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Anordnung zum Schutz elektronischer Steuergeräte
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Stand der Technik Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es ist bekannt, elektronische Steuergeräte in Kraftfahrzeugen mit
Hilfe von Dioden zu schützen, die zwischen der Batterie und dem Spannungsanschluß
des Steuergerätes eingeschaltet sind. Bei diesen Schutzdioden tritt jedoch der Nachteil
auf, daß diese einen Spannungsabfall von etwa 1 V erzeugen. Bei einem Kaltstart
eines Kraftfahrzeugs kann die Spannung der Batterie so stark absinken, daß durch
den zusätzlichen Spannungsabfall von 1 V die Funktion des Steuergerätes beeinträchtigt
wird.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 im Hinblick auf ein verbessertes Verhalten bei niedrigerer
Batteriespannung zu entwickeln.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 entsprechende Anordnung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils
des Hauptanspruchs vor.
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Bei der üblichen Schaltung der Batterien, nämlich Minus-Pol an Masse,
wird ein PNP-Transistor verwendet.
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Ist dagegen in einem speziellen Fall der Plus-Pol der Batterie mit
der Masse verbunden, so findet dementsprechend erfindungsgemäß ein NPN-Transistor
Verwendung. Der Transistor kann derart geschaltet sein, daß sein Emitter mit der
Batteriespannung versorgt wird, während der Kollektor mit dem Spannungsanschluß
des elektronischen Steuergerätes verbunden ist. Besonders bevorzugt ist jedoch eine
Ausführung, bei der der Transistor invers geschaltet ist, d.h., bei der der Kollektor
mit der Batteriespannung und der Emitter mit dem Spannungsanschluß des elektronischen
Steuergerätes verbunden ist. In beiden Fällen ist der Spannungsabfall am Transistor
wesentlich kleiner als bei den bislang verwendeten Schutzdioden. Er liegt beispielsweise
in der Größenordnung von 0,2 V. Bei dem Inversbetrieb des Transistors tritt der
zusätzliche Vorteil hinzu, daß die wesentlich höhere Emitter-Kollektor-Sperrspannung
auch bei besonders hohen negativen
Spannungsspitzen einen Schutz
des Steuergerätes ermöglicht. Diese Sperrspannung kann bis zu mehreren hundert Volt
betragen.
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In Weiterbildung kann vorgesehen sein daß der Transistor ein in Gate-Schal
tung invers betriebener P-Kanal-MOSFET ist, dessen Drain mit der Batterie und dessen
Source mit dem elektronischen Steuergerät verbunden ist Dies gilt wiederum für den
Fall, daß der Minus-Pol der Batterie an Masse gelegt ist. Im umgekehrten Fall würde
man einen N-Kanal-MOSFET verwenden.
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Die Verwendung eines MOSFETs hat den Vorteil, daß der Spännungsabfall
über der Schutzschaltung auch bei relativ hohen Strömen sehr gering ist. Da MOSFETs
spannungsgesteuert sind, wird praktisch auch keine Steuerleistung benötigt.
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In Weiterbildung kann vorgesehen sein, daß Gate und Source durch eine
Zenerdiode überbrückt sind. Dies dient dem Schutz des MOSFETs bei eventuell zu hohen
positiven Eingangsspannungen In Weiterbildung kann parallel zum Eingang des elektronischen
Steuergerätes ein Kondensator geschaltet sein Dieser Kondensator kann dazu dienen,
bei kurzzeitiger Unterbrechung der Stromversorgung wegen negativer Spannungsspitzen
das elektronische Steuergerät weiter mit Spannung zu versorgen. Um das Entladen
des Kondensators über den MOSFET zu verhindern, muß dieser gesperrt werden. Zu diesem
Zweck wird mit Hilfe eines zusätzlichen Transistorschalters das Gate des MOSFETs
auf Source-Potential gezogen.
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In der Zeichnung sind mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Hierbei
zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem PNP-Transistor; Figur
2 eine entsprechende Anordnung im Inversbetrieb; Figur 3 eine Anordnung mit einem
MOSFET; Figur 4 eine der Figur 3 entsprechende Anordnung mit einer zusätzlichen
Zenerdiode; Figur 5 eine weitere Anordnung mit einem zusätzlichen Transistorschalter.
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Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Transistor
11 in Basisschaltung geschaltet. Sein Emitter 12 ist mit der Batteriespannung U
verbunden.
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Der Kollektor 13 ist mit dem Spannungsanschluß eines elektronischen
Steuergerätes 14 verbunden. Die Basis 15 des Transistors 11 ist über einen Widerstand
16 mit Masse verbunden. Das Steuergerät 14 besitzt ebenfalls eine Verbindung 17
mit Masse.
