DE3815604C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsschaltung für eine Lampe mit niedrigem Kaltwiderstand.

Lampen, in denen das abgestrahlte Licht dadurch erzeugt wird, daß durch einen Widerstandsfaden ein Strom geschickt wird, der den Faden bis zur Weißglut erhitzt, haben im nicht eingeschalteten Zustand einen niedrigen Kaltwiderstand, der beispielsweise nur 10% des im glühenden Zustand vorhandenen Widerstandes hat. Eine solche Lampe täuscht im Moment des Einschaltens einen Kurzschluß vor, so daß im Einschaltzeitpunkt ein relativ hoher Strom zu fließen beginnt. Der gleiche Fall tritt jedoch auch dann ein, wenn parallel zu der Lampe ein Kurzschluß vorhanden ist, wobei dieser Fall dann allerdings in vielen Fällen zur Zerstörung der den Betriebsstrom liefernden Quelle oder zumindest von Bauelementen dieser Quelle führt.

In einer bekannten Stromversorgungsschaltung sind Maßnahmen vorgesehen, mit deren Hilfe der hohe Einschaltstrom geliefert werden kann, wobei jedoch trotzdem im Falle eines Kurzschlusses ein Schutzmechanismus zum Einsatz kommt. Diese bekannte Schaltung enthält als wesentlichen Bestandteil eine von der Firma Thomson Semiconductor hergestellte integrierte Schaltung des Typs UAF 1780. Dieser Baustein enthält eine sehr aufwendige Schaltungsanordnung, die überdies eine umfangreiche externe Beschaltung erfordert. Im Baustein ist ein Gleichspannungswandler enthalten, der als externe Bauelemente eine Spule und einen Elektrolyt­ kondensator benötigt. Der maximale Ausgangsstrom, der der einzuschaltenden Lampe zugeführt wird, kann mit einem externen Widerstand eingestellt werden. Mit einem ebenfalls extern anzuschließenden Kondensator wird eine Verzögerungszeit eingestellt. Wird im Kurzschlußfall der eingestellte Strom überschritten, dann wird nach Ablauf der Verzögerungszeit der Ausgang stromlos geschaltet. Dies bedeutet, daß bei der bekannten Schaltung das Erkennen des Kurzschlußfalls ausschließlich zeitabhängig erfolgt, so daß im Kurzschlußfall vor Ablauf der fest eingestellten Verzögerungszeit in jedem Fall der hohe Kurzschlußstrom durch den Treibertransistor fließt. Dies kann unter ungünstigen Umständen zu einer Zerstörung des Treibertransistors führen.

Aus der EP 00 51 854 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, mit der über einen Leistungstransistor eine Lampe angesteuert werden kann. Diese Schaltungsanordnung hat die Fähigkeit, im Lampenstromkreis Kurzschlüsse oder Unterbrechungen zu erkennen. Sie bringt eine Lampe zum Aufleuchten, wenn kein Fehler vorhanden ist. Es sind jedoch keine Maßnahmen vorgesehen, die die Schaltungsanordnung selbst schützen, wenn im Lampenstromkreis ein Kurzschluß auftreten sollte, der das Fließen eines übermäßig großen Stroms im Leistungstransistor der Schaltungsanordnung zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungsschaltung für eine Lampe mit niedrigem Kaltwiderstand zu schaffen, die bei geringem Schaltungsaufwand eine nicht zeitabhängige Kurz­ schlußerkennung ermöglicht.

In einer Stromversorgungsschaltung für eine Lampe mit niedrigem Kaltwiderstand wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dabei basiert die Funktion ausschließlich auf einem Spannungsvergleich, was bedeutet, daß die Kurzschlußerkennung nicht mehr von fest eingestellten Zeitintervallen abhängt, sondern ausschließlich von der Erkennung des Überschreitens vorbestimmter Spannungsdifferenzen. Je niederohmiger der Kurzschluß ist und je höher die Betriebsspannung ist, desto früher wird der Kurzschluß erkannt und das den Leistungstransistor abschaltende Sperrsignal geliefert. Da ein Komparator Spannungen vergleicht, die letztendlich von der vorhandenen Betriebsspannung abgeleitet sind, bewirken kurzzeitige Spannungsspitzen der Betriebs­ spannung keine Abschaltung des Leistungstransistors, solange die Spannungen nicht so groß werden, daß sie zu einer Zerstörung des Leistungstransistors führen könnten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Insbesondere ist gemäß Unteranspruch 5 vorgesehen, daß die Stromversorgungsschaltung mit Ausnahme des RC-Gliedes als integrierte Schaltung ausgebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die ein zum Teil als Block­ schaltbild ausgeführtes Schaltungsdiagramm der erfindungsgemäßen Treiberschaltung zeigt.

