DE4100790A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur ueberwachung eines leistungstransistors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Leistungstransistors, welcher durch jeweils einen rechteckförmigen Ansteuerimpuls in den leitenden Zustand geschaltet wird.

Regelungs- und Steuerungseinrichtungen umfassen häufig einen integrierten Schaltkreis, beispielsweise einen Mikroprozessor, mit mehreren Ausgängen, die zum Schalten von Stellgliedern, Signaleinrichtungen und anderen Verbrauchern verwendet werden. Dabei ist häufig die Leistungsaufnahme der Verbraucher größer als die zulässige Belastbarkeit der Ausgangsstufen des integrierten Schaltkreises. In diesen Fällen wird ein externer Leistungstransistor verwendet.

Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Regelungs- und Steuerungseinrichtungen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, ist ein Schutz des Leistungstransistors gegen Kurzschluß erforderlich. Außerdem ist es häufig nötig, einen Leitungsbruch im Verbraucherstromkreis zu erkennen.

Dazu sind verschiedene Schaltungsanordnungen bekanntgeworden, bei denen der Strom durch den Leistungstransistor gemessen und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen wird. Aus einer Überschreitung eines maximalen Grenzwertes wird auf einen Kurzschluß, aus einem Unterschreiten eines minimalen Grenzwertes wird auf einen Leitungsbruch geschlossen. Im Falle eines Kurzschlusses wird bei bekannten Schaltungsanordnungen die Ansteuerspannung des Leistungstransistors derart beeinflußt, daß keine Überschreitung der maximal zulässigen Leistung stattfindet. Die bekannten Schaltungen erfordern jedoch relativ genaue und damit teure Bauteile.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Überwachung eines Leistungstransistors mit möglichst einfachen Mitteln, insbesondere ohne eng tolerierte Bauteile zu ermöglichen, die zu einer exakten Einhaltung der Stromgrenzwerte an sich erforderlich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherelement in einen Zustand gesetzt wird, der einen Fehler anzeigt, wenn innerhalb mindestens eines Teils eines Zeitfensters, das eine vorgegebene Zeit nach einer Flanke des Ansteuerimpulses beginnt und mit der folgenden Flanke des Ansteuerimpulses endet, die Spannung am Ausgang der Endstufe nicht den während dieses Zeitraums bei ordnungsgemäßen Betrieb vorgesehenen Pegel einnimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ohne genau einzuhaltende Schaltschwellen eine zuverlässige Überwachung des Leistungstransistors. Dabei ist die vorgegebene Zeit geringfügig größer als die Schaltverzögerung des Leistungstransistors, so daß bei Beginn des Zeitfensters die Ausgangsspannung des Leistungstransistors bereits den durch die vorangegangene Flanke des Ansteuerimpulses bestimmten Pegel aufweist - einen ordnungsgemäßen Betrieb ohne Kurzschluß bzw. Leitungsbruch vorausgesetzt.

Ein Abschalten im Kurzschlußfall wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch ermöglicht, daß das Zeitfenster eine vorgegebene Zeit nach dem Anfang des Ansteuerimpulses beginnt und daß der Ansteuerimpuls beim Setzen des Speicherelementes unterbrochen wird.

Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Zeitfensters ein Zeitglied vorgesehen ist, dessen Eingang mit einer Zuleitung für den Ansteuerimpuls verbunden ist und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang einer Logikschaltung verbunden ist, daß ein zweiter Eingang der Logikschaltung an den Ausgang des Leistungstransistors angeschlossen ist und daß der Ausgang der Logikschaltung mit dem Setzeingang eines Flip-Flops verbunden ist.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Ansteuerimpuls der Steuerelektrode des Leistungstransistors über zwei in Reihe geschaltete Widerstände zuführbar ist, deren Verbindungspunkt mit dem Eingang des Zeitgliedes verbunden ist. Hierdurch ist in einfacher Weise die Unterbrechung des Ansteuerimpulses im Kurzschlußfall möglich, während der Ansteuerimpuls bei ordnungsgemäßen Betrieb sowohl der Steuerelektrode des Leistungstransistors als auch dem Zeitglied zuführbar ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für den Fall eines Kurzschlusses zeichnet sich dadurch aus, daß das Zeitglied auf diejenige Flanke des Ansteuerimpulses anspricht, welche den Leistungstransistor in den leitenden Zustand steuert und daß ferner der Verbindungspunkt über einen weiteren Transistor, vorzugsweise einen Feldeffekt-Transistor, mit Massepotential verbindbar ist, dessen Steuerelektrode an einen Ausgang des Flip-Flops angeschlossen ist.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung spricht auf einen Leitungsbruch dadurch an, daß das Zeitglied auf diejenige Flanke des Ansteuerimpulses anspricht, welche ein Sperren des Leistungstransistors zur Folge hat. Zur Erkennung eines Kurzschlusses und eines Leitungsbruchs kann in vorteilhafter Weise auch vorgesehen sein, daß das Zeitglied sowohl auf die Vorder- als auch auf die Rückflanke des Ansteuerimpulses anspricht.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor vorgesehen ist mit einem Ausgang, von dem der Ansteuerimpuls dem Leistungstransistor zuführbar ist, und daß Mittel zur Übertragung eines Rücksetzimpulses vom Mikroprozessor zum Rücksetzeingang des Flip-Flops und eines Ausgangssignals des Flip-Flops an den Mikroprozessor vorgesehen sind.

Diese Weiterbildung ermöglicht durch eine geeignete Programmierung des Mikroprozessors verschiedene Konsequenzen aus dem Erkennen von Fehlern mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. So kann beispielsweise nach dem Erkennen eines Fehlers das Speicherelement vom Mikroprozessor rückgesetzt werden, um zu probieren, ob der Fehler wiederholt auftritt. Außerdem sind andere Maßnahmen, wie beispielsweise Abschalten der Regelung oder ein sogenannter Notlauf nach dem Erkennen eines Fehlers möglich.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 Zeitdiagramme der an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 auftretenden Signale,

Fig. 3 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 4 Zeitdiagramme der an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 auftretenden Signale.

Signale und Punkte der Schaltung, an denen die Signale anstehen, sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wird eine Überwachung auf Kurzschluß und ein Abschalten der Ansteuerung im Kurzschlußfall vorgenommen. Ein Mikroprozessor 1 ist neben anderen nicht dargestellten Ein- und Ausgängen mit einem Ausgang 2 versehen, über den ein Verbraucher 3 ein- bzw. ausgeschaltet werden soll. Dazu ist in Reihe mit dem Verbraucher ein Leistungstransistor 4 geschaltet, dessen Basis über zwei Widerstände 5, 6 mit dem Ausgang 2 verbunden ist, der den in Fig. 2a gezeigten Ansteuerimpuls abgibt. Die Widerstände 5, 6 sind derart dimensioniert, daß das Signal A2 am Verbindungspunkt der Widerstände bei ordnungsgemäßem Betrieb nicht wesentlich kleiner als das Signal A1 ist (beispielsweise 2/3). Der vom Leistungstransistor 4 abgewandte Anschluß des Verbrauchers 3 ist mit einer Betriebsspannungsquelle von beispielsweise +12 V verbunden.

Der Verbindungspunkt der Widerstände 5, 6 ist an einen Eingang eines Zeitgliedes 7 angeschlossen, das in an sich bekannter Weise aus einer monostabilen Kippschaltung und einigen Gatter-Schaltungen besteht. Der Ausgangsimpuls B des Zeitgliedes 7 beginnt etwas später als der Eingangsimpuls A2 und endet nahezu gleichzeitig mit diesem.

