DE3643869C1 - Schaltungsanordnung zur UEberwachung einer Brueckenendstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Brückenendstufe, welche in Reihe mit einer steu­ erbaren Stromquelle mit den Anschlüssen einer Be­ triebsspannungsquelle verbunden ist.

Bei Brückenendstufen der eingangs genannten Art, auch stromgeregelte Brückenendstufen genannt, ist ein Kurzschluß der Last oder eines Endstufentransi­ stors nicht ohne weiteres erkennbar. Auch eine Unter­ brechung eines Brückenzweiges oder der Zuleitung zur Last sowie innerhalb der Last selbst kann ohne wei­ tere Maßnahmen nicht erkannt werden. Insbesondere wenn derartige Endstufen in Systemen eingesetzt wer­ den, die einen hohen Zuverlässigkeitsgrad aufzuwei­ sen haben, ist ein Erkennen der genannten Fehler unbedingt erforderlich.

Aus der GB-A-21 07 146 ist bereits eine Brückenendstufe bekannt, welche in Reihe mit einer Kontaktstromquelle mit den Anschlüssen einer Betriebsspannungsquelle verbunden ist. Der bekanntesten Brückenendstufe ist jedoch keine Schaltungs­ anordnung zur Überwachung zugeordnet, so daß Kurzschlüsse oder Unterbrechungen in diesem Bereich unerkannt bleiben.

Aus der JP 5 61 03 510 A in Patents Abstracts of Japan, E-81, 12. Nov. 1981, Vol. 5, No. 176, ist es bekannt, daß durch Strombegrenzung die Ausgangsleistung eines Brückenverstärkers begrenzt werden kann. Damit ist zwar ein gewisser Schutz des Brückenverstärkers vor Zerstörung durch Überlast gegeben, jedoch sind Fehlfunktionen infolge von fehlerhaften Bauteilen oder mechanisch bedingte Leitungsunterbrechungen immer noch möglich, ohne daß dieser Betriebszustand als solcher erkannt werden kann.

Ferner ist es aus der Zeitschrift "radio fernsehen elektronik 26, 1977, Seiten 590-593, eine Schaltungsanordnung eines Brückenverstärkers für Akustik-Anwendung bekannt, dessen Endverstärker durch eine mit Strommeßwiderständen versehene weitere Brückenschaltungen mit je einem Transistor in der Diagonalen gegen Kurzschluß geschützt sind. Bei Verstärkern für Akustik-Anwendung ist zwar der Ausfall eines oder beider Kanäle des Akustikpfades in vielen Fällen hörbar, jedoch ermöglicht die bekannte Kurzschließ-Schutzschaltung keine Erkennung der irregulären Betriebsweise des Brückenverstärkers im Fall der Anwendung als Funktionsverstärker für technische Zwecke.

Eine steuerbare Stromquelle mit einem Transistor, dessen Kollektor-Emitter- Strecke in Reihe mit einem Strommeßwiderstand an der Betriebsspannung liegt und dessen Basis mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers verbunden ist, dessen invertierendem Eingang die Spannung des Strommeßwiderstandes zugeführt ist, ist für sich aus der DE 34 32 561 A1 bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zur Überwachung stromgeregelter Brückenendstu­ fen anzugeben, das Kurzschlüsse und Unterbrechungen im Bereich der Endstufe, der Zuleitung zur Last und der Last selbst erkennbar macht.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Überwachung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung über der Brückenend­ stufe und der Spannungsabfall an einem Strommeßwider­ stand einer Subtraktionsschaltung zugeführt sind, daß die Subtraktionsschaltung über einen Analog-Digi­ tal-Wandler mit einem Eingang eines Mikrocomputers verbunden ist und daß ein Programm vorgesehen ist, mit dem geprüft wird, ob der Spannungswert am Ein­ gang des Mikrocomputers innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist insbesondere für Regelsysteme geeignet, bei welchen ein Mikrocomputer über stromgeregelte Brückenendstufen Stellglieder steuert. Derartige Systeme werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Regelung der Kraftstoffmenge angewendet. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Überwachung hat den Vorteil, daß die Überwachung unabhängig von dem jeweils eingestellten Ausgangsstrom ist.