Die zu beschreibende Stromversorgungsschaltung 10 ist dazu bestimmt, eine beispielsweise am Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs angebrachte Lampe 12, die im nicht eingeschalteten Zustand einen niedrigen ohmschen Kaltwiderstand hat, mit Strom zu versorgen. Alle der innerhalb der gestrichelten Linie 14 gezeichneten Teile der Treiberschaltung 10 können in einer integrierten Schaltung untergebracht werden; als externe Schaltungselemente werden dann lediglich ein Widerstand R1 und ein Kondensator C benötigt.

Die Stromversorgungsschaltung 10 weist fünf Anschlüsse P1, P2, P3, P4 und P5 auf. Mit den Anschlüssen P1 und P2 wird die Ver­ sorgungsspannungsquelle verbunden, wobei der Anschluß P1 mit deren positiver Klemme und der Anschluß P2 mit deren Masse­ klemme verbunden wird. Im geschilderten Anmeldungsbeispiel handelt es sich bei der Versorgungsspannungsquelle um die Batterie eines Kraftfahrzeugs. Die Lampe 12 liegt zwischen dem Anschluß P1 und dem Anschluß P3. Der Anschluß P4 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C und dem Widerstand R1 verbunden, wobei der Kondensator C und der Widerstand R1 in Serie zwischen der positiven Klemme der Versorgungsspannungsquelle und Masse liegen. Das Ein- und Ausschalten der Lampe 12 kann mittels eines mit dem Anschluß P5 verbundenen Schalter 16 gesteuert werden. Im folgenden Beispiel ist die Lampe 12 ausgeschaltet, wenn am Anschluß P5 ein Signal mit dem Massewert liegt.

Die Stromversorgungsschaltung 10 ist folgendermaßen aufgebaut:

Es sind zwei schematisch dargestellte Stromquellen 18 und 20 vorgesehen, die mit Hilfe des dem Anschluß P5 zugeführten Signals eingeschaltet werden können. Solange am Anschluß P5 kein Signal mit dem Massewert anliegt, sind die Stromquellen 18 und 20 unwirksam, während sie mit Hilfe des Massesignals am Anschluß P5 aktiviert werden können. Die Lampe 12 wird eingeschaltet, indem die Stromquellen 18 und 20 ausgeschal­ tet werden. Die Stromquelle 18 liegt zwischen dem Anschluß P1 und einer Leitung 22, während die Stromquelle 20 zwischen dem Anschluß P1 und einem Steuereingang 24 eines Operations­ verstärkers 26 liegt. Der Operationsverstärker 26 gibt an seinem Ausgang 28 eine Spannung ab, deren Größe von der sei­ nem Eingang 30 zugeführten Spannung abhängt. Diese Span­ nungsabgabe erfolgt jedoch nur, wenn die Stromquelle 20 un­ wirksam ist, also dem Steuereingang 24 ein entsprechendes Aktivierungssignal zuführt. Der Basisstrom des Transistors T5 wird bestimmt durch den Widerstand R8, dem die Ausgangs­ spannung 28 des Operationsverstärkers 26 zugeführt ist.

Die dem Eingang 30 des Operationsverstärkers 26 zugeführte Spannung wird unter anderem von einem Stromspiegel erzeugt, der den Widerstand R2 und die Transistoren T1, T2 und T3 um­ faßt. Dieser Stromspiegel erzeugt gemäß seiner bekannten Funktion in der Kollektorleitung des Transistors T3 den gleichen Strom, der auch in der Kollektorleitung des Tran­ sistors T2 fließt, der wiederum vom Transistor T1 und vom Widerstand R 2 bestimmt wird. Da die Basis des Transistors T1 mit einer Leitung 32 verbunden ist, kann der durch ihn fließende Strom durch die Spannung an dieser Leitung 32 be­ stimmt werden. Dadurch bestimmt die Spannung an der Leitung 32 auch den vom Stromspiegel in den Spannungsteiler R 3, R4 eingeprägten Strom und somit die Spannung am Widerstand R4, also auch die Spannung am Eingang 30 des Operationsverstär­ kers 26. Außerdem wird die diesem Eingang 30 zugeführte Spannung von der Ausgangsspannung einer stabilisierten Spannungsquelle 34 bestimmt, deren Ausgangsspannung einen Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 zugeführt wird. Der Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist mit dem Eingang 30 des Operationsverstärkers 26 verbunden.

