DE3827881A1

DE3827881A1 - Schaltung zum ueberwachen elektrischer groessen einer spannungsversorgung

Info

Publication number: DE3827881A1
Application number: DE19883827881
Authority: DE
Inventors: Michael Scholz
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1988-08-17
Publication date: 1990-02-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Überwachen elektrischer Größen einer Spannungsversorgung nach der Gattung des Hauptanspruchs wie sie beispielsweise in der Raumfahrttechnik verwendet werden. Die Überwachungs schaltung hat die Aufgabe, die nachfolgende Elektronik nur mit spezifizier ten Strom- und Spannungswerten zu versorgen und bei Kurzschluß oder bei Spannungswerten die außerhalb eines spezifizierten Bereichs liegen, die Spannungsversorgung für die nachfolgende Elektronik definiert abzuschalten.

Es ist allgemein bekannt, daß Spannungsversorgungen zum Schutz der mit der Spannung versorgten nachfolgenden Elektronik auf die Einhaltung bestimmter elektrischer Größen überwacht werden. So wird z.B. die Spannung auf die Einhaltung eines bestimmten Spannungsbereichs überwacht. Wird dieser Span nungsbereich unter- oder überschritten, so wird die Spannungsversorgung über einen in den zum Verbraucher führenden, Versorgungsleitungen angeordne ten Schalter unterbrochen.

Oder die Spannungsversorgung wird auf Kurzschluß überwacht. Bei einer Kurz schlußüberwachung wird der Strom in den Versorgungsleitungen z.B. dadurch überwacht, daß der Spannungsabfall über einen in die Versorgungsleitungen eingeschalteten niederohmigen Widerstand gemessen wird. Übersteigt der Spannungsabfall eine bestimmte festgelegte Größe, so kann die Spannungsver sorgung ebenfalls über einen in die zum Verbraucher führenden, Versorgungs leitungen angeordneten Schalter unterbrochen werden.

Als Schalter können verschiedene Bauteile verwendet werden. In den letzten Jahren bietet sich die Verwendung von bipolaren Transistoren wegen ihrer großen Vorzüge, wie z. B. kleine Abmessungen, leistungsarme Steuerung, keine beweglichen Teile, immer mehr an. Da bipolare Transistoren nach längerer Einsatzzeit sehr kleine Stromverstärkungen aufweisen, ging man auf die Ver wendung von Darlington-Transistoren über. Bei diesen Transistoren stellte sich mit der Zeit heraus, daß die Restspannung der als Schalter benutzten leitenden Strecke des Darlington-Transistors mit dem Alter langsam an steigt. Da die als Schalter dienenden Transistoren in die zum Verbraucher führenden Versorgungsleitungen angeordnet sind, führt die sich langsam er höhende Restspannung der bipolaren Transistoren zu einer Erhöhung der Ver lustleistung und zu einer Erniedrigung des Wirkungsgrads der Spannungsver sorgung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überwachungsschaltung zu schaffen, bei der auch mit zunehmenden Alter, mit wenigen zusätzlichen Mitteln, die hohe Verlustleistung verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung.

Werden statt der bisher als Schalter verwendeten Darlington-Transistoren sogenannte Power Metall Oxid Semiconductor Feldeffekttransistoren (Power MOS Fet′s) verwendet, sinkt die Verlustleistung der Überwachungsschaltung erheblich ab. Bei Power MOS-Fet′s ist der Widerstand der in die Versorgungs leitung geschalteten Drain/Source-Strecke im durchgeschalteten Zustand und damit auch die Verlustleistung der Überwachungsschaltung sehr gering.

Auch bei Power MOS-Fet′s steigt der Widerstand der Drain/Source-Strecke mit der Einsatzzeit langsam an, jedoch wird auch gegen Ende seiner "Lebenszeit" nur ein kleiner Teil der Einschaltverluste erreicht, die ein Darlington- Transistor zu dem Zeitpunkt erreicht hat. Bisher wurde jedoch auf die Ver wendung von Power MOS-Fet′s in solchen, z.B. in der Raumfahrttechnik einge setzten Überwachungsschaltungen verzichtet, weil die in der Raumfahrttech nik und in anderen Bereichen der Elektronik mit extrem hohen Zuverlässig keitsanforderungen angewendeten Bedingungen vorschreiben, daß ein Fet aktiv, d. h. mit einer bestimmten Spannung an der Steuerelektrode (Gate) im abge schalteten Zustand gehalten werden muß.

