DE3801776A1 - Protection circuit for a load resistor (load), which is connected to a motor vehicle battery, and its switching output stage - Google Patents

Protection circuit for a load resistor (load), which is connected to a motor vehicle battery, and its switching output stage

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Abstract

The invention relates to a circuit for protection especially of an electric motor which is fed from the battery of a motor vehicle, and of a switching output stage, which is connected in series with the electric motor, in the form of an MOS field-effect transistor which is just compatible with the high starting current of the electric motor but becomes irreversibly conductive if a heavy current is applied for a longer period. This protection circuit contains a comparator at whose sampling terminal a voltage appears which is proportional to the current flow through the switching output stage. If excessive current consumption is perceived, the comparator feeds to the gate electrode of the MOS field-effect transistor an inhibiting signal to interrupt the current flow. This inhibiting signal is suppressed with the aid of a switching transistor, which is a component of a delay element, during the time period of the heavy starting current caused by the electric motor. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz eines an einer Kraftfahrzeug-Batterie angeschlossenen Verbrauchers und eines diesem nachgeschalteten, als Schaltendstufe benutzten MOS-Feldeffekt-Transistors vor Überströmen.The invention relates to a circuit for protecting one at a Motor vehicle battery connected consumer and one this downstream MOS field effect transistor used as a switching output stage from overflows.

Es ist eine Schaltanordnung zum Überlastungsschutz der Starterbatterie von Kraftfahrzeugen bekannt, an der ein Operations-Verstärker angeschlossen ist, der den während des Startvorganges eintretenden Spannungsabfall feststellt und beim Unter- oder Überschreiten eines Sollwertes ein im Zündstromkreis liegendes Schaltglied ansteuert, das einen vom Fahrbetrieb gesteuerten Schalter überbrückt. Mit dem Schaltglied steht ein Zeitglied in Verbindung, das seine Schließdauer von z. B. 15 Minuten festlegt. Während dieser Zeitspanne ist wegen der unzureichenden Ladung der Starterbatterie der vom Fahrbetrieb gesteuerte Schalter unwirksam gemacht, damit die Starterbatterie strömungslos nachgeladen werden kann. Der in dieser Schaltanordnung benutzte Operationsverstärker stellt eine Art Komparator dar, der den Spannungsabfall an der Starterbatterie mit einer zuvor eingestellten Sollspannung vergleicht. It is a circuit arrangement for overload protection of the starter battery known from motor vehicles on which an operational amplifier is connected to the during the startup process detected voltage drop and the lower or A setpoint is exceeded in the ignition circuit controls lying switching element, which is controlled by driving operation Switch bridged. With the switching element is a Timer in connection that its closing time of z. B. 15 minutes specifies. During this period is due to insufficient Charging the starter battery controlled by driving Switch disabled so that the starter battery is de-energized can be reloaded. The one used in this circuit arrangement Operational amplifier is a kind of comparator that the Voltage drop on the starter battery with a previously set one Compare target voltage.  

Während von der zuvor erläuterten Schaltanordnung die Starterbatterie unmittelbar vor einer übermäßigen Stromentnahme geschützt wird, ist auch ein indirekter Schutz mit Hilfe eines Strommeßshunts bekannt, von dem der der Kraftfahrzeug-Batterie entnommene Strom ständig abgefühlt wird. Wenn eine maximal zulässige Stromstärke überschritten wird, wird von der den Strom abfühlenden Einrichtung ein Schutzschalter geöffnet und der der Batterie entnommene Strom unterbrochen.While from the switching arrangement explained above, the starter battery immediately protected from excessive current draw is also indirect protection with the help of a current measuring shunt known from which the motor vehicle battery is removed Electricity is constantly being sensed. If a maximum permissible current is exceeded by the current sensing A safety switch is opened and the one removed from the battery Electricity interrupted.

Selbst wenn eine solche Einrichtung recht empfindlich und schnell reagieren würde, verliert doch die Batterie als Folge der am Stommeßshunt ständig anliegenden Spannung etwas Strom, der zu einer unerwünschten Entladung der Batterie beiträgt.Even if such a facility is quite sensitive and quick would react, as the battery loses as a result of the Stommeßshunt constantly applied voltage some current, too contributes to undesired discharge of the battery.