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Liegt eine positive Spannung am Eingang, d.h. in diesem Falle am Emitter
12 an, so erhält der PNP-Transistor 11 über den Widerstand 16 einen Basisstrom und
wird leitend. Dadurch liegt am Kollektor 13 und damit am Eingang 18 des Steuergerätes
14 eine Spannung an, die um die Sättigungsspannung des Transistors in der
Größenordnung
von etwa 0,2 V kleiner ist als die am Eingang anliegende Batteriespannung U. Wird
die Eingangsspannung U negativ, sperrt der Transistor, so daß die am Eingang 18
des Steuergerätes 14 liegende Spannung nicht negativ werden kann.
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In diesem Fall ist die Verwendung eines Transistors mit hoher Sperrspannung
vom Kollektor zum Emitter (d.h. hoher Basis-Emitter-Durchbruchspannung) notwendig.
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Die in Figur 2 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen
der in Figur 1, jedoch wird der Transistor 11 im Inversbetrieb betrieben, d.h.
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sein Emitter 12 liegt am Eingang 18 des elektronischen Steuergerätes
14 an, während die Eingangs- bzw.
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Batteriespannung U am Kollektor 13 anliegt.
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Bei dieser Schaltungsanordnung wird die Emitter-Kollektor-Sperrspannung
beim Absinken der Spannung U ausgenutzt, die bis zu mehreren hundert Volt betragen
kann. Mit dieser Schaltung läßt sich ein Verpolschutz auch für höhere Spannungen
erreichen. Diese Schaltung eignet sich insbesondere dann, wenn das elektronische
Steuergerät 14 nur einen kleinen Versorgungsstrom benötigt.
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Bei der in Figur 3 dargestellten Anordnung ist zwischen die Eingangs-
bzw. Batteriespannung U und das elektronische Steuergerät 14 ein MOSFET 19 geschaltet.
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Dabei ist das Gate 21 über den Widerstand 16 an Masse
gelegt,
während das Drain 20 mit der Eingangsspannung U verbunden ist. Die Source 22 ist
mit dem Spannungsanschluß 18 des elektronischen Steuergerätes 14 verbunden. Diese
Ausführungsform ist besonders vorteilhaft. Sie hat den Vorteil, daß in der normalen
Flußrichtung dem "EIN"-Widerstand des MOSFETs die Drain-Source-Diode parallelgeschaltet
ist, während in der umgekehrten Richtung der Transistor und die Diode mit der hohen
Source-Drain-Spannung sperren.
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Sobald die Eingangsspannung über den Wert der Gate-Schwellenspannung
von etwa 2 bis 4 V ansteigt, wird der MOSFET leitend. Der Spannungsabfall U am MOSFET
ergibt sich aus dem Produkt des "EIN-"-Widerstandes mit dem Strom. U ist = n Rein
1. Da die "EIN"-Widerstände von P-Kanal-MOSFETs heute je nach Sperrspannung zwischen
0,3 und 0,8 Ohm liegen, ergeben sich bei einem Strom von 200 mA Spannungsabfälle
a U von etwa 0,06 bis 0,16 V. Da der MOSFET spannungsgesteuert ist, wird praktisch
keine Steuerleistung benötigt. Der Widerstand 16 lädt lediglich die Gate-Kapazität
und wird nach Geschwindigkeitsgesichtspunkten dimensioniert.
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Bei der Anordnung in Figur 4 sind Gate und Source durch eine zusätzliche
Zenerdiode 23 überbrückt. Da die Gate-Source-Spannung meist nur + 20 V betragen
darf, wird durch diese Zenerdiode 23 ein Schutz bei hohen positiven Eingangsspannungen
erreicht. Im übrigen entspricht die Schaltungsanordnung in Figur 4 der in Figur
3.
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Bei der Anordnung nach Figur 5, die der Anordnung nach Figur 4 entspricht,
ist noch ein Transistorschalter 24 vorgesehen, der als Schalter zwischen dem Gate
21 und derrSource 22 dient. Die Basis 25 des Transistors 24 ist über weinen Widerstand
26 mit der Eingangsspannung U verbunden, während der Emitter 27 mit der Source 22
und der Kollektor 28 mit dem Gate 21 verbunden sind.
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Zwischen dem Spannungsanschluß 18 des Steuergerätes 14 und Masse liegt
ein Kondensator 29. Wenn die Eingangsspannung U nur um einen geringen Wert einbricht,
wird die Basis 25 des Transistors 24 über den Widerstand 26 angesteuert und schaltet
durch, so daß das Gate 21 des MOSFETs 19 auf das Potential der Source 22 gezogen
wird. Es werden praktisch Source und Gate durch den Transistor 24 kurzgeschlossen.
Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß bei Absinken der Eingangsspannung U auch nur
um geringe Werte der Eingang 18 des Steuergerätes 14 von der Eingangsspannung getrennt
wird. Bei kurzzeitigen negativen Spannungsspitzen kann so der Kondensator 29 das
Steuergerät 14 weiter mit Spannung versorgen.
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