Die Erfindung schlägt hierzu vor, eine hochohmige Spannungsquelle, z.B. einen Oszillator mit nachgeschaltetem Gleichrichter, zu verwenden. Diese Spannungsquelle erzeugt so lange eine Spannung, wie eine Spannung auf der Versorgungsleitung vor dem Schalter anliegt, also auch wenn die Versorgungs leitungen für den Fall, daß z. B. ein Kurzschluß vorliegt und die Versorgungs leitungen zu den Verbraucher hin unterbrochen werden. Hierbei ist die Lei stungsaufnahme des Oszillators so gering, daß auch die in der Raumfahrt technik angewendeten Forderungen hinsichtlich Stromaufnahme im ausgeschalte ten Zustand erfüllt werden.

Der Ausgang der hochohmigen Spannungsquelle ist mit dem Gate des Power MOS- Fet′s verbunden, so daß der Power MOS-Fet definiert im abgeschalteten Zustand gehalten wird. Arbeitet dagegen die Schaltung normal, d. h. alle Eigenschaften liegen im spezifizierten Bereich, dann wird das Gate des Power MOS-Fet′s von einem Integrator so angesteuert, daß der Power MOS-Fet durchschaltet.

Die erfindungsgemäße Schaltung überwacht die Spannungsversorgung auf Kurz schluß, Über- und Unterspannung. Weicht eine der Größen vom zulässigen Be reich ab, so werden - wie oben schon beschrieben - die zum Verbraucher füh renden Versorgungsleitungen unterbrochen. Außerdem speichert ein Speicher den Fehler. Der Speicher verhindert, daß die Versorgungsleitungen wieder durchgeschaltet werden, wenn sich der Fehler ohne Einwirkung von außen wie der behebt. Der Integrator dient in Zusammenarbeit mit dem Power MOS-Fet bei der Inbetriebnahme der Schaltung, einschließlich der angeschlossenen Verbraucher, als Konstantstromquelle für die parallel zu den Verbrauchern liegenden Kondensatoren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung in einem vereinfachten Blockschaltbild. In Fig. 1 ist mit 1 die Versorgungs leitung U _Bus, mit 13 die Versorgungsleitung U _{Bus Return} und mit 8 die Verbraucher C _L und R _L bezeichnet. Parallel zu den Verbrauchern 8 liegt die Überwachungsschaltung. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in Fig. 1 nur eine Versorgungsleitung mit dem Eingang 3 der hochohmigen Spannungsquelle 2 verbunden. Es ist selbstverständlich, daß auch die zweite Versorgungsleitung 13 mit der Spannungsquelle 2 verbunden ist. Die gleiche Vereinfachung gilt ebenfalls für alle anderen Bausteine der Schaltung.

Liegen die beiden elektrischen Größen Spannung und Strom in den spezifizier ten Bereichen, so wird dem Speicher 7 über seine Eingangsleitungen 6, 18 von der U _DS-Sensierung 5 und der Über-/Unterspannungssensierung 16 ein entsprechendes Signal zugeführt. Der Speicher 5 meldet diesen Zustand sei nerseits über seinen Ausgang 9 an den Integrator 14. Der Integrator 14 gibt über seinen Ausgang eine positive Spannung an das Gate G des Power MOS- Fet′s 11. Steht eine Spannung an den Versorgungsleitungen 1 und 13 an, dann schwingt der Oszillator 2. Die vom Oszillator 2 abgegebene Spannung wird durch einen in 2 enthaltenen Gleichrichter gleichgerichtet und als negative Spannung über einen hochohmigen Widerstand R dem Gate G des Power MOS-Fet′s 11 zugeführt. Von beiden am Gate G des Power MOS-Fet′s 11 anliegenden Spannun gen ist die positive Spannung wirksam, da der Oszillator 2 eine hochohmige Spannungsquelle ist. Der Power MOS-Fet 11 wird durch diese Spannung leitend und die Versorgungsleitung U _{Bus Return} 13 an die Verbraucher 8 durchge schaltet.

Bei der Inbetriebnahme der gesamten Elektronik ist zur Aufladung des Kon densators C _L der Verbraucher 8 der Integrator 14 als Konstantstromquelle geschaltet, d. h. es fließt ein konstanter Ladestrom in den Kondensator C _L. Ist der Kondensator C _L aufgeladen, wird der Integrator 14 über die Lei tung 4 der U _DS-Sensierung auf Normalbetrieb umgeschaltet.

