DE4026398A1

DE4026398A1 - Schaltung zur ueberwachung des schaltstatus eines leistungstransistors

Info

Publication number: DE4026398A1
Application number: DE19904026398
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl Ing Groeger; Wolfgang Dipl Ing Gudat; Karl-Heinz Dipl Ing Hesse; Gerhard Ruhnau
Original assignee: Wabco Westinghouse Fahrzeugbremsen GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 1989-08-22
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1991-02-28

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Überwachung des Schaltstatus eines Leistungstran sistors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In neuerer Zeit sind sogenannte "intelligente" Lei stungstransistoren bekannt geworden, die sich selber mittels integrierter Sensoren und integrierter Elek tronik gegen Kurzschluß, Überspannung und Übertempera tur schützen können (Zeitschrift Siemens Components 25 (1987) Heft 5).

Diese Transistoren weisen hierzu eine zusätzlich im Gehäuse integrierte Überwachungseinrichtung auf, welche den Transistor bei Vorliegen unzulässiger Betriebsbedingungen abschaltet. Hierdurch wird der Leistungstransistor vor Zerstörung geschützt.

Über einen sogenannten Status-Ausgang ist es weiter möglich, einem übergeordneten Mikrocomputer zu melden, ob ein Kurzschluß oder ein Leerlauf (Unterbrechung) der Last vorliegt.

Im allgemeinen nicht erkannt wird jedoch ein unvoll ständiger Kurzschluß bzw. ein sogenannter Nebenschluß, d. h. ein zu kleiner Widerstand der Last. Dieser ergibt sich z. B. dann, wenn eine Last mit echtem Kurzschluß über eine lange Verbindungsleitung angeschlossen ist. Ein solcher Fehler erzeugt einen überhöhten Strom, der nach einiger Zeit zur Überhitzung des Transistors und/oder der Last führt.

Neben der Last kann aber auch der Endtransistor selbst defekt sein. Dies ist der Fall, wenn er im ansteue rungsmäßig gesperrten Zustand trotzdem einen sogenann ten Leckstrom durchläßt. Auch dieser Fehler muß unbedingt angezeigt werden, wenn der Leckstrom unzu lässig hohe Werte überschreitet, um entsprechende Gegenmaßnahmen treffen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal tung anzugeben, die eine derartige Anzeige bzw. eine Status-Überwachung des Leistungstransistors ermög licht. Dabei sollen sowohl eine offene Last, ein Kurzschluß bzw. ein Nebenschluß der Last, als auch ein zu hoher Leckstrom des Leistungstransistors erkennbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 enthaltene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Schaltung zur Statuserkennung gemäß dem Stand der Technik, in

Fig. 2 eine Schaltung zur Statuserkennung gemäß der Erfindung, und in den

Fig. 3 und Fig. 4 Varianten der Fig. 2.

In der Fig. 1 ist schematisch eine gebräuchliche Schaltung zur Statuserkennung eines Endtransistors (1) sowie einer Last (3) dargestellt. Die Last (3), hier eine Spule eines Magnetventils, wird von einer Bat teriespannung (+U_B) über den Endtransistor (1) ver sorgt. Der Endtransistor (1) ist Teil einer Verstär kerschaltung (2), die noch weitere elektronische Elemente enthält (nicht dargestellt). Die Verstärker schaltung (2) wird von einem Mikroprozessor (4) über eine Leitung (5) mit einem Eingangssignal (U_IN) angesteuert. Der Zustand des Transistors (1) sowie der Last (3) wird am Verbindungspunkt (U_A) abgetastet und über eine Leitung (6) als Statussignal (U_Stat) dem Mikroprozessor (4) zugeleitet.

Der Mikroprozessor (4) verknüpft das Ansteuersignal (U_IN) mit dem Statussignal (U_Stat) und erkennt daraus den Zustand von Endtransistor (1) und Last (3). Der Statuseingang des Mikroprozessors kann High- oder Low-Signale auswerten, wobei ein Low-Signal z. B. kleiner als 2 V, und ein High-Signal z. B. größer als 4 V sein muß.

Die Batteriespannung (+U_B) beträgt beispielsweise 12 V. Der Widerstand des Endtransistors (1) im lei tenden Zustand beträgt beispielsweise 0,25 Ω. Der Widerstand der Last (3) beträgt beispielsweise 15 Ω.

Falls im leitenden Zustand des Transistors (1) die Spannung (U_A) nach Teilung durch den Spannungsteiler eine Statusspannung (U_Stat) von < 4 V erzeugt, erkennt der Mikroprozessor, daß die Last (3) in Ordnung sein muß. Falls jedoch ein (U_Stat) von < 2 V erzeugt wird, erkennt der Mikroprozessor, daß ein Kurzschluß der Last vorliegen muß.

Falls im abgeschalteten Zustand des Transistors (1) das Statussignal (U_Stat) einen High-Wert hat, erkennt der Mikroprozessor eine Unterbrechung der Last (3) (open load), oder einem Leckstrom des Transistors, falls dieser eine bestimmte Größe übersteigt.

