DE4224244A1

DE4224244A1 - Electronic switch for PTC load - has adjuster between supply voltage source and load, switchable by control voltage.

Info

Publication number: DE4224244A1
Application number: DE19924224244
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Stuerzer; Klaus Wetzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: DE4224244C2

Abstract

The switch has a current meter (R5) picking-up current flowing through a PTC load (G1). Behind the meter an evaluator (T1-5, DV1-3, P1-3, R1-8, D1, K1, LED) is coupled for actuating an adjuster (T5) of the electronic switch. The adjuster limits a top limit value (Ref3) at a higher load current to a preset, lower, constant limit value (Ref2). After the top limit value has been exceeded, the evaluator switches again the adjuster when the load current has dropped to a still lower limit value (Ref1). Pref. the adjuster is also controlled by a temp. monitor (TK). USE/ADVANTAGE - For overload and short circuit protection. Improved operation for attaining high-ohmic state.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Schalt einrichtung für eine Kaltleiterlast.The invention relates to an electronic circuit device for a PTC load.

Elektronische Schalteinrichtungen sind im allgemeinen überlast- und kurzschlußsicher. Damit bei einer sehr nie derohmigen Last oder bei einem Kurzschluß die auftretende Überlastung der Schalteinrichtung beherrschbar ist, be grenzt diese den durch die Last fließenden Strom knapp oberhalb des Nennstroms der Schalteinrichtung. Soll eine derartige Schalteinrichtung eine Kaltleiterlast, wie bei spielsweise eine Glühlampe oder ein Heizelement, treiben, deren Nennstrom knapp unterhalb des maximal zulässigen Stromes der Schalteinrichtung liegt, so ist dies unproble matisch, wenn die Kaltleiterlast aufgeheizt ist. Da jedoch in der Aufheizphase die Kaltleiterlast einen Laststrom bis zum zehnfachen ihres Nennstromes zieht, muß dieser durch die Schalteinrichtung solange begrenzt werden, bis die Kaltleiterlast ausreichend hochohmig geworden ist. Die Schalteinrichtung erwärmt sich während der Strombegrenzungs phase aufgrund der hohen zusätzlichen Verlustleistung der art, daß entweder die Kühlung der Schalteinrichtung bei einer Kaltleiterlast viel effektiver und damit aufwendiger sein muß als es die Nennlastwerte erfordern oder eine ge gebenenfalls vorhandene Temperaturüberwachungseinrichtung bringt die Schalteinrichtung unerwünschterweise zur Ab schaltung.Electronic switching devices are common overload and short-circuit proof. So with a very never resistive load or in the event of a short circuit Overload of the switching device is manageable, be this narrowly limits the current flowing through the load above the nominal current of the switching device. Should one such switching device a PTC load, as in for example a light bulb or a heating element, whose nominal current is just below the maximum permissible Current of the switching device, this is unproblematic matic when the PTC thermistor load is heated. However, since in the heating phase, the PTC thermistor load up to a load current pulls ten times their nominal current, this must the switching device are limited until the PTC load has become sufficiently high-resistance. The Switching device heats up during the current limitation phase due to the high additional power loss of the Art that either the cooling of the switching device a PTC thermistor load much more effective and therefore more complex must be as the nominal load values require or a ge possibly existing temperature monitoring device undesirably brings the switching device down circuit.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische Schalt einrichtung für eine Kaltleiterlast anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist. The object of the invention is an electronic circuit device for a PTC load to specify this Does not have disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch eine Schalteinrichtung gemäß Pa tentanspruch 1 gelöst. Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand eines Unteranspruches.This task is performed by a switching device according to Pa Claim 1 solved. A further development of the invention is the subject of a subclaim.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is described below in the single Figure of the drawing shown embodiment explained in more detail.

