DE4142666C2 - Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter zum Schalten einer Last - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter zum Schalten einer Last, insbesondere eines Stellgliedes in Steuer- oder Regeleinrichtungen, in Abhängigkeit von einem zugeführten Schaltsignal, wobei eine Einrichtung zum Abschalten im Falle eines Kurzschlusses von einem Stromsensor über ein Filter ansteuerbar ist.

Derartige Schaltungsanordnungen werden insbesondere dann verwendet, wenn die Last über Kabel mit dem Halbleiterschalter verbunden ist, wie beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs. Wegen der rauhen Betriebsbedingungen ist dabei ein Kurzschluß nicht auszuschließen. Die Ansteuerung der Abschalteinrichtung erfolgt jedoch über ein Filter, da kurzzeitige Stromspitzen nicht zu einer Abschaltung führen sollen. Es sind bei diesen Schaltungsanordnungen jedoch Strombegrenzungsregler vorgesehen, damit der Strom bei einem Kurzschluß bis zu einer Abschaltung begrenzt wird. Bei einem sehr schnellen Stromanstieg wird jedoch zunächst der Strom durch die Eigenschaften des als Halbleiterschalter verwendeten Transistors begrenzt, bevor die Begrenzungsregelung einsetzt.

So ist gemäß EP 0 166 125 A1 eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter zum Schalten einer Last in Abhängigkeit von einem zugeführten Schaltsignal bekannt. Dabei steuert ein Stromsensor über ein Filter eine Einrichtung zum Abschalten im Falle eines Kurzschlusses an, wobei diese Einrichtung zum Abschalten über eine Logikschaltung von einem Ausgangssignal eines Detektors für eine Überspannung am Halbleiterschalter ansteuerbar ist.

Aus EP 111 028 A1 ist es bekannt, unter Verwendung eines den Laststrom messenden Stromsensors einen Leistungsschalter auf einen zulässigen Stromwert einzuregeln. Eine Strombegrenzungseinrichtung, die im Kurz­ schlußfall den Leistungsschalter abschaltet, wird von einem Ausgangssignal einer Spannungsüberwachungsschaltung angesteuert.

Gemäß Elektrotechnik 59, Heft 11, 1977, Seiten 14 bis 19, Bild 4 u. 5 ist eine Schutzschaltung mit kombinierter Strom- und Spannungsüberwachung bekannt, wobei die Spannungsüberwachung bei Ansprechen auf eine zu hohe Spannung der Stromüberwachung einen zu hohen Strom vortäuscht.

Bei einer induktiven Komponente der im Kurzschlußfall vorhandenen Last bewirkt die durch den Regler bedingte Stromverringerung eine Spannungsspitze, die den Halbleiter zerstören kann oder eine gegebenenfalls vorhandene Überspannungsabschaltung vorübergehend auslöst. Ist die Spannungsspitze vorüber, wird der Halbleiterschalter wieder eingeschaltet, so daß bei weiter bestehendem Kurzschluß wieder eine neue Spannungsspitze entsteht. Das zwischen den Stromsensor und die Abschalteinrichtung eingeschaltete Filter verhindert jedoch, daß die durch diese Oszillation entstehende impulsförmige Ausgangsspannung des Stromsensors die Abschalteinrichtung betätigt. Die unterbliebene an sich notwendige Abschaltung kann jedoch zur Zerstörung des Halbleiterschalters führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Schaltungsanordnung der im Oberbegriff genannten Art sicherzustellen, daß auch bei einer induktiven Komponente im Kurzschlußfall ein sicheres Abschalten erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Abschalten ferner über eine Logikschaltung vom Schaltsignal und von einem Ausgangssignal eines Detektors für eine Überspannung am Halbleiterschalter derart ansteuerbar ist, daß ein Abschalten erfolgt, wenn eine Überspannung vorliegt und das Schaltsignal einen zum Einschalten vorgesehenen Pegel einnimmt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß bei eingeschaltetem Halbleiterschalter Überspannungen als durch einen Kurzschluß mit induktiver Last verursachte Überspannungen erkannt werden und zum sofortigen Abschalten führen. Gegenüber den bekannten Schaltungsanordnungen benötigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung lediglich eine zusätzliche Und-Schaltung, was bei der Verwirklichung mit Hilfe von integrierten Schaltungen oder Hybrid-Schaltungen einen äußerst geringen Mehraufwand bedeutet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß die Logikschaltung eine Und-Schaltung ist, die den logischen Pegel "1" liefert, wenn das Schaltsignal zum Einschalten und das Ausgangssignal des Überspannungsdetektors für den Fall einer Überspannung den logischen Pegel "1" einnehmen.