Schließlich ist es bekannt, zur Ein- bzw. Abschaltung eines an der Kraftfahrzeug-Batterie angeschlossenen Verbrauchers, z. B. einer Glühlampe oder des Einspritzventils einen sog. MOSFET (=Metalloxid-Silizium-Feldeffekt-Transistor) zu benutzen, an dessen Torelektrode ein Einschaltsignal als Spannungsimpuls von 5 V angelegt wird.Finally, it is known to turn an on or off the motor vehicle battery connected consumer, for. B. an incandescent lamp or the injection valve a so-called MOSFET (= metal oxide silicon field effect transistor) to use at its Gate electrode applied a switch-on signal as a voltage pulse of 5 V. becomes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst verlustlos arbeitende Schaltung zur Unterbrechung des dem MOS-Feldeffekt-Transistor zugeführten Stromes aus der Kraftfahrzeug-Batterie bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes anzugeben.The invention has for its object to be as lossless as possible working circuit to interrupt the MOS field effect transistor supplied current from the motor vehicle battery Specify exceeding a predetermined threshold.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Spannungskomparator mit seiner einen Eingangsklemme über einen hochohmigen Widerstand zwischen dem Verbraucher und der Zugelektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors und mit seiner anderen Eingangsklemme an einer konstanten Spannungsquelle angeschlossen ist, deren Spannung durch die Widerstände des Verbrauchers und des im Einschaltzustand befindlichen MOS-Feldeffekt-Transistors zwischen dessen Zug- und Quellenelektrode festgelegt ist, und daß die Ausgangsklemme des Komparators an der Torelektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors über ein Verzögerungsglied angeschlossen ist, von dem bei einer anfänglich auftretenden Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangsklemmen das über die Ausgangsklemme des Komparators abgegebene Sperrsignal kurzzeitig verzögert wird.This object is achieved in that a voltage comparator with its one input terminal over a high impedance Resistance between the consumer and the pull electrode of the MOS field effect transistor and with its other input terminal is connected to a constant voltage source, whose voltage through the resistances of the consumer and the in the on state MOS field effect transistor between whose pull and source electrode is fixed, and that  the output terminal of the comparator on the gate electrode of the MOS field-effect transistor connected via a delay element from that at an initially occurring voltage difference between the two input terminals via the output terminal of the comparator locking signal is briefly delayed.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Verzögerungsglied einen Schalttransistor enthalten, dessen Kollektor zwischen der Torelektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors und deren hochohmigen Eingangswiderstand und dessen Emitter an der Ausgangsklemme des Komparators liegt, und daß der Torelektrode des Schalttransistors zur Vorgabe der Verzögerungszeit ein weiterer zum ersten paralleler Eingangswiderstand und ein an Masse liegender Kondensator vorgeschaltet sind.In a development of the invention, the delay element can be a Switching transistor included, the collector between the gate electrode of the MOS field-effect transistor and their high-resistance Input resistor and its emitter on the output terminal of the Comparator lies, and that the gate electrode of the switching transistor to specify the delay time another one for the first parallel input resistance and a capacitor connected to ground are upstream.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem einzigen Schaltbild dargestellt und wird im folgenden ausführlich erläutert. An embodiment of the invention is in the single circuit diagram shown and is explained in detail below.  