Eine erfindungsgemäße Schalteinrichtung weist ein Stell glied auf, das zwischen eine in der Zeichnung nicht dar gestellte Versorgungsspannungsquelle und eine Kaltleiter last geschaltet ist. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Stellglied durch einen MOS-Feldeffekttransistor Ts gegeben, der eine Glühlampe G1 auf die Versorgungsspan nungsquelle aufschaltet. In Reihe zur Drain-Source-Strecke des Transistors Ts, zur Glühlampe G1 sowie zur Versor gungsspannungsquelle ist zudem ein Widerstand Rs geschal tet, der als Strommeßeinrichtung vorgesehen ist. Der Widerstand Rs liegt dabei zwischen dem Drainanschluß des Transistors Ts und dem positiven Pol Ub der Versorgungs spannungsquelle. Die Spannung über dem Widerstand Rs ist, bezogen auf den positiven Pol Ub der Versorgungsspannungs quelle, an dem nichtinvertierenden Eingang eines Diffe renzverstärkers Dv1 angelegt, dessen invertierender Ein gang mit einer Referenzspannung Ref2, ebenfalls bezogen auf den positiven Pol Ub der Versorgungsspannungsquelle, beaufschlagt ist.A switching device according to the invention has an actuator link that does not show between one in the drawing posed supply voltage source and a PTC thermistor load is switched. In the embodiment shown is the actuator by a MOS field effect transistor Ts given a light bulb G1 to the supply chip source switches on. In line with the drain-source section of the transistor Ts, the incandescent lamp G1 and the supply supply voltage source is also a resistor Rs schal tet, which is provided as a current measuring device. Of the Resistance Rs lies between the drain connection of the Transistor Ts and the positive pole Ub of the supply voltage source. The voltage across the resistor Rs is related to the positive pole Ub of the supply voltage source, at the non-inverting entrance of a dif limit amplifier Dv1 applied, its inverting on gear with a reference voltage Ref2, also related to the positive pole Ub of the supply voltage source, is acted upon.

Der Ausgang des Differenzverstärkers Dv1 ist mit dem Kol lektor eines pnp-Transistors T1 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand R1 mit dem Gate des Transistors Ts gekoppelt ist. Die Ansteuerung der Basis des Transistors T1 erfolgt unter Zwischenschaltung einer Diode D1 in Durchlaßrichtung und eines Widerstandes R2 durch den Aus gang eines Komparators K1. Beim Komparator K1 ist der nichtinvertierende Eingang mit dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers Dv1 und der invertierende Eingang mit den Drainanschlüssen eines MOS-Transistors T2 vom n-Kanal-Typ und eines MOS-Transistors T3 vom p-Kanal- Typ verbunden. Gate- und Sourceanschlüsse der Transistoren T2 und T3 sind mit den jeweiligen Anschlüssen eines MOS- Transistors T4 vom n-Kanal-Typ bzw. eines MOS-Transistors T5 vom p-Kanal-Typ verschaltet, wobei die zusammengeführ ten Gateanschlüsse über jeweils einen Widerstand R3 bzw. R4 an den Ausgang des Komparators K1 angeschlossen sind. Die Sourceanschlüsse der Transistoren T4 und T5 sind je weils unter Zwischenschaltung eines durch Verbinden von Ausgang und invertierendem Eingang als Spannungsfolger be triebenen Differenzverstärker Dv2 bzw. Dv3 an eine Refe renzspannung Ref3 bzw. Ref1, jeweils bezogen auf den posi tiven Pol Ub der Versorgungsspannungsquelle, gelegt.The output of the differential amplifier Dv1 is connected to the Kol Lector of a pnp transistor T1 connected, the emitter via a resistor R1 to the gate of transistor Ts is coupled. Driving the base of the transistor T1 takes place with the interposition of a diode D1 in Forward direction and a resistance R2 through the off gear of a comparator K1. The comparator K1 is non-inverting input with the non-inverting Input of the differential amplifier Dv1 and the inverting Input with the drain connections of a MOS transistor T2 of the n-channel type and a MOS transistor T3 of the p-channel Type connected. Gate and source connections of the transistors T2 and T3 are connected to the respective connections of a MOS Transistor T4 of the n-channel type or a MOS transistor T5 p-channel type interconnected, the merged th gate connections via a resistor R3 or R4 are connected to the output of the comparator K1. The sources of the transistors T4 and T5 are each because with the interposition of one by connecting Output and inverting input as voltage follower be driven differential amplifier Dv2 or Dv3 to a Refe limit voltage Ref3 or Ref1, each based on the posi tive pole Ub of the supply voltage source.