Eine weitere vorteilhafter Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg zwischen einem Eingangspunkt für das Schaltsignal und einer Steuerelektrode des Halbleiterschalters eine weitere Logikschaltung vorge­ sehen ist, mit welcher die Zuführung des Schaltsignals zur Steuerelektrode unterbrochen wird, wenn die Einrichtung zum Abschalten dementsprechend angesteuert wird.

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 eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist die Emitter-Kollektor-Strecke eines als Halbleiterschalter dienenden Transistors 1 in Reihe mit einer Last 2 geschaltet, die an den positiven Pol einer im übrigen nicht dargestellten Betriebsspannung angeschlossen ist. Im Emitter-Zweig des Transistors 1 befindet sich der Stromsensor 3, der eine dem Emitter-Strom entsprechende Spannung erzeugt und an den invertierenden Eingang eines Strombegrenzungsreglers 4 und an den Eingang eines Filters 5 legt. Der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 1 ist eine Z-Diode 6 parallelgeschaltet, um allzu hohe Spannungsspitzen abzuleiten. Ferner ist ein Überspannungsdetektor an den Kollektor des Transistors angeschlossen, dessen Ausgangsspannung den Wert 1 annimmt, wenn die Kollektorspannung einen vorgegebenen Wert überschreitet. Die Ausgangsspannung des Überspannungsdetektors 7 wird im folgenden Überspannungssignal genannt.

Das Überspannungssignal steuert über einen Widerstand 8 einen weiteren Transistor 9 in den leitenden Zustand, sobald die Kollektorspannung den vorgegebenen Wert überschreitet. Damit wird die Basis des Transistors 1 ausgeräumt, was eine Voraussetzung zur Ausnutzung des zulässigen Spannungsbereichs des Transistors 1 ist.

Zur Steuerung des Ein- bzw. Ausschaltens wird einem Eingang 10 ein Schaltsignal zugeführt, das für das Einschalten einen positiven Pegel einnimmt, welchem bei dem Beispiel der logische Pegel "1" zugeordnet ist. Über eine Und-Schaltung 11 gelangt das Schaltsignal während des normalen Betriebes zu einem Schalteingang des Strombegrenzungsreglers 4 und wird von diesem zur Basis des Transistors 1 weitergeleitet. Dieses geschieht in der zum vollständigen Durchschalten erforderlichen Höhe, sofern die Ausgangsspannung des Stromsensors 3 keine eine Strombegrenzung verursachende Höhe erreicht. Dem Strombegrenzungsregler 4 wird außerdem über einen weiteren Eingang 12 eine den maximalen Stromwert bestimmende Referenzspannung zugeführt.

Zum Abschalten des Transistors 1 im Falle eines Kurzschlusses wird die Ausgangsspannung des Filters 5 einem Komparator 13 zugeführt, dessen Ausgangssignal den logischen Pegel "1" annimmt, wenn der Strom einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt. Bei bekannten Schaltungsanordnungen wird das Ausgangssignal des Komparators 13 unmittelbar einer Abschalteinrichtung zugeführt, die aus einem Flip-Flop 14 und einem Invertierer 15 besteht. Durch einen Spannungssprung des Schaltsignals am Eingang 10 wird das Flip-Flop 14 zurückgesetzt, falls es zuvor gesetzt wurde. Im Kurzschlußfall setzt das Ausgangssignal des Komparators 13 das Flip-Flop 14, so daß die Ausgangsspannung des Flip-Flops den logischen Pegel "1" einnimmt und über den Invertierer 15 und die Und-Schaltung 11 die Zuführung des Schaltsignals zum Strombegrenzungsregler unterbindet. Außerdem kann einem Ausgang 16 ein Signal zur Anzeige der Kurzschlußabschaltung entnommen werden.

Zur Sicherstellung des Abschaltens für den Fall einer auch im Kurzschlußfall induktiven Last wird das Überspannungssignal einem Eingang einer weiteren Und-Schaltung 17 zugeführt, deren anderer Eingang mit dem Schaltsignal beaufschlagt ist. Der Ausgang der Und-Schaltung 17 ist mit einem Eingang einer Oder-Schaltung 18 verbunden, die im übrigen im Signalweg zwischen dem Komparator 13 und dem Setzeingang des Flip-Flops 14 liegt. Während der Einschaltzeit des Transistors 1 weist das Schaltsignal am Eingang 10 den Pegel "1" auf. Tritt während dieser Zeit ein Kurzschluß auf, der durch die induktive Komponente der Kurzschlußlast eine Spannungsspitze zur Folge hat, wird durch das in diesem Fall auch den Pegel "1" einnehmende Überspannungssignal über die Und-Schaltung 17 und die Oder-Schaltung 18 das Flip-Flop 14 gesetzt, was wiederum über den Invertierer 15 und die Und-Schaltung 11 zum Abschalten des Transistors führt.

