbraucher vorgeschlagen, die
zum Schutz gegen Verpolung einer angelegten Gleichspannung geschützt wird. Die Schaltungsanordnung
umfaßt neben dem zu schützenden Schaltungsteil einen als Verpolschutz dienden Transistor,
dessen Schaltstrecke in einer der beiden Anschlußleitungen liegt und dessen Basis
über einen Widerstand mit der anderen Anschlußleitung verbunden ist. Bei richtig
gepolter Gleichspannung ist die Steuerstrecke des Transistors in Durchlaßrichtung
und bei Verpolung der angeschlossenen Versorgungsspannung ist sie in Sperrichtung
beansprucht, so daß an dem zu schützenden Schaltungsteil entweder keine oder nur
eine geringe, die Funktion oderdie Bauelemente~nicht gefährdende Restspannung wirksam
werden kann.
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