Bei stromgeregelten Brückenendstufen, bei denen die Stromquelle mit Masse und die Endstufe mit dem Masse fernen Anschluß der Betriebsspannungsquelle verbun­ den ist, besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, daß die Betriebsspannung und die Spannung über der steuerbaren Stromquelle einer wei­ teren Subtraktionsschaltung zugeführt sind, deren Ausgang mit einem Eingang der Subtraktionsschaltung verbunden ist.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Spannungen über Spannungsteiler der Subtraktionsschaltung bzw. den Subtraktionsschal­ tungen zugeführt sind. Hierdurch ist eine Anpassung der Schaltungsanordnung zur Überwachung an die jeweiligen Werte der Spannungen im Bereich der Brückenendstufe und der Stromquelle möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Subtraktionsschaltungen jeweils von einem gegengekoppelten Operationsverstärker gebildet werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung befaßt sich mit der Brückenendstufe. So kann beispielsweise vor­ gesehen sein, daß zwei Brückenzweige aus je zwei Transistoren bestehen, deren Basis-Emitter-Strecken in Reihe geschaltet sind und deren Basisanschlüsse über je einen Widerstand mit dem Kollektor eines Treibertransistors verbunden sind, daß beide Brücken­ zweige zwischen dem einen Anschluß der Betriebsspan­ nungsquelle und dem Ausgang der steuerbaren Strom­ quelle angeordnet sind und daß die Verbindungspunkte der jeweils zu einem Brückenzweig gehörenden Transi­ storen den Ausgang der Brückenendstufe bilden.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung sind die Basisanschlüsse beider Treibertransistoren mit je einem Ausgang des Mikrocomputers verbunden. Hier­ durch kann mit Hilfe des Mikrocomputers die Strom­ flußrichtung durch die Last gesteuert werden bzw. die Last ganz abgeschaltet werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die steuerbare Stromquelle von einem wei­ teren Transistor gebildet wird, dessen Kollektor der Ausgang der steuerbaren Stromquelle ist und dessen Emitter über einen Strommeßwiderstand mit dem ande­ ren Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, und daß ein Differenzverstärker vorgesehen ist, des­ sen Ausgang mit der Basis des weiteren Transistors verbunden ist und dessen invertierendem Eingang die Spannung am Strommeßwiderstand und dessen nichtinver­ tierendem Eingang eine Steuerspannung zuführbar ist.

Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, daß nach­ einander beide Treibertransistoren vom Mikrocomputer in den leitenden Zustand gesteuert werden, wenn der Spannungswert am Eingang des Mikrocomputers außer­ halb des vorgegebenen Bereichs ist. Dadurch kann ermittelt werden, ob die Unterbrechung oder der Kurz­ schluß im Bereich der Last oder in einem der Brücken­ zweige vorliegt.

Vorteilhafterweise wird dadurch, daß im Mikrocompu­ ter mindestens ein weiteres Programm gespeichert ist und daß der Ausgang der Brückenendstufe mit einem Stellglied verbunden ist, eine Ausnutzung des Mikro­ computers sowohl für die Überwachungsaufgaben als auch für die vorgesehene Regelung möglich.

Um einen hohen Eingangswiderstand der Operationsver­ stärker zu erzielen, können vorzugsweise Operations­ verstärker in C-MOS-Technik verwendet werden.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine an sich bekannte Brückenendstufe mit einer steuerbaren Stromquelle und

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Systems.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Brückenendstufe sind zwei Brückenzweige mit jeweils zwei in Reihe geschal­ teten Transistoren 1, 2; 3, 4 vorgesehen. Die Emit­ ter der pnp-Transistoren 1, 3 sind mit dem positiven Anschluß 5 einer nicht dargestellten Betriebsspan­ nungsquelle verbunden. Im Falle eines Kraftfahrzeugs ist dieses die Fahrzeugbatterie. Die Emitter der npn-Transistoren 2, 4 sind über eine steuerbare Stromquelle mit Massepotential verbunden.