Liegt eine oder liegen mehrere der beiden elektrischen Größen Strom und Spannung außerhalb der spezifizierten Bereiche, so wird bei Über- oder Un terspannung dem Speicher 7 der Zustand des von der Über-/Unterspannungs sensierung 16 sensierten Fehlers über die Leitung 18 mitgeteilt. Bei Kurz schluß sensiert der Integrator 14 über seinen in der Versorgungsleitung U _{Bus Return} liegenden niederohmigen Widerstand 12 einen durch den großen Stromfluß erhöhten Spannungsabfall. Die positive Ausgangsspannung am Gate G des Power MOS-Fet′s 11 wird abgeschaltet. Jetzt wird die vom Oszillator 2 über den nachgeschalteten Gleichrichter kommende negative Spannung wirksam. Der Power MOS-Fet 11 wird gesperrt und die Versorgungsleitung 13 unterbro chen. Die U _DS-Sensierung 5 sensiert im Kurzschlußfall ebenfalls einen großen Spannungsabfall über der Drain/Source-Strecke des Power MOS-Fet′s 11. Dieser Fehler wird dem Speicher 7 über die Leitung 6 mitgeteilt.

Der Speicher 7 speichert in allen drei Fällen - Unter-/Überspannung und Kurzschluß - den Fehler, gibt ein entsprechendes Signal über seine Ausgangs leitung 9 an den Integrator 14 ab und macht ein Wiederdurchschalten des Power MOS-Fet′s 11 bei Rückkehr der an der Versorgungsleitungen 1, 13 an stehenden Spannung in den/die spezifizierten Bereiche dadurch unmöglich, daß der Ausgang des Speichers 9 weiter einen fehlerhaften Zustand an den Integrator 14 meldet. Erst wenn die Spannungsversorgung auf den Versorgungs leitungen 1 und 13 aus- und wieder eingeschaltet wird oder wenn dem Spei cher 7 über eine externe Leitung (nicht dargestellt) ein entsprechendes Rücksetzsignal zugeführt wird, wird die Speicherung des Fehlers im Speicher 7 gelöscht und die Überwachungsschaltung wieder aktiviert.

Der Oszillator 2 arbeitet ständig. Nur wenn die Spannungsversorgung nach einer Fehlerbehebung ab- und wieder eingeschaltet wird, schwingt der Oszil lator für diese kurze Zeit nicht.

Bezugszeichenliste:

1 U _Bus
2 hochohmige Spannungsquelle, Oszillator
3 Eingang Spannungsquelle
4 Ausgang 1 der U _DS-Sensierung
5 U _DS-Sensierung
6 Ausgang 2 der U _DS-Sensierung
7 Speicher
8 Ladekondensator/Ladewiderstand
9 Ausgang des Speichers
10 Leitung U _DS-Sensierung
11 Halbleiter-Schaltglied (Power MOS-Fet)
12 R _Sense
13 U _{Bus Return} 14 Integrator
15 Ausgang Spannungsquelle
16 Über-/Unterspannungssensierung
17 Eingang Über-/Unterspannungssensierung
18 Ausgang Über-/Unterspannungssensierung

Claims

1. Schaltung zum Überwachen elektrischer Größen einer Spannungsver sorgung auf das Einhalten wenigstens einer spezifizierten Eigen schaft, wobei die Spannungsversorgung unterbrochen wird, wenn die spezifizierte Eigenschaft nicht mehr vorliegt, enthaltend ein Halb leiter-Schaltglied in einer zum Verbraucher führenden Versorgungs leitung, das über seine Steuerelektrode bei Vorhandensein der Eigen schaft auf Durchlaß gesteuert wird und bei Verschwinden der Eigen schaft hochohmig gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Halb leiter-Schaltglied (11) ein Power Metall Oxid Semiconductor Feld effekttransistor (Power MOS-Fet) ist und daß die Steuerelektrode (G) an eine zusätzliche hochohmige Spannungsquelle (2) angeschaltet ist, die zwischen die Versorgungsleitungen (1, 13) parallel zum Verbraucher (8) und vor dem Power MOS-Fet (11) eingeschaltet ist.

2. Überwachungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung auf die drei spezifizierten Eigenschaf ten Kurzschluß, Unter- und Überspannung überwacht wird.

3. Überwachungsschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß bei Verschwinden einer oder mehrerer der drei Eigenschaften ein Speicher (7) angesteuert wird.

4. Überwachungsschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Einschaltstrom bei der Inbetriebnahme der Schal tung über die Überwachungsschaltung konstant gehalten wird.

5. Überwachungsschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Kurzschluß durch einen Integrator (14) sensiert und über den Ausgang 2 einer U _DS-Sensierung (6) der Speicher (7) angesteuert wird.