Der Ausgang der Spannungsquelle 34 ist in einem weiteren Spannungsteiler aus Widerständen R5 und R6 verbunden, deren Verbindungspunkt mit der Basis eines Transistors T4 verbun­ den ist, dessen Emitter mit der Leitung 32 und dessen Kol­ lektor mit dem Anschluß P1 in Verbindung steht. Die Leitung 32 ist über einen Widerstand R7 mit der Leitung 22 verbun­ den.

Am Ausgang 28 des Operationsverstärkers 26 ist ein Span­ nungsteiler aus Widerständen R8 und R9 angeschlossen. Der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände steht mit der Ba­ sis eines Transistors T5 in Verbindung, dessen Emitter mit dem Anschluß P2 und dessen Kollektor mit dem Anschluß P3 verbunden ist. Der Anschluß P3 ist ferner mit einem Eingang 36 eines Komparators 38 verbunden, der einen zweiten, mit der Leitung 32 verbundenen Eingang 40 aufweist. Der Ausgang dieses Komparators 38 steht mit dem Steuereingang 24 des Operationsverstärkers 26 in Verbindung.

Bei der anschließenden Schilderung der Wirkungsweise der Schaltung sei angenommen, daß die Lampe 12 einge­ schaltet werden soll und daß kein Kurzschluß parallel zur Lampe vorhanden ist. Wie bereits erwähnt wurde, wird die Lampe 12 eingeschaltet, indem der Anschluß P5 von Masse ab­ getrennt wird.

Im Ruhezustand liegt am Anschluß P1 eine positive Spannung von +12V an, also die üblicherweise vorhandene Spannung ei­ ner Kraftfahrzeugbatterie. Der Kondensator C ist entladen, was auf die Wirkung der Stromquelle 18 zurückzuführen ist. Der Operationsverstärker 26 liefert keine Ausgangsspannung, weil er an seinem Steuereingang Strom aus der Stromquelle 20 erhält, so daß auch der Transistor T5 gesperrt bleibt. Wenn nun die Lampe 12 zum Aufleuchten gebracht werden soll, wird der Schalter 16 geöffnet, so daß der Anschluß P5 hochohmig geschaltet wird. Die Schaltung soll einem Mikropro­ zessor das Ansteuern einer Lampe ermöglichen (z.B. der Ausfall­ warnleuchte eines Antiblockiersystems, einer Ölstandswarn­ lampe oder dgl.).

Das Abtrennen des Anschlusses P5 von Masse hat zur Folge, daß die Entladewirkung der Stromquelle 18 aufhört, so daß der Kondensator C mit einer durch seinen Kapazitätswert und durch den Wert des Widerstandes R1 bestimmten Zeitkonstanten aufgeladen wird. Das Aufladen des Kondensators C bewirkt, daß die Spannung am Anschluß P4 in Richtung zum Massewert abzusinken beginnt.

Durch den Transistor T4, dessen Basisspannung mit Hilfe des von der stabilisierten Spannungsquelle 34 gespeisten Span­ nungsteilers R5, R6 festgelegt ist, wird der Spannungswert, auf den die Spannung an der Leitung 32 absinken kann, auf etwa 1V begrenzt, wobei dieser Spannungswert etwa 0,5 V po­ sitiver als die am Anschluß P3 auftretende Sättigungsspan­ nung des Transistors T5 ist.

Die Stromquelle 20 liefert nun keinen Strom an den Steuer­ eingang 24 des Operationsverstärkers 26, so daß dieser in den wirksamen Zustand versetzt wird. Am Eingang 30 empfängt der Operationsverstärker 26 zusätzlich zur Spannung, die aus der Spannungsquelle 34 des Spannungsteilers R3, R4 abgelei­ tet ist, eine Zusatzspannung durch den Strom, der vom Strom­ spiegel T1, T2, T3 in den Spannungsteiler R3, R4 in Abhän­ gigkeit von der Spannung an der Leitung 32 und somit von der Spannung am Widerstand R1 eingeprägt wird. Der Operations­ verstärker 26 erhält somit in diesem Stadium eine überhöhte Spannung, die dementsprechend auch zu einer überhöhten Aus­ gangsspannung am Ausgang 28 führt, die wiederum die Zufuhr von überhöhtem Basisstrom zum Transistor T5 zur Folge hat. Dies bewirkt das Durchschalten des Transistors T5 und das Fließen eines relativ hohen Kollektorstroms durch die Lampe 12, die daraufhin in den eingeschalteten Zustand versetzt wird. Nach Ablauf der Zeitkonstante von R1, C wird der Ba­ sisstrom für T5 nur noch aus der Spannung abgeleitet, die von der Spannungsquelle 34 dem Spannungsteiler R3, R4 einge­ prägt wird. Nach Ablauf der Zeitkonstante R1, C ist der Glühfaden der Lampe 12 erwärmt und hat somit seinen hoch­ ohmigen Warmwiderstand. Jetzt ist der reduzierte Betriebs­ strom ausreichend.