Wie bereits erwähnt, ist die folgende grundlegende Schaltung zur Stromversorgung eines Verbrauchers R L mit einem Widerstand von 12 Ohm sowie einer Freilaufdiode D₁ durch eine Kraftfahrzeug-Batterie bekannt, die in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Ladezustand eine Spannung U Batt zwischen 8 und 18 V liefert. An der Verbindung zwischen dem Verbraucher R L und der Freilaufdiode D₁ ist die Zugelektrode D eines MOS-Feldeffekt-Transistors 10 angeschlossen, dessen Quellenelektrode S an Masse liegt. Dieser MOS-Feldeffekt-Transistor 10 stellt eine Schaltendstufe zwischen der Zug- und Quellenelektrode D und S dar, deren Innenwiderstand R DSon im Leitungszustand 85 mOhm beträgt, der der eine Schaltzustand der Schaltendstufe ist, der durch die Anlegung einer Schaltspannung E von 5 V an einen hochohmigen Widerstand R₄ von 47 kOhm der Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistor 10 bewirkt wird. Im anderen Schaltzustand, dem Sperrzustand des MOS-Feldeffekt-Transistors 10, in dem die Zugelektrode D gegen die Quellenelektrode S isoliert ist, tritt an die Stelle der Schaltspannung E das Massenpotential.As already mentioned, the following basic circuit for supplying power to a consumer R L with a resistance of 12 ohms and a free-wheeling diode D 1 by a motor vehicle battery is known, which supplies a voltage U Batt between 8 and 18 V depending on its respective charge state . At the connection between the consumer R L and the freewheeling diode D ₁, the pull electrode D of a MOS field-effect transistor 10 is connected, the source electrode S is grounded. This MOS field-effect transistor 10 represents a switching output stage between the pull and source electrodes D and S , the internal resistance R DSon of which is 85 mOhm in the conduction state, which is the switching state of the switching output stage which is applied by applying a switching voltage E of 5 V. a high impedance R ₄ of 47 kOhm of the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 is effected. In the other switching state, the blocking state of the MOS field-effect transistor 10 , in which the pull electrode D is insulated from the source electrode S , the switching potential E is replaced by the ground potential.

Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Verbraucher R L und der Zugelektrode D des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 über einen hochohmigen Widerstand R₅ von 220 kOhm die eine Eingangsklemme - eines Komparators IC angeschlossen, während an der anderen Eingangsklemme + des Komparators IC eine feste Spannung U + von 0,126 V anliegt, die gemäß der folgenden Gleichung errechnet wird:According to the invention, one input terminal - of a comparator IC is connected between the consumer R L and the pull electrode D of the MOS field-effect transistor 10 via a high-resistance resistor R ₅ of 220 kOhm, while a fixed voltage is connected to the other input terminal + of the comparator IC U + of 0.126 V is present, which is calculated according to the following equation:

In dieser Gleichung bedeuten der maximale Widerstand zwischen der Zug- und Quellenelektrode D und S des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 im Leitungszustand, der kleinste Widerstand des Verbrauchers R L von 12 Ohm und die bereits erwähnte maximale Spannung der Batterie von 18 V.In this equation, the maximum resistance between the pull and source electrodes D and S of the MOS field-effect transistor 10 in the conductive state means the lowest resistance of the consumer R L of 12 ohms and the aforementioned maximum voltage of the battery of 18 V.

Die Betriebsspannung des Komparators IC selbst beträgt 7,5 V. Von dem Ausgangstransistor (nicht gezeigt) des Komparators IC kann über den Emitter und Kollektor eines Schalttransistors T₁, wenn sich dieser im Leitungszustand befindet, die Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 an Masse gelegt werden, zu der ebenso von der Masse durch einen Gleichrichter D₂ eine Verbindung besteht. An der Torelektrode des Schalttransistors T₁ kann über einen zum ersten Eingangswiderstand R₄ parallelen Eingangswiderstand R₃ von 71 kOhm die Schaltspannung E angelegt werden, von der ein zwischen der Torelektrode des Schalttransistors T₁ und der Masse angeschlossener Kondensator C₁ mit einer Kapazität von 10 nF aufgeladen werden kann.The operating voltage of the comparator IC itself is 7.5 V. From the output transistor (not shown) of the comparator IC can, via the emitter and collector of a switching transistor T ₁, when it is in the conducting state, the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 be connected to ground, to which there is also a connection from the ground through a rectifier D ₂. At the gate electrode of the switching transistor T ₁ can be applied via a parallel to the first input resistor R ₄ input resistance R ₃ of 71 kOhm, the switching voltage E , of which a capacitor C ₁ connected between the gate electrode of the switching transistor T ₁ and the ground with a capacitance of 10 nF can be charged.