Die steuerbare Stromquelle besteht aus einem Transi­ stor 6, in dessen Emitterzweig ein Strommeßwider­ stand 7 eingefügt ist. Der Spannungsabfall am Strom­ meßwiderstand 7 ist ein Maß für den durch den Transi­ stor 6 fließenden Strom. Der Emitter des Transistors 6 ist ferner über einen Widerstand 8 mit dem inver­ tierenden Eingang eines Operationsverstärkers 9 ver­ bunden, dessen nichtinvertierendem Eingang über den Anschluß 10 eine Steuerspannung für den Strom I zuge­ führt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 9 ist über einen weiteren Widerstand 11 mit der Basis des Transistors 6 verbunden.

Der Strom I kann nun durch entsprechende Steuerung der Transistoren 1, 2; 3, 4 in beiden Richtungen durch die als Widerstand 12 dargestellte Last gelei­ tet werden. Dazu sind die Basisanschlüsse der Endstu­ fentransistoren jeweils eines Brückenzweiges über je einen Widerstand 13, 14; 15, 16 mit dem Kollektor eines Treibertransistors 17, 18 verbunden. Je ein Widerstand 19, 20 dient als Arbeitswiderstand des Treibertransistors. Über Anschlüsse 21, 22 und Wider­ stände 23, 24 können die Treibertransistoren 17, 18 in den leitenden Zustand gesteuert werden.

Die Widerstände 13, 14, 19, 23 einerseits und die Widerstände 15, 16, 20, 24 andererseits sind derart dimensioniert, daß bei gesperrtem Treibertransistor 17, 18 der jeweils obere Transistor 1, 3 des betref­ fenden Brückenzweiges gesperrt und der untere Transi­ stor 2, 4 leitend ist. Wird einem Treibertransistor 17, 18 über den Anschluß 21, 22 eine positive Span­ nung zugeführt, so wird der Treibertransistor 17, 18 leitend, so daß sein Kollektor etwa Massepotential annimmt. Dadurch erhält der untere Transistor 2, 4 des betreffenden Brückenzweiges eine Basisspannung von etwa 0 V, so daß er gesperrt wird. Der jeweils obere Endstufentransitor 1, 3 erhält über den je­ weils zugeordneten Widerstand 13, 15 Basisstrom, so daß er leitend wird.

Liegt am Anschluß 21 eine positive Spannung an, wäh­ rend der Anschluß 22 mit Massepotential verbunden ist, so sind die Endstufentransistoren 1 und 4 lei­ tend, während bei Anliegen einer positiven Spannung an dem Anschluß 22 und einer Spannung von 0 V an den Anschluß 21 die Endstufentransistoren 2, 3 leitend und die Endstufentransistoren 1, 4 gesperrt sind.

Die Anschlüsse 21, 22 sind mit den gleichlautend bezeichneten Ausgängen eines Mikrocomputers 25 (Fig. 2) verbunden, womit die in Fig. 1 dargestellte strom­ gesteuerte Endstufe von dem Mikrocomputer 25 gesteu­ ert werden kann. Ferner kann auch der Eingang 10 für die Steuerspannung über einen Digital-Analog-Wandler an den Mikrocomputer angeschlossen sein, um auch die Höhe des Stromes vom Mikrocomputer zu steuern.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung wird an die Anschlüsse 26, 27, 28 der stromgesteuerten Endstufe nach Fig. 1 angeschlossen. Dadurch gelangt die bei 5 zugeführte Betriebsspannung zu einem aus den Widerständen 29, 30 bestehenden Spannungsteiler. Ein dem Teilerverhältnis entsprechender Teil der Be­ triebsspannung wird dem nichtinvertierenden Eingang eines ersten Operationsverstärkers 31 zugeführt, der mit Hilfe eines Widerstandes 32 gegengekoppelt ist. Die Spannung über der Stromquelle bzw. über der Rei­ henschaltung aus dem Transistor 6 und dem Widerstand 7 (Fig. 1) wird einem weiteren Spannungsteiler 33, 34 zugeführt, dessen Ausgang mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 31 verbunden ist.