Ausgehend vom positiven Pol Ub ist die Referenzspannung Ref1 betragsmäßig kleiner als die Referenzspannung Ref2 und diese wiederum ist kleiner als die Referenzspannung Ref3. Die Referenzspannungen Ref1, Ref2 und Ref3 werden an den Abgriffen dreier in Reihe geschalteter Potentiometer P1, P2 und P3 abgenommen, die über einen Widerstand R5 aus der Versorgungsspannungsquelle versorgt werden. Zur Span nungsstabilisierung ist der Reihenschaltung aus den Poten tiometern P1, P2, P3 eine Leuchtdiode LED parallelgeschal tet.Starting from the positive pole Ub is the reference voltage Ref1 is smaller in magnitude than the reference voltage Ref2 and this in turn is less than the reference voltage Ref3. The reference voltages Ref1, Ref2 and Ref3 are on the taps of three potentiometers connected in series P1, P2 and P3 taken off through a resistor R5 the supply voltage source. To chip Voltage stabilization is the series connection from the pots tiometers P1, P2, P3 a light emitting diode LED in parallel tet.

Das Aktivieren bzw. Deaktivieren der erfindungsgemäßen Schaltungseinrichtung erfolgt mittels einer auf den nega tiven Pol der Versorgungsspannungsquelle bezogenen Steu erspannung Ucp. Diese Steuerspannung Ucp ist über einen Widerstand R6 an den Gateanschluß des Transistors TS anzu legen. Darüber hinaus werden auch die Differenzverstärker Dv1, Dv2, Dv3 sowie der Komparator K1 durch die Steuer spannung Ucp versorgt. Im einfachsten Fall wird die Steu erspannung Ucp aus der Versorgungsspannungsquelle unter Zwischenschaltung entsprechender Steuermittel sowie gege benenfalls von Mitteln zur Erzeugung einer gegenüber der Versorgungsspannung höheren Steuerspannung Ucp entnommen. Durch eine höhere Steuerspannung Ucp wird ein völliges Durchschalten des Transistors Ts ermöglicht.The activation or deactivation of the invention Circuitry is carried out by means of a on the nega tive pole of the supply voltage source related tax voltage Ucp. This control voltage Ucp is over one Resistor R6 to be connected to the gate terminal of transistor TS lay. In addition, the differential amplifier Dv1, Dv2, Dv3 and the comparator K1 by the tax voltage Ucp supplied. In the simplest case, the tax voltage Ucp from the supply voltage source below Intermediate control means and counter if necessary, of means for generating a compared to the Supply voltage higher control voltage Ucp taken. A higher control voltage Ucp makes a complete Through switching of the transistor Ts allows.

Bevorzugt weisen der Differenzverstärker Dv1 und der Kom parator K1 einen Open-Kollektorausgang auf, weshalb zwi schen dessen Ausgang und dem entsprechenden Versorgungsan schluß ein Widerstand R7 geschaltet ist. Außerdem ist in üblicher Weise zwischen dem Gateanschluß und dem Sourcean schluß des Transistors Ts ein Widerstand R8 zum sicheren Entladen der Gate-Source-Kapazität sowie eine Schutz schaltung gegen zu hohe Gate-Source-Spannungen, bestehend aus zwei gegeneinander in Reihe geschalteten Zenerdioden Z1 und Z2, vorgesehen. Entsprechende Schutzschaltungen mit Zenerdioden Z3, Z4 bzw. Z5, Z6 sind auch zwischen die Gate- und die Sourceanschlüsse der Transistoren T2 und T4 bzw. T3 und T5 geschaltet.Preferably, the differential amplifier Dv1 and the Kom parator K1 has an open collector output, which is why two its output and the corresponding supply finally a resistor R