Zur Erzeugung der bereits genannten Spannung U + von fester Größe an der Eingangsklemme + des Komparators IC dient ein gesonderter Spannungsteiler mit Widerständen R₂ und R₁ zwischen einer eine konstante Spannung von z. B. 5 V führenden Klemme 12 und Masse.To generate the above-mentioned voltage U + of fixed size at the input terminal + of the comparator IC is a separate voltage divider with resistors R ₂ and R ₁ between a constant voltage of z. B. 5 V leading terminal 12 and ground.

Innerhalb der soweit erläuterten Schaltung bilden der zweite Eingangswiderstand R₃, der Kondensator C₁ und der Schalttransistor T₁ ein Verzögerungsglied, das die Aufgabe hat, einen kurzzeitig auftretenden starken Strom, z. B. den Anlaufstrom eines Elektromotors, der auch den Verbraucher R L darstellen kann, durch den MOS-Feldeffekt-Transistor 10 hindurchgehen zu lassen. Wegen der sehr kurzen Zeitspanne, in der ein solch starker Strom wirksam sein kann, kommt es innerhalb des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 zu keiner wesentlichen Wärmeentwicklung, die seine Halbleiterschichten schädigen könnte. Von erheblicher Bedeutung ist dabei die Dimensionierung der Komponenten des Verzögerungsgliedes. Within the circuit explained so far, the second input resistor R ₃, the capacitor C ₁ and the switching transistor T ₁ form a delay element, which has the task of a briefly occurring strong current, for. B. let the starting current of an electric motor, which can also represent the consumer R L , pass through the MOS field-effect transistor 10 . Because of the very short time span in which such a strong current can be effective, there is no significant heat development within the MOS field-effect transistor 10 which could damage its semiconductor layers. The dimensioning of the components of the delay element is of considerable importance.

Sobald der Komparator IC eine Ungleichheit zwischen den Spannungen an seinen Eingangsklemmen - und + wahrnimmt, was eine zu hohe Stromstärke am Eingang der Zugelektrode D des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 anzeigt, legt der Ausgangstransistor (nicht gezeigt) des Komparators IC die Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 über den normalerweise leitenden Schalttransistor T₁ an Masse, wodurch der Fluß des zu starken Stromes über die Zug- und Quellenelektrode D und S des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 unterbrochen wird. Nur unter der speziellen Bedingung, daß der in Form eines Elektromotors vorliegende Verbraucher R L und die Schaltspannung E gleichzeitig eingeschaltet werden, wird das genannte Verzögerungsglied wirksam nämlich in der Weise, daß der Schalttransistor T₁ während der Verzögerungszeitspanne gesperrt bleibt; dies hat zur Folge, daß die Verbindung zwischen der Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 und dem Komparator IC, oder genauer gesagt, und der an ihm liegenden Masse kurzzeitig noch unterbrochen bleibt und der mit dem Anlegen der Schaltspannung E leitend gewordene MOS-Feldeffekt-Transistors 10 den Anlaufstrom des Elektromotors zur Masse hindurchgehen läßt. Da normalerweise nach dem Ablauf der Verzögerungszeitspanne der vom Elektromotor verbrauchte Strom einen mäßigen Wert angenommen hat, was der Komparator IC als Gleichheit der an seinen Eingangsklemmen + und - auftretenden Spannungen wahrnimmt, bleibt der MOS-Feldeffekt-Transistor 10 wegen der Unwirksamkeit des Komparators IC weiterhin leitend. In der Folgezeit überwacht dann der Komparator IC die Stärke des durch den MOS-Feldeffekt-Transistor 10 hindurchgehenden Stromes. Der Gleichrichter D₂ dient dabei lediglich der Stabilisierung der an der Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 angelegten Spannung.As soon as the comparator IC perceives an inequality between the voltages at its input terminals - and +, which indicates an excessive current at the input of the pull electrode D of the MOS field-effect transistor 10 , the output transistor (not shown) of the comparator IC sets the gate electrode T des MOS field-effect transistor 10 through the normally conductive switching transistor T ₁ to ground, whereby the flow of excessive current through the pull and source electrodes D and S of the MOS field-effect transistor 10 is interrupted. Only under the special condition that the consumer in the form of an electric motor R L and the switching voltage E are turned on at the same time, said delay element becomes effective namely in such a way that the switching transistor T ₁ remains blocked during the delay period; This has the consequence that the connection between the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 and the comparator IC , or more precisely, and the ground connected to it remains briefly interrupted and the MOS- which has become conductive when the switching voltage E is applied. Field-effect transistor 10 allows the starting current of the electric motor to go through to ground. Since normally after the delay time has elapsed, the current consumed by the electric motor has assumed a moderate value, which the comparator IC perceives as the equality of the voltages occurring at its input terminals + and -, the MOS field-effect transistor 10 remains because of the ineffectiveness of the comparator IC conductive. Subsequently, the comparator IC then monitors the strength of the current passing through the MOS field-effect transistor 10 . The rectifier D 2 serves only to stabilize the voltage applied to the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 .