Der erste Operationsverstärker 31 bildet zusammen mit dem Gegenkopplungswiderstand 32 eine Subtrak­ tionsschaltung, an deren Ausgang 35 eine Spannung ansteht, welche der durch die Spannungsteiler 29, 30; 33, 34 bewerteten Differenz zwischen der Be­ triebsspannung und der Spannung über der Stromquelle entspricht. Diese Differenz ist jedoch die Spannung, welche jeweils an der Endstufe liegt bzw. bei Ver­ nachlässigung der Sättigungsspannung der Endstufen­ transistoren die Spannung an der Last 12 (Fig. 1).

Als Maß für den jeweils eingestellten Strom wird die Spannung am Strommeßwiderstand 7 über den Anschluß 28 und den Widerstand 36 dem nichtinvertierenden Ein­ gang eines zweiten Operationsverstärkers 37 zuge­ führt, der ebenfalls zusammen mit einem Gegenkopp­ lungswiderstand 38 als Subtraktionsschaltung arbei­ tet. Dem nichtinvertierenden Eingang des Operations­ verstärkers 37 ist ebenfalls über einen Widerstand 39 eine Referenzspannung Uref zuführbar. Diese Refe­ renzspannung dient zur Kompensation der Sättigungs­ spannungen der Endstufentransistoren sowie zur Ein­ stellung eines mittleren Arbeitsbereichs des zweiten Operationsverstärkers 37.

Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 37 wird über einen Widerstand 40 die Ausgangsspan­ nung des ersten Operationsverstärkers 31 zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 37 wird einem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers 41 zugeführt, der in an sich bekannter Weise Teil eines sogenannten Single-Chip-Mikrocomputers 25 ist.

Wie bereits erläutert, entspricht die Ausgangsspan­ nung des Operationsverstärkers 31 bis auf einen kon­ stanten Faktor der Spannung über der Endstufe. Bei einem vorgegebenem Widerstand der Last 12, den nicht dargestellten Zuleitungen sowie der Endstufe ist diese Spannung proportional zum Strom I. Diese Pro­ portionalität wird in den Widerständen 29, 30, 33, 34, 36, 39 widergespiegelt. Daraus ergibt sich, daß die Eingangsspannung des Operationsverstärkers 37 (also die Differenz der Spannungen am nichtinvertie­ renden und am invertierenden Eingang) 0 V ist, solan­ ge sich die Spannung über der Endstufe und der Strom I proportional verhalten.

Erfolgt eine Unterbrechung im Bereich der Endstufe oder im Bereich der Last, so geht der Strom gegen 0, womit das Gleichgewicht am Eingang des Operationsver­ stärkers 37 aufgehoben wird. Bei einem Kurzschluß geht die Spannung gegen 0, während der Strom den ein­ gestellten Wert beibehält. Auch in diesem Fall wird das Gleichgewicht an den Eingängen des Operationsver­ stärkers 37 aufgehoben.

Damit am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 41 stets eine Spannung gleicher Polarität anliegt, wird Uref derart gewählt, daß die Mitte des Arbeitsbe­ reichs des Operationsverstärkers 37 in der Mitte des Eingangsspannungsbereichs des Analog-Digital-Wand­ lers 41, also beispielsweise bei 2,5 V liegt.

Mit Hilfe des im Mikrocomputer 25 gespeicherten Pro­ gramms wird regelmäßig abgefragt, ob die Eingangs­ spannung des Analog-Digital-Wandlers 41 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs von beispielsweise 2,4 V bis 2,6 V liegt. Stellt sich eine Spannung unterhalb dieses Bereichs ein, so kann auf eine Unterbrechung geschlossen werden, während eine Spannung oberhalb dieses Bereichs einen Kurzschluß anzeigt.

