DE3920805A1 - Kurzschlussfeste treiberstufe - Google Patents
Kurzschlussfeste treiberstufeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kurzschlußfeste Treiber
stufe, die insbesondere für die Kraftfahrzeug-Elektronik,
aber auch für andere Anwendungen geeignet ist und die einen
Leistungstransistor besitzt, über den Verbraucher, wie
Relais, Warnlampen, elektrisch betätigbare Hydraulikventile,
Elektromotoren und dergl. ansteuerbar sind und das mit einem
Serienwiderstand zur Begrenzung des Kurzschlußstromes aus
gerüstet ist. Beispielsweise werden solche Treiberstufen für
elektronische Antiblockier- oder Antriebsschlupfregelsysteme
benötigt, bei denen an die auf einer Leiterplatte zusammen
geschalteten elektronischen Bausteine über Steckverbindungen
und Kabel elektrisch betätigbare Hydraulikventile und andere
Verbraucher angeschlossen sind.
Ein Kurzschluß, der durch einen defekten Verbraucher, durch
blanke Anschlußdrähte, durch Handhabungsfehler oder dergl.
entstehen könnte, würde die entsprechende Treiberstufe zer
stören. Bei den rauhen Bedingungen, der die Elektronik in
Kraftfahrzeugen ausgesetzt ist, sind solche Kurzschlüsse
keineswegs selten. Zum Schutz der Treiberstufen ist es daher
bekannt, einen Serienwiderstand zur Begrenzung des Kurz
schlußstromes einzufügen. Im Falle eines Dauerkurzschlusses
wird dadurch jedoch die Verlustleistung hoch. Die Wärme muß
abgeführt werden. Der für solche Verlustleistungen ausge
legte Widerstand ist relativ groß und aufwendig.
Weiterhin sind sogenannte SMART POWER DEVICES bekannt. Dies
sind Treiberstufen mit integriertem Kurzschlußschutz. Bei
solchen Stufen wird im Kurzschlußfall beim Überschreiten
einer bestimmten Kristalltemperatur im Inneren der Treiber
stufe die Verlustleistung begrenzt. Das Bauteil wird dann
andauernd mit maximaler Junction-Temperatur betrieben, mit
dem Nachteil, daß sich die Lebensdauer der Treiberstufe er
heblich reduziert und daß eine erhebliche Verlustleistung in
der Baugruppe auftritt. Außerdem sind solche SMART POWER
DEVICES relativ teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die geschil
derten Nachteile zu beseitigen und eine kurzschlußfeste
Treiberstufe zu schaffen, die sich durch hohe Zuverlässig
keit, geringen Herstellungsaufwand und vernachlässigbar ge
ringe Verlustleistung im Kurzschlußfall auszeichnet.
Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe durch eine
Treiberstufe der eingangs genannten Art gelöst werden kann,
deren Besonderheit darin besteht, daß dem Leistungs
transistor ein Überwachungsschaltkreis vorgeschaltet ist,
der bei zu hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom
selbsttätig die Ansteuerung des Leistungstransistors sperrt.
Der Überwachungsschaltkreis der erfindungsgemäßen Treiber
stufe läßt sich durch einen integrierten Schaltkreis, bei
spielsweise durch einen kundenspezifischen integrierten
Schaltkreis, realisieren. Der Herstellungsaufwand für solche
Schaltkreise ist sehr gering. Es lassen sich zahlreiche
Schaltkreise dieser Art - für mehrere Treiberstufen - in
einem einzigen Baustein unterbringen. Ein besonderer Vorteil
des Überwachungsschaltkreises besteht noch darin, daß er nur
drei Anschlüsse benötigt, nämlich einen für das Eingangs
signal, einen für die Steuerelektrode des Leistungs
transistors und einen für den Verbraucheranschluß (Kollektor
bzw. Drain des Leistungstransistors) benötigt, was ebenfalls
die Herstellungskosten günstig beeinflußt.
Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist der Serienwiderstand in dem Emitter- oder Sourcekreis
des Leistungstransistors eingefügt, und es ist das Ansteuer
signal an der Steuerelektrode des Transistors mit Hilfe
einer Zenerdiode oder dergl. auf einen Maximalwert begrenzt,
der auf den bei Kurzschluß über den Serienwiderstand hervor
gerufenen Spannungsabfall abgestimmt ist; sobald der Span
nungsabfall über dem Serienwiderstand die Zenerspannung er
reicht (bei Vernachlässigung der Differenzspannung zwischen
Gate und Source), wird der Transistor abgeschaltet.
Zweckmäßigerweise enthält der Überwachungsschaltkreis eine
Torschaltung, die das Ansteuersignal des Leistungs
transistors mit dessen Ausgangssignal vergleicht und bei
einem bei intaktem System nicht möglichen Vergleichsergebnis
ein Sperrsignal auslöst. Als Torschaltung ist in einem Fall
ein UND-Gatter vorgesehen, das bei logisch gleichen Ein
gangssignalen ein Flip-Flop setzt und dadurch die Sperrung
des Ansteuersignals für den Leistungstransistor hervorruft.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Flip-Flop in regel
mäßigen Zeitabständen, bei regelmäßig wiederkehrenden Er
eignissen usw., insbesondere bei jeder Betätigung der Motor
zündung, zurückgesetzt.
Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung weist der
Überwachungsschaltkreis ein Zeitglied, d.h. ein RC-Glied,
einen Tiefpaß oder dergl., auf, das eine kurzzeitig auftre
tende Nichterfüllung der UND-Bedingung, die für eine kurz
zeitige Störung oder für Einschaltvorgänge typisch ist, un
terdrückt.
Als Leistungstransistor ist ein bipolarer oder ein uni
polarer Transistor, z.B. Feldeffekttransistor vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Treiberstufe ist also auch gegen
Dauer-Kurzschlüsse völlig unempfindlich, weil das Eingangs
signal - bis zur nächsten Zündung des KFZ-Motors - abge
schaltet wird. Der Kurzschlußstrom, der den zum Auslösen des
Abschaltvorganges erforderlichen Spannungsabfall über dem
Serienwiderstand hervorruft, fließt folglich nur für eine
sehr kurze Zeitspanne, weshalb die entstehende Verlust
leistung vernachlässigbar gering ist. Es genügt daher als
Serienwiderstand ein vergleichsweise kleiner und billiger
ohmscher Widerstand geringer Belastbarkeit.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Aus
führungsbeispieles anhand des beigefügten Schaltbildes her
vor.
Die dargestellte Treiberstufe besteht im wesentlichen aus
einem Feldeffekt-Leistungstransistor T1 und aus einem vorge
schalteten Überwachungsschaltkreis 2. Ein niederohmiger
Serienwiderstand 3, der zwischen dem Source-Anschluß S des
Transistors T1 und dem Massenanschluß eingefügt ist, dient
zur Begrenzung des Kurzschlußstromes. Außerdem löst die über
diesen Widerstand 3 abfallende Spannung, wie anschließend
noch genauer beschrieben wird, eine Abschaltung der Treiber
stufe im Kurzschlußfall aus.
Mit Treiberstufen der dargestellten Art lassen sich bei
spielsweise in der Kraftfahrzeugelektronik Verbraucher
ein- und ausschalten, die eine relativ hohe Leistung benöti
gen. Symbolisch sind in der Abbildung eine Warnlampe 4 und
eine Relaiswicklung oder Magnetventilwicklung 5 dargestellt.
Elektromagnetisch betätigbare Hydraulikventile werden bei
spielsweise zur Bremsdruckmodulation in blockiergeschützten
Bremsanlagen oder Antriebsschlupfregelsystemen benötigt.
Elektrische Stellmotoren in Kraftfahrzeugen werden ebenfalls
mit Hilfe solcher Treiberstufen ein- und ausgeschaltet. UB
symbolisiert die Versorgungs- oder Batteriespannung eines
Kraftfahrzeugs.
Über den erfindungswesentlichen Überwachungsschaltkreis 2
wird ein Stellsignal oder Eingangssignal IN der Steuer
elektrode oder Gate-Elektrode des Transistors T1 zugeführt.
Der Überwachungsschaltkreis 2 besteht ausschließlich aus
elektrischen Komponenten, die sich in eine integrierten
Schaltung, z.B. in einem sog. kundenspezifischen in
tegrierten Schaltkreis, unterbringen lassen. Eine Zenerdiode
6, die hier unmittelbar am Gate-Anschluß c des Transistors
T1 anliegt, jedoch auch vor einem Verstärker 7 angeschaltet
sein könnte, legt einen oberen Grenzwert für das Eingangs
signal des Transistors T1 fest.
Ein UND-Gatter 8 vergleicht den logischen Zustand der
Signale am Eingang und Ausgang des Transistors T1 bzw. am
Gate und Drain des Feldeffekttransistors T1. Der Ausgang des
UND-Gatters 8 führt über ein RC-Glied 9, 10, das hier als
Tiefpaß zum Ausfiltern von kurzen Störsignalen dient, zu dem
Setzeingang S eines Flip-Flops 11. Zurückgesetzt wird das
Flip-Flop 11 durch ein Signal an dessen Reset-Eingang R. Der
Reset-Eingang ist im vorliegenden Beispiel an dem Zündschal
ter eines Kraftfahrzeuges angeschlossen, damit das Flip-Flop
11 bei jedem Anlassen des Fahrzeugmotors zurückgesetzt wird.
Über einen Ausgang Q des Flip-Flops 11 wird ein bipolarer
Transistor T2 angesteuert, der, sobald er leitend ist, das
Eingangssignal IN praktisch kurzschließt.
Die dargestellte Treiberstufe arbeitet wie folgt:
Im Normalfall, wenn alles intakt ist, wird ein Eingangs signal IN - high oder low - zum Leistungstransistor T1 wei tergeleitet. "high" am Eingang des Leistungstransistors T1 führt zum Einschalten der Verbraucher 4, 5. Bei "low" am Gate-Anschluß c des Transistors T1 wird dieser Treiber hoch ohmig, so daß die Lampe 4 erlischt und das Ventil 5 in seine Ruhestellung zurückkehrt.