Beim Betrieb einer Stromversorgungsschaltung in einem Kraftfahrzeug kommt es häufig zu relativ hohen Spannungs­ spitzen der Versorgungsspannung. Diese Spannungsspitzen ha­ ben jedoch keine nachteiligen Auswirkungen, wie im folgenden erläutert wird. Falls eine Spannungsspitze in der Versor­ gungsspannung auftritt, steigt dementsprechend auch die Spannung am Anschlußpunkt des Kondensators C an. Der von dieser Spannung gesteuerte Stromspiegel aus den Transistoren T1, T2 und T3 liefert als Folge des Spannungsanstiegs mehr Strom an den Widerstand R4 und erhöht somit die Eingangs­ spannung des Operationsverstärkers 26. Dadurch erhöht sich der Basisstrom des Transistors T5, so daß dieser nicht so­ fort aus dem Sättigungszustand gerissen wird. Der gleichzei­ tige Anstieg der Spannung am Widerstand R1, also auch am Anschluß P4 verhindert ein Ansprechen der Kurzschlußabschal­ tung, da der Komparator 38 an seinen beiden Eingängen mit der erhöhten Spannung beaufschlagt wird. Die abfallende Flanke einer Spannungsspitze der Versorgungsspannung hat keine schädliche Auswirkung, weil die Begrenzung der Span­ nung an der Leitung 32 durch den Transistor T4 an dieser Leitung immer den Spannungswert von etwa 1V aufrechterhält.

Es wird nun der Fall untersucht, daß parallel zur Lampe bereits vor dem Einschalten ein Kurzschluß vorhanden ist. In der Praxis bedeutet ein Kurzschluß im Kraftfahrzeug einen Widerstand von 0 bis ca. 10 Ohm der parallel zur Lampe auf­ tritt, also zwischen der Kraftfahrzeugbatterie und dem An­ schluß P3. Ein solcher Kurzschluß würde bedeuten, daß der Anschlußpunkt P3 eine niederohmige Verbindung mit der posi­ tiven Klemme der Versorgungsspannungsquelle aufweist. Ein vorhandener Kurzschluß bedeutet, daß beim Einschalten die Kollektorspannung des Transistors T5 deutlich höher ist als seine Sättigungsspannung. Diese hohe Spannung am Anschluß P3 würde ohne Vorsehen der beschriebenen Schaltung zur Zerstö­ rung des Transistors T5 führen. Mit Hilfe der Zeitkonstan­ ten, die durch den Wert des Kondensators C und den Wert des Widerstandes R1 festgelegt wird, läßt sich festlegen, wie lange die hohe Spannung am Anschluß P3 vorhanden sein muß, ehe die Abschaltung des Transistors T5 bewirkt wird. Bei Vorliegen eines Kurzschlusses beginnt die Spannung am An­ schluß P4 nach dem Einschalten abzusinken, wobei das Absin­ ken solange stattfindet, bis die Begrenzung durch den Tran­ sistor T4 einsetzt, der die Spannung an der Leitung 32 auf 1V begrenzt. Die Spannung am Kollektor des Transistors T5 bleibt dagegen hoch, nämlich auf dem Wert, der durch den Kurzschlußwiderstand parallel zur Lampe 12 und den Kollek­ torstrom T5 bestimmt ist. Der Komparator 38 erkennt, daß die Spannung am Anschluß P3, also am Kollektor des Transistors T5 größer als die Spannung an der Leitung 32 ist, worauf er an seinem Ausgang ein Sperrsignal abgibt, das dem Steuer­ eingang 24 des Operationsverstärkers 26 zugeführt wird und dessen Abschaltung bewirkt. Der Operationsverstärker 26 stellt daraufhin die Stromabgabe ein, so daß der Transistor T5 gesperrt wird. Das Absinken der Spannung am Anschlußpunkt P4 bewirkt in jedem Fall über den Stromspiegel aus den Tran­ sistoren T1, T2 und T3 ein Absinken des dem Widerstand R4 zugeführten Stroms. Dieser Vorgang bewirkt ein Absinken der Spannung am Operationsverstärker 26 und somit eine Verringe­ rung des Basisstromes für den Transistor T5, die durch den geringeren Spannungsabfall am Widerstand R8 hervorgerufen wird, so daß der Ausgangsstrom des Transistors T5 dement­ sprechend kleiner wird. Die Kollektorspannung des Transi­ stors T5 wird dadurch noch erhöht. Im Kurzschlußfall ist diese Wirkung der Abschaltwirkung durch den Komparator 38 noch überlagert, so daß der Transistor T5 beschleunigt in den Sperrzustand versetzt wird. Die Sicherheit gegen eine Zerstörung des Transistors T5 wird dadurch noch verstärkt.