Fig. 2 zeigt eine praktisch ausgeführte Schaltung. Dabei wird die Endstufe von einem Multi-Emitter-Transistor 22 gebildet, dessen einer Emitter mit Masse und dessen Kollektor mit einem Ausgang 23 verbunden ist. Da die Schaltungsanordnung im wesentlichen zum Schalten von induktiven Verbrauchern vorgesehen ist, sind dem Transistor 22 eine Verpolschutzdiode 24 und eine Z-Diode 6 zum Schutz des Transistors 22 vor Überspannungen parallelgeschaltet.

Ein Schaltsignal für den Transistor 22 wird über einen Eingang 28 zugeführt, der über einen Eingangswiderstand 29 mit Masse verbunden ist. Das Schaltsignal gelangt über eine Nicht-Und-Schaltung 30, einen invertierenden Verstärker 31 und einen Widerstand 32 zur Basis des Transistors 22.

Zum Erkennen von Fehlern im Bereich des Ausgangs 23 sind eine Leerlauf-Überwachungsschaltung und eine Kurzschluß-Überwachungsschaltung vorgesehen. Die Leerlauf-Überwachungsschaltung spricht an, wenn der Strom durch den Transistor 22 unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, wenn also eine Leitungsunterbrechung zwischen dem Kollektor des Transistors 22, dem Verbraucher, innerhalb des Verbrauchers oder zwischen dem Verbraucher und der positiven Betriebsspannung vorliegt. Außerdem reagiert die Leerlauf-Überwachungsschaltung bei einem Kurzschluß des Ausgangs 23 gegen Masse.

Die Kurzschluß-Überwachungsschaltung spricht an, wenn der Strom durch den Transistor 22 einen weiteren vorgegebenen Wert überschreitet, was im wesentlichen bei einem Schluß zwischen dem Ausgang 23 oder der Leitung zum Verbraucher einerseits und dem positiven Pol der Betriebsspannungsquelle andererseits der Fall ist.

Die Leerlauf-Überwachungsschaltung wird von einer Schwellwertschaltung 33, einem Tiefpaß 34, einem Flip-Flop 35, einer Oder-Schaltung 36 und einem Ausgangs-Transistor 37 gebildet. An einem Ausgang 38 ist ein Signal entnehmbar, welches einen Leerlauf, also beispielsweise einen Leitungsbruch, anzeigt.

Die Schwellwertschaltung 33 erzeugt ein Ausgangssignal, das bei Überschreiten eines vorgegebenen Wertes des Stroms durch den Transistor 22 positiv wird. Dieser vorgegebene Wert liegt unterhalb des für den jeweiligen Verbraucher zu erwartenden Stroms, wobei Toleranzen der einzelnen Verbraucher und zeitliche und thermische Schwankungen zu berücksichtigen sind. Mit dem Tiefpaß-Filter 34, der beispielsweise eine Zeitkonstante von 200 µs aufweist, werden kurzzeitige Störungen unterdrückt.

Das Flip-Flop 35 wird mit Beginn jeweils eines den Transistor 22 in den leitenden Zustand steuernden Steuerimpulses gesetzt. Am Ausgang steht dann der Wert L an. Durch die Nicht-Oder-Verknüpfung 36 mit dem Steuersignal, das zu dieser Zeit den Wert "1" aufweist, entsteht am Ausgang der Nicht-Oder-Schaltung ein Signal "0", das über den Widerstand 39 den Transistor 37 in den nichtleitenden Zustand steuert. Der Ausgang 38 erhält damit den Pegel "1".

Steigt während der leitenden Phase des Transistors 22 der Strom über den Schwellwert, wird das Flip-Flop 35 zurückgesetzt. Am Ende der leitenden Phase nimmt das Steuersignal den Wert "0" an, so daß wegen der Nicht-Oder-Verknüpfung bei 36 das Signal am Ausgang 38 vom Pegel am Ausgang abhängig ist. Da das Flip-Flop 35 zurückgesetzt worden ist, liegt am Ausgang der Pegel "1" an, so daß der Transistor 37 weiterhin nichtleitend ist und am Ausgang 38 der Pegel "1" herrscht.