Der Nachteil bzw. Mangel der bekannten Schaltung nach der Fig. 1 liegt nun darin, daß ein sogenannter Neben schluß der Last (3) im Wert von beispielsweise 0,6 Ω durch die Schaltung nicht erkannt wird, da infolge des hohen dann von der Batterie gelieferten Stromes die Statusspannung (U_Stat) auf dem High-Level bleibt. Dem Mikroprozessor (4) wird damit eine intakte Last (3) angezeigt, obwohl diese einen zu hohen Strom zieht.

Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäße Schaltung nach der Fig. 2 beseitigt. Diese besteht wiederum aus einem Leistungstransistor (1), der von einer Batteriespannug (+U_B) versorgt wird, und eine Last (3) ansteuert. Das von dem Mikroprozessor (4) kommende Eingangssignal (U_IN) wird auf der Leitung (5) zur Basis des Transistors (1) geleitet. Das Status signal (U_Stat) wird auf der Leitung (6) ausgekoppelt und dem Mikroprozessor (4) zugeleitet.

Ähnlich wie in der Fig. 1 wird die Spannung (U_A) über der Last (3) ausgewertet. Hierzu wird ein Komparator (8) verwendet, welcher bei einer Eingangsspannung von kleiner als beispielsweise 2 V ein Low-Signal und bei einer Eingangsspannung von größer als 2 V ein High- Signal abgibt.

Zusätzlich zur in der Fig. 1 dargestellten Anordnung wird ebenfalls die Spannung über dem Leistungstran sistor (1) mittels eines weiteren Komparators (7) abgetastet. Falls diese im leitenden Zustand des Transistors (1) kleiner ist als beispielsweise 2 V gibt der Komparator (7) ein High-Signal ab. Bei einem größeren Spannungsabfall über dem Transistor (1) als 2 V gibt er ein Low-Signal ab. Die Komparatoren (7, 8) bestehen aus je einem Operationsverstärker (Differenz verstärker), an deren Negativ-Eingang je eine Refe renz-Spannungsquelle vorgeschaltet ist. Deren Wert beträgt beim Komparator (7) 10 V, und beim Komparator (8) 2 V. Anstelle von Spannungsquellen können auch entsprechende Zenerdioden eingesetzt werden.

Bei einer stabilen Betriebsspannung (U_B) von 12 V kann also festgestellt werden, ob das Potential von (U_A) kleiner oder größer als 10 V ist (bei leitendem Transistor und U_IN = High) oder ob das Potential von (U_A) größer oder kleiner als 2 V ist (bei gesperrtem Transistor und U_IN = Low).

Die Ausgänge der beiden Komparatoren (7) und (8) sind zwei UND-Gliedern (10) und (11) zugeführt. Der zweite Anschluß des UND-Glieds (10) ist mit der Leitung (5) , also dem Ansteuersignal (U_IN) des Transistors (1) verbunden.Der zweite Anschluß des UND-Glieds (11) ist über einen Inverter (9) ebenfalls mit der Leitung (5) verbunden.

Die Ausgänge der UND-Glieder (10) und (11) sind über ein ODER-Glied (12) zusammengefaßt, dessen Ausgangs leitung (6) das Statussignal (U_Stat) führt.

Die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 2 funktioniert wie folgt.

Mit dem Komparator (7) über dem Leistungstransistor (1) wird der Zustand des eingeschalteten Leistungs transistors (U_IN = High) untersucht. Falls die am Transistor abfallende Spannung (U_B-U_A) < 2 V ist, gibt der Komparator (7) ein High-Signal ab. Dieses wird über das nun angesteuerte UND-Glied (10) sowie das ODER-Glied (12) auf die Statusleitung (6) weiter gegeben.

Der Mikroprozessor erkennt damit, daß die Last (3) in Ordnung ist und der Transistor (1) leitet.

Falls jedoch das Ausgangssignal des Komparators (7) Low ist, d. h. ein zu hoher Spannungsabfall am Transistor (1) auftritt, erkennt der übergeordnete Mikroprozessor, daß ein Überlastzustand oder ein Kurzschluß der Last (3) vorliegen muß, oder daß der Transistor (1) nicht vollständig leitet.

Zur Unterscheidung dient der weitere Komparator (8). Mit diesem wird die Spannung über der Last (3) dann geprüft, wenn das Eingangssignal (U_IN) des Transistors (1) einen Low-Pegel aufweist, d. h. der Transistor (1) gesperrt ist. Falls in diesem Zustand die Spannung (U_A) einen Wert von kleiner oder gleich 2 V hat, erkennt der übergeordnete Mikroprozessor, daß die Last (3) in Ordnung und der Transistor (1) gesperrt ist. In diesem Fall gibt der Komparator (8) ein Low-Signal ab, welches über das jetzt eingeschaltete UND-Glied (11) sowie das ODER-Glied (12) als Statussignal (U_Stat ausgegeben wird.

Falls die Spannung (U_A) größer oder gleich 2 V ist, gibt der Komparator (8) ein High-Signal ab, das wieder als (U_Stat) auf der Leitung (6) ausgegeben wird. In diesem Fall schließt der Mikroprozessor (4) auf einen Kurzschluß des Transistors (1) oder einen zu großen Leckstrom des Transistors (1), oder auf eine Unter brechung (open load) der Last (3).

Zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise soll im folgenden mit einer Wertetabelle gezeigt werden, wie der Fehler eines Nebenschlusses der Last mit der Schaltung nach dem Stand der Technik nicht erkannt, mit der erfindungsgemäßen Schaltung aber erkannt wird.

Bei der Schaltung nach dem Stand der Technik (Fig. 1) sei die Schwelle für U_STAT gleich 6 V, d. h.

U_A ≦λτ 6 V : U_STAT = High (H), sonst Low (L). Die Betriebsspannung U_B sei gleich 12 V.

Dann ergibt sich im ungestörten Fall:

und für den Nebenschluß-Fall:

Wie man sieht, ist das Wertepaar fur U_STAT in beiden Fällen gleich. Der Mikroprozessor kann also den Nebenschluß-Fehler nicht erkennen.

Bei der Schaltung nach der Erfindung (Fig. 2) ergibt sich für denselben Fehler die folgende Tabelle.

Hierbei ist die Schwelle für U_A gleich 10 V im leiten den Zustand (Komparator 7), und 2 V im gesperrten Zustand des Transistors (1) (Komparator 8).

Zunächst wieder der ungestörte Fall:

Im Nebenschluß-Fall ergibt sich:

Durch den (unterstrichenen) "falschen" Zustand erkennt der Mikroprozessor hier, daß ein Nebenschluß-Fehler vorliegt.

Der wesentliche Vorteil der Schaltung nach der Fig. 2 besteht darin, daß man mit ihr im eingeschalteten Zustand des Transistors (1) den sonst nicht leicht nachzuweisenden Fehler des sogenannten Nebenschlusses der Last und im ausgeschalteten Zustand Leckströme des Transistors (1) erkennen kann. Somit kann erkannt werden, ob die Last entsprechend der Ansteuerung wirklich ein- bzw. ausgeschaltet ist.

Die gesamte Schaltung nach der Fig. 2 ist vorteilhaft im Gehäuse des Leistungstransistors (1) mit inte griert.

Die Schaltung gemäß der Erfindung kann natürlich auch anders ausgebildet sein als in der Fig. 2 beispielhaft dargestellt, ohne den Rahmen des Erfindungsgedankens zu verlassen.

So kann beispielsweise anstelle der UND-Glieder (10, 11) ein besonderer Eingang der Komparatoren (7, 8) vorgesehen sein, durch welchen diese vom Eingangs signal (U_IN) aktivierbar sind (Fig. 3).

Weiter können auch die Ausgänge der Komparatoren (7, 8) direkt an den Mikroprozessor (1) angeschaltet sein und von diesem entsprechend ausgewertet werden (Fig. 4).

Anstelle des Mikrocomputers (4) kann auch eine ent sprechende diskrete Logikschaltung vorgesehen sein, welche auf Anforderung (Schalterbetätigung) die entsprechenden Zustände logisch auswertet, und das Ergebnis (Fehlerart) anzeigt.

Claims

1. Schaltung zur Überwachung des Schaltstatus eines Leistungstransistors, der vorzugsweise von einem Mikroprozessor ansteuerbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überwachungsschaltung derart ausgebildet ist und vom Mikroprozessor (4) ge steuert und ausgewertet wird, daß nacheinander sowohl die Spannung über dem Leistungstransistor (1) als auch die Spannung über einer von diesem geschalteten Last (3) auf einen vorbestimmten Spannungsbereich hin überwacht wird, und dem Mikroprozessor (4) das Ergebnis rückgemeldet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung durch zwei Spannungskomparato ren (7, 8) erfolgt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekenn zeichnet, daß im ausgeschalteten Zustand des Leistungstransistors (1) die Spannung über der Last (3), und im eingeschalteten Zustand des Leistungstransistors (1) die Spannung über dem Transistor (1) überwacht wird.

4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß im eingeschalteten Zustand des Leistungstransistors (1) durch sein Ansteuersignal (U_IN = High) der Komparator (7) über dem Leistungstransistor (1) und im ausgeschalteten Zustand des Leistungstransistors (1) durch das Ansteuersignal (U_IN = Low) des Leistungstran sistors (1) der Komparator (8) über der Last (3) aktivierbar ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung durch nachgeschaltete UND- Glieder (10, 11) erfolgt, wobei das UND-Glied (10) von dem Ansteuersignal (U_IN) direkt einschaltbar ist, und das UND-Glied (12) über einen Inverter (9) einschaltbar ist.

6. Schaltung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausgangssignale der UND-Glieder (10, 11) über ein ODER-Glied (12) zu einem Status- Signal (U_Stat) zusammengefaßt sind, welches dem Mikroprozessor (4) zugeleitet wird (Fig. 2).

7. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Aktivierung der Komparatoren (7, 8) über getrennte Eingänge durch das Ansteuer signal (U_IN) des Leistungstransistors (1) erfolgt (Fig. 3).

8. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ausgänge der Komparatoren (7, 8) direkt an den Mikroprozessor (4) angeschlossen sind (Fig. 4).