Tritt ein Kurzschluß auf, wenn die Lampe 12 bereits einge­ schaltet ist, dann steigt die Spannung am Kollektor des Transistors T5. Die Spannung am Anschluß P4 wird jedoch nicht verändert, was zur Folge hat, daß der Transistor T5 über den bereits beschriebenen Weg ausgeschaltet wird, so­ bald die Spannung am Komparatoreingang 36 positiver wird als die Spannung am Komparatoreingang 40 (also größer als 1 V). Die Zerstörung des Transistors T5 wird dadurch verhindert.

Die beschriebene Stromversorgungsschaltung arbeitet in einem großen Betriebsspannungsbereich einwandfrei, was insbesondere bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug von ausschlaggebender Bedeutung ist, da es bei diesem Anwendungsfall beispielswei­ se Betriebsspannungen im Bereich von 6, 5 bis 16 Volt geben kann. Die Schaltung bewirkt eine optimale Einschal­ tung der Lampe 12, wobei sichergestellt ist, daß bei vorhan­ denen Rückschlüssen oder bei Kurzschlüssen, die bereits vor dem Einschalten der Lampe 12 vorhanden sein können, oder auch erst im eingeschalteten Zustand der Lampe 12 auftreten, stets ein sicheres Abschalten des Transistors T5 erreicht wird.

Claims (5)

1. Stromversorgungsschaltung zum Einschalten von Lampen mit niedrigem Kaltwiderstand mit nicht zeitabhängiger Kurzschlußsicherung beim Einschalten und beim Betrieb der Lampe, mit einem Leistungstransistor (T5), dessen Kollektor-Emitterstrecke mit der Lampe (12) in einer Serienschaltung verbunden ist, die zwischen einer positiven Klemme und einer Masseklemme einer Versorgungsspannungsquelle liegt, und zum Einschalten der Lampe (12) niederohmig geschaltet wird, mit einem RC-Glied aus einem einseitig mit der Masseklemme verbundenen Widerstand (R1) und einem damit in Serie geschalteten, mit einem Anschluß einseitig mit der positiven Klemme der Versorgungsspannungsquelle verbundenen Kondensator (C), der mit seinem anderen Anschluß mit einer mit dem Ein- und Ausschalter der Lampe (12) schaltbaren Konstantstromquelle (18) verbunden ist, die ihn im Ruhezustand der Stromversorgungsschaltung entladen hält, einem Komparator (38), der die Spannung an dem anderen Anschluß des Kondensators (C) mit der Spannung am Verbindungspunkt zwischen der Lampe (12) und dem Leistungstransistor (T5) vergleicht und an seinem Ausgang ein Sperrsignal für den Leistungstransistor (T5) abgibt, wenn die Spannung am anderen Anschluß des Kondensators (C) negativer als die Spannung an dem Verbindungspunkt ist, und einem Begrenzungsglied (T4) zur Begrenzung der Spannung an den anderen Anschluß des Kondensators (C).

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgang des Komparators (38) mit einem Steuer­ eingang (24) eines den Leistungstransistor (T5) mit Basis­ strom versorgenden Operationsverstärkers (26) verbunden ist, der bei Auftreten des Sperrsignals die Basisstromzufuhr un­ terbricht.

3. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Operationsverstärker (26) mit einem unter Ver­ wendung einer stabilisierten Spannungsquelle (34) erzeugten Eingangsspannung gespeist wird.

4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Stromspiegelschaltung R2, T1, T2, T3) vorgesehen ist, die einen von der Spannung am Widerstand (R1) des RC-Glieds abhängigen Strom erzeugt und dem Operationsver­ stärker (26) zusätzlich zu dem unter Verwendung der stabi­ lisierten Spannungsquelle (34) erzeugten Eingangsspannung zuführt.

5. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Ausnahme des RC-Glieds als integrierte Schaltung ausgebildet ist.