Claims (3)

1. Schaltung zum Schutz eines an einer Kraftfahrzeug-Batterie angeschlossenen Verbrauchers und eines diesem nachgeschalteten, als Schaltendstufe benutzten MOS-Feldeffekt-Transistors vor Überströmen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungskomparator (IC) mit seiner einen Eingangsklemme (-) über einen hochohmigen Widerstand (R₅) zwischen dem Verbraucher (R L) und der Zugelektrode (D) des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 und mit seiner anderen Eingangsklemme (+) an einer konstanten Spannungsquelle (12) angeschlossen ist, deren Spannung durch die Widerstände des Verbrauchers (R L) und des im Einschaltzustand befindlichen MOS-Feldeffekt-Transistors 10 zwischen dessen Zug- und Quellenelektrode (D und S) festgelegt ist, und daß die Ausgangsklemme des Komparators (IC) an der Torelektrode (T) des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 über ein Verzögerungsglied (R₃, C₁, T₁) angeschlossen ist, von dem bei einer anfänglich auftretenden Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingangsklemmen (-, +) das über die Ausgangsklemme des Komparators (IC) abgegebene Sperrsignal kurzzeitig verzögert wird.1. Circuit for protecting a consumer connected to a motor vehicle battery and a downstream MOS field-effect transistor used as a switching output stage against overcurrents, characterized in that a voltage comparator (IC) with its one input terminal (-) via a high-resistance resistor ( R ₅) between the consumer (R L ) and the pull electrode (D) of the MOS field-effect transistor 10 and with its other input terminal ( +) is connected to a constant voltage source ( 12 ) whose voltage is determined by the resistances of the consumer (R L ) and the switched-on MOS field-effect transistor 10 is fixed between its pull and source electrodes (D and S) , and that the output terminal of the comparator (IC) on the gate electrode (T) of the MOS field-effect transistor 10 via a delay element (R ₃, C ₁, T ₁) is connected, of which at an initially occurring voltage difference between the two input terminals (-, +) the blocking signal emitted via the output terminal of the comparator (IC) is briefly delayed. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (R₃, C₁, T₁) einen Schalttransistor (T₁) enthält, dessen Kollektor zwischen der Torelektrode (T) des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 und deren hochohmigen Eingangswiderstand (R₄) und dessen Emitter an der Ausgangsklemme des Komparators (IC) liegt, und daß der Torelektrode des Schalttransistors (T₁) zur Vorgabe der Verzögerungszeit ein weiterer zum ersten (R₄) paralleler Eingangswiderstand (R₃) und ein an Masse liegender Kondensator (C₁) vorgeschaltet sind.2. Circuit according to claim 1, characterized in that the delay element (R ₃, C ₁, T ₁) contains a switching transistor (T ₁), the collector between the gate electrode (T) of the MOS field-effect transistor 10 and its high-impedance input resistance (R ₄) and its emitter on the output terminal of the comparator (IC) , and that the gate electrode of the switching transistor (T ₁) to specify the delay time another parallel to the first (R ₄) input resistor (R ₃) and one connected to ground Capacitor (C ₁) are connected upstream. 3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Stabilisierung zwischen Masse und der Torelektrode (T) des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 ein Gleichrichter (D₂) angeschlossen ist.3. A circuit according to claim 2, characterized in that a rectifier (D ₂) is connected for the purpose of stabilization between ground and the gate electrode (T) of the MOS field-effect transistor 10 .
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