Im Normalfall, wenn alles intakt ist, wird ein Eingangs signal IN - high oder low - zum Leistungstransistor T1 wei tergeleitet. "high" am Eingang des Leistungstransistors T1 führt zum Einschalten der Verbraucher 4, 5. Bei "low" am Gate-Anschluß c des Transistors T1 wird dieser Treiber hoch ohmig, so daß die Lampe 4 erlischt und das Ventil 5 in seine Ruhestellung zurückkehrt.
Bei einem Kurzschluß in einem Verbraucher 4 oder 5 tritt der
Überwachungsschaltkreis 2 in Funktion. Nach Ansteuerung bzw.
Einschaltung des Transistors T1 führt ein Kurzschluß im Ver
braucher zu einem so hohen Spannungsabfall über dem Serien
widerstand 3, daß das durch die Zenerdiode 6 begrenzte Ein
gangssignal am Gate-Anschluß c nicht mehr zur Durchsteuerung
des Transistors T1 genügt. Der Transistor sperrt. Nunmehr
ist die UND-Bedingung erfüllt, so daß der Ausgang des Gat
ters 8 "high" wird. Nach einer sehr kurzen Verzögerung, be
dingt durch das RC-Glied 9, 10, wird das Flip-Flop 11 gesetzt
und dadurch über den Transistor T2 das Eingangssignal IN
kurzgeschlossen. Die Ansteuerung des Transistors T1 wird da
durch bis zum Zurücksetzen des Flip-Flops 11 unterbunden.
Der Kurzschluß im Verbraucher kann daher dem Transistor T1
nichts mehr anhaben.
Die Überwachungsschaltung benötigt also nur die drei An
schlüsse a, b, c und damit nur drei Anschlußstifte. Dadurch
können in einem einzigen integrierten Schaltkreis, der nur
eine beschränkte Anzahl von Anschlußstiften besitzt, eine
relativ große Zahl von Schaltungen dieser Art untergebracht
werden.
Claims (9)
1. Kurzschlußfeste Treiberstufe, insbesondere für die Kraft
fahrzeug-Elektronik, mit einem Leistungstransistor, über
den Verbraucher, wie Relais, Warnlampen, elektrisch betä
tigbare Hydraulikventile, Elektromotore und dergl., an
steuerbar sind, und mit einem Serienwiderstand zur Be
grenzung des Kurzschlußstromes, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem Leistungstransistor (T1) ein
Überwachungsschaltkreis (2) vorgeschaltet ist, der bei zu
hohem Verbraucherstrom oder Kurzschlußstrom selbsttätig
die Ansteuerung des Leistungstransistors (T1) sperrt.
2. Treiberstufe nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Serienwiderstand (3) in dem
Emitter- bzw. Sourcekreis des Leistungstransistors (T1)
eingefügt ist und daß das Ansteuersignal an der Steuer
elektrode des Transistors mit Hilfe einer Zenerdiode (6)
oder dergl. auf einen Maximalwert begrenzt ist, der auf
den bei Kurzschluß über den Serienwiderstand (3) hervor
gerufenen Spannungsabfall abgestimmt ist.
3. Treiberstufe nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Überwachungsschaltkreis (2)
eine Torschaltung (8) enthält, die das Ansteuersignal des
Leistungstransistors (T1) mit dessen Ausgangssignal ver
gleicht und bei einem bei intaktem System nicht möglichen
Zustand ein Sperrsignal auslöst.
4. Treiberstufe nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß als Torschaltung (8) ein
UND-Gatter vorgesehen ist, das bei Erfüllung der UND-Be
dingung ein Flip-Flop (11) setzt und dadurch die Sperrung
des Ansteuersignals für den Leistungstransistor (T1) her
vorruft.
5. Treiberstufe nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Flip-Flop (11) in regelmäßigen
Zeitabständen oder bei regelmäßig wiederkehrenden Ereig
nissen, insbesondere bei jeder Betätigung der Motorzün
dung, zurücksetzbar ist.
6. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überwachungs
schaltkreis (2) ein Zeitglied (9, 10), d.h. ein RC-Glied,
einen Tiefpaß oder dergl., aufweist, das eine kurzzeitig
auftretende Nichterfüllung der UND-Bedingung, die auf
kurzzeitige Störungen oder Einschaltvorgänge zurückgehen
kann, unterdrückt.
7. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß als Leistungs
transistor (T1) ein bipolarer Transistor vorgesehen ist.
8. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß als Leistungstransistor
(T1) ein Feldeffekttransistor vorgesehen ist.
9. Treiberstufe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Überwachungs
schaltkreis (2) als integrierter Schaltkreis ausgebildet
ist und über drei Anschlüsse (a, b, c), nämlich über einen
Anschluß für das Eingangssignal (IN), einen Anschluß für
die Steuerelektrode des Leistungstransistors (T1) und
einen Verbraucheranschluß (Kollektor bzw. Drain des
Leistungstransistors) verfügt.
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Owner name: ITT AUTOMOTIVE EUROPE GMBH, 60488 FRANKFURT, DE |
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