Hat jedoch der Strom durch den Transistor 22 während der leitenden Phase nicht den vorgegebenen Wert überschritten, bleibt das Flip-Flop 35 gesetzt, so daß der Ausgang weiterhin den Pegel "0" führt. Dieses führt zu einem Ansteuern des Transistors 37, so daß am Ausgang 38 der Pegel "0" als Fehlermeldung ausgegeben wird.

Die Kurzschluß-Überwachungsschaltung besteht aus einer Schwellwertschaltung 41, einem Tiefpaß 42, einer Oder-Schaltung 43, einem Flip-Flop 44 und einem Ausgangs-Transistor 45, dessen Kollektor einen Ausgang 46 bildet. Das Ausgangssignal der Schwellwertschaltung 41 springt auf einen positiven Wert, wenn der Strom durch den Transistor 22 einen Wert übersteigt, der oberhalb der beim normalen Betrieb zu erwartenden Ströme liegt. Der Tiefpaß 42 dient zur Unterdrückung von kurzzeitigen Störungen. Zur Bildung eines Strombegrenzungsreglers ist an den Ausgang der Schwellwertschaltung 41 über einen Widerstand 47 die Basis eines Transistors 48 angeschlossen, der mit dem Widerstand 32 als Arbeitswiderstand die Spannung an der Basis des Transistors 22 im Kurzschlußfall verringert und somit eine Strombegrenzung bewirkt. Dadurch wird der Strom auf einen Wert begrenzt, bei dem der Transistor noch nicht überlastet wird, und der genügt, um das Flip-Flop 44 zu setzen, das von den Steuersignalen getaktet wird. Zusätzlich kann der Transistor 48 vom Überspannungssignal über eine Diode 25 in den leitenden Zustand gesteuert werden, um die Basis des Transistors 22 auszuräumen.

Durch das Setzen des Flip-Flops 44 wird der über einen Widerstand 49 mit dem Ausgang Q des Flip-Flops 44 verbundene Transistor 45 leitend, so daß im Falle eines Kurzschlusses der Ausgang 46 den Pegel "0" einnimmt. Gleichzeitig wird durch die Verbindung des Ausgangs des Flip-Flops 44 mit der Nicht-Und-Schaltung 30 eine weitere Zuführung der Steuersignale zum Transistor 22 solange unterbunden, bis das Schaltsignal am Eingang 28 wieder einen Wechsel von Pegel "0" nach Pegel "1" macht, und-damit das Flip-Flop 44 wieder zurückgesetzt wird.

Es ist ferner ein Temperatursensor 51 vorgesehen, der ein Signal Thx abgibt, welches bei Überschreiten eines zulässigen Temperaturwertes den Pegel "1" einnimmt. Dieses Signal wird den Oder-Schaltungen 43 zugeführt und löst damit eine Kurzschluß-Fehlermeldung aus.

Wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 werden das Schaltsignal und das Überspannungssignal einer Und-Schaltung 17 zugeführt. Der Ausgang der Und-Schaltung 17 ist mit einem dritten Eingang der Oder-Schaltung 43 verbunden.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterschalter zum Schalten einer Last, insbesondere eines Stellgliedes in Steuer- oder Regeleinrichtungen, in Abhängigkeit von einem zugeführten Schaltsignal, wobei eine Einrichtung zum Abschalten im Falle eines Kurzschlusses von einem Stromsensor über ein Filter ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (14, 15; 44) zum Abschalten ferner über eine Logikschaltung (17) vom Schaltsignal und von einem Ausgangssignal eines Detektors (7) für eine Überspannung am Halbleiterschalter (1; 22) derart ansteuerbar ist, daß ein Abschalten erfolgt, wenn eine Überspannung vorliegt und das Schaltsignal einen zum Einschalten vorgesehenen Pegel einnimmt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung eine Und-Schaltung (17) ist, die den logischen Pegel "1" liefert, wenn das Schaltsignal zum Einschalten und das Ausgangssignal des Überspannungsdetektors (7) für den Fall einer Überspannung den logischen Pegel "1" einnehmen.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg zwischen einem Eingangspunkt (10) für das Schaltsignal und einer Steuerelektrode des Halbleiterschalters (1; 22) eine weitere Logikschaltung (11; 30) vorgesehen ist, mit welcher die Zuführung des Schaltsignals zur Steuerelektrode unterbrochen wird, wenn die Einrichtung (14, 15; 44) zum Abschalten dementsprechend angesteuert wird.