Am Kollektor des Leistungstransistors 4 ist ein Impuls abnehmbar, der gegenüber dem Impuls A1 bzw. A2 invertiert und um die Schaltverzögerung des Transistors 4 verzögert ist. Ein Begrenzer 6 begrenzt die Amplitude des Impulses C auf einen für die Logikschaltung geeigneten Wert. Die Logikschaltung ist eine Nicht-Und-Schaltung 9, deren Ausgang mit dem Setzeingang S eines aus zwei Nicht-Und-Schaltungen 10, 11 gebildeten Flip-Flops verbunden ist. Ein Ausgang F des Flip-Flops 10, 11 ist mit der Steuerelektrode eines Feldeffekt-Transistors 12 und mit einem Eingang eines Bussystems 13 verbunden. Ferner ist der Rücksetzeingang R des Flip-Flops 10, 11 an einen Ausgang des Bussystems 13 angeschlossen.

Bei ordnungsgemäßem Betrieb nimmt die Kollektorspannung C des Transistors 4 während des ganzen durch den Impuls B gegebenen Zeitfensters den Pegel L ein. Dadurch liegt das Ausgangssignal der Nicht-Und-Schaltung 9 ständig auf = 1. In dem nicht gesetzten Zustand weist der Ausgang F des Flip-Flops 10, 11 den Pegel L auf, während am Ausgang der Nicht-Und-Schaltung 9 der Pegel H anliegt. Durch = 1 wird also keine Änderung des Schaltzustandes des Flip-Flops 10, 11 verursacht.

Fig. 2b zeigt den Verlauf der einzelnen Spannungen bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 im Falle eines Kurzschlusses, der bei Beginn des Ansteuerimpulses A1 bereits besteht. Gegenüber Fig. 2a ist der Verlauf des Ansteuerimpulses A1 praktisch unverändert. Auch der Impuls A2 beginnt zunächst. Bedingt durch den Kurzschluß kann jedoch die Spannung am Kollektor des Transistors 4 nicht abfallen, so daß C auf dem Pegel H bleibt. Dadurch wird kurz nach Beginn des Zeitfensters das Flip-Flop 10, 11 gesetzt und somit der Feldeffekt-Transistor 12 in den leitenden Zustand gesteuert. Dadurch wird wiederum der Impuls A2 unterbrochen und der Impuls B beendet.

Das Ausgangssignal F des Flip-Flops 10, 11 wird über das Bussystem 13 zum Mikroprozessor 1 übertragen. Nach einer vom Programm des Mikroprozessors 1 bestimmten Zeit quittiert der Mikroprozessor die Fehlermeldung mit einem kurzen L-Impuls und setzt damit das Flip-Flop 10, 11 zurück. Bei dem darauffolgenden in Fig. 2b nicht dargestellten Ansteuerimpuls wird dann wiederum geprüft, ob ein Kurzschluß (noch) vorliegt. Bei dem Programm für den Mikroprozessor kann beispielsweise vorgesehen sein, daß bei einer vorgegebenen Anzahl von Versuchen, die von einer Kurzschlußmeldung befolgt werden, ein endgültiges Abschalten vorgenommen wird. Zweckmäßigerweise wird auch nach einem Einschalten des Mikroprozessors 1 und der erfindungsgemäßen Schaltung das Flip-Flop 10, 11 durch den Impuls rückgesetzt.

Fig. 2c zeigt die gleichen Spannungen und Signale wie Fig. 2b, jedoch für den Fall, daß ein Kurzschluß während eines Ansteuerimpulses auftritt. Ein möglicher Zeitpunkt für einen solchen Kurzschluß ist in Fig. 2c mit einem Pfeil gekennzeichnet. Es ergeben sich im wesentlichen gleiche Verhältnisse wie bei einem bereits vorliegenden Kurzschluß. Die Rückflanken der Impulse A2, B und C liegen allerdings später. Dementsprechend erfolgt die Fehlermeldung F zu einem späteren Zeitpunkt.

Mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung kann sowohl ein Kurzschluß als auch ein Leitungsbruch erkannt werden. Gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist der Kollektor des Leistungstransistors 4 über einen Widerstand 21 mit Massepotential verbunden. Der Widerstand 21 weist einen wesentlich größeren Widerstandswert als der Verbraucher 3 auf, so daß im Falle des abgeschalteten Leistungstransistors 4 kein störender Strom durch den Verbraucher fließt. Ist jedoch die Leitungsverbindung zwischen dem Kollektor des Leistungstransistors 4 und dem Verbraucher unterbrochen, so sorgt der Widerstand 21 dafür, daß das Signal C den Pegel L einnimmt.