Danach wird die Stromrichtung durch die Last 12 (Fig. 1) kurzzeitig geändert, wozu der Mikrocomputer 25 kurzzeitig die Signale an den Ausgängen 21, 22 vertauscht. Wird bei beiden Stromrichtungen der gleiche Fehler gemeldet, so handelt es sich um einen Fehler in der Last 12 oder in der Zuleitung. Tritt jedoch der Fehler nur bei einer Stromrichtung auf, so kann auf einen entsprechenden Fehler in der End­ stufe geschlossen werden. Die den Operationsverstär­ kern zugeführten Spannungen sollen möglichst genau dem jeweiligen Teil der den Anschlüssen 26, 27, 28 zugeführten Spannungen entsprechen. Um dieses mit hochohmigen Spannungsteilern zu ermöglichen, die wiederum die Endstufe und die steuerbare Stromquelle nicht zu hoch belasten, werden als Operationsverstär­ ker vorzugsweise C-MOS-Typen verwendet.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung einer Brückenendstufe, welche in Reihe mit einer steuerbaren Stromquelle mit den Anschlüssen einer Betriebsspannungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Span­ nung über der Brückenendstufe (1, 2, 3, 4) und der Spannungsabfall an einem Strommeßwiderstand (7) einer Subtraktionsschaltung (37) zugeführt sind, daß der Ausgang der Subtraktionsschaltung (37) über einen Analog-Di­ gital-Wandler (41) mit einem Eingang eines Mikrocom­ puters (25) verbunden ist und daß ein Programm vorge­ sehen ist, mit dem geprüft wird, ob der Spannungs­ wert am Eingang des Mikrocomputers (25) innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung und die Spannung über der steuerbaren Stromquelle (6 bis 11) einer weiteren Subtraktionsschaltung (31) zugeführt sind, deren Ausgang mit einem Eingang der Subtrak­ tionsschaltung (37) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen über Span­ nungsteiler (29, 30; 33, 34; 36, 39) der Subtrak­ tionsschaltung (37) bzw. den Subtraktionsschaltungen (31, 37) zugeführt sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionsschal­ tungen (31, 37) jeweils von einem gegengekoppelten Operationsverstärker gebildet werden.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Brücken­ zweige aus je zwei Transistoren (1, 2; 3, 4) beste­ hen, deren Basis-Emitter-Strecken in Reihe geschal­ tet sind und deren Basisanschlüsse über je einen Widerstand (13, 14; 15, 16) mit dem Kollektor eines Treibertransistors (17, 18) verbunden sind, daß bei­ de Brückenzweige zwischen dem einen Anschluß (5) der Betriebsspannungsquelle und dem Ausgang der steuer­ baren Stromquelle (6 bis 11) angeordnet sind und daß die Verbindungspunkte der jeweils zu einem Brücken­ zweig gehörenden Transistoren (1, 2; 3, 4) den Aus­ gang der Brückenendstufe bilden.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisanschlüsse beider Trei­ bertransistoren (17, 18) mit je einem Ausgang (21, 22) des Mikrocomputers (25) verbunden sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle von einem weiteren Transistor (6) gebildet wird, dessen Kollektor der Ausgang der steuerbaren Stromquelle ist und dessen Emitter über einen Strommeßwiderstand (7) mit dem anderen Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden ist, und daß ein Differenzverstärker (9) vorgesehen ist, dessen Ausgang mit der Basis des weiteren Transistors (6) verbunden ist und dessen invertierendem Eingang die Spannung am Strommeßwider­ stand (7) und dessen nichtinvertierendem Eingang eine Steuerspannung zuführbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander beide Treibertransistoren (17, 18) vom Mikrocomputer (25) in den leitenden Zustand gesteuert werden, wenn der Spannungswert am Eingang des Mikrocomputers (25) außerhalb des vorgegebenen Bereichs ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Mikrocompu­ ter (25) mindestens ein weiteres Programm gespei­ chert ist und daß der Ausgang der Brückenendstufe mit einem Stellglied verbunden ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (31, 37) in C-MOS-Technik hergestellt sind.