Ferner ist gegenüber der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 anstelle der Nicht-Und-Schaltung 10 eine Nicht-Und-Schaltung 22 mit drei Eingängen vorgesehen. Zusätzlich ist eine Dreifach-Oder-Schaltung 23 angeordnet, deren Ausgang mit dem dritten Eingang der Nicht-Und-Schaltung 22 verbunden ist. Die Eingänge der Dreifach-Oder-Schaltung 23 sind mit den Signalen A2, C und B beaufschlagt. Bei ordnungsgemäßem Betrieb sowie im Falle eines Kurzschlusses des Verbrauchers 3 arbeitet die Schaltung nach Fig. 3 genauso wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 1. Dabei nimmt außer dem Signal , das dem Signal bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 entspricht, auch das Signal den Pegel H ein. Letzteres ist der Fall, da bei ordnungsgemäßem Betrieb mindestens eines der Signale B, C und A2 den Pegel H aufweist. Dieses ist jedoch nicht mehr der Fall, wenn infolge eines Leitungsbruches, wie in Fig. 4 durch einen senkrechten Pfeil angedeutet, das Signal C auf L abfällt. Dann wird auch zu L und setzt somit das Flip-Flop 22, 11.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überwachung eines Leistungstransistors, welcher durch jeweils einen rechteckförmigen Ansteuerimpuls in den leitenden Zustand geschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherelement in einen Zustand gesetzt wird, der einen Fehler anzeigt, wenn innerhalb mindestens eines Teils eines Zeitfensters, das eine vorgegebene Zeit nach einer Flanke des Ansteuerimpulses beginnt und mit der folgenden Flanke des Ansteuerimpulses endet, die Spannung am Ausgang der Endstufe nicht den während dieses Zeitraums bei ordnungsgemäßen Betrieb vorgesehenen Pegel einnimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitfenster eine vorgegebene Zeit nach dem Anfang des Ansteuerimpulses beginnt und daß der Ansteuerimpuls beim Setzen des Speicherelementes unterbrochen wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Zeitfensters ein Zeitglied (7) vorgesehen ist, dessen Eingang mit einer Zuleitung für den Ansteuerimpuls verbunden ist und dessen Ausgang mit einem ersten Eingang einer Logikschaltung (9) verbunden ist, daß ein zweiter Eingang der Logikschaltung (9) an den Ausgang des Leistungstransistors (4) angeschlossen ist und daß der Ausgang der Logikschaltung (9) mit dem Setzeingang eines Flip-Flops (10, 11) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuerimpuls der Steuerelektrode des Leistungstransistors (4) über zwei in Reihe geschaltete Widerstände (5, 6) zuführbar ist, deren Verbindungspunkt mit dem Eingang des Zeitgliedes (7) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (7) auf diejenige Flanke des Ansteuerimpulses anspricht, welche den Leistungstransistor (4) in den leitenden Zustand steuert und daß ferner der Verbindungspunkt über einen weiteren Transistor (12), vorzugsweise einen Feldeffekt-Transistor, mit Massepotential verbindbar ist, dessen Steuerelektrode an einen Ausgang des Flip-Flops (10, 11) angeschlossen ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (7) auf diejenige Flanke des Ansteuerimpulses anspricht, welche ein Sperren des Leistungstransistors (4) zur Folge hat.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (7) sowohl auf die Vorder- als auch auf die Rückflanke des Ansteuerimpulses anspricht.

8. Schaltungsanordnung nach einem Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (1) vorgesehen ist mit einem Ausgang (2), von dem der Ansteuerimpuls dem Leistungstransistor (4) zuführbar ist, und daß Mittel (13) zur Übertragung eines Rücksetzimpulses vom Mikroprozessor (1) zum Rücksetzeingang des Flip-Flops (10, 11) und eines Ausgangssignals des Flip-Flops (10, 11) an den Mikroprozessor (1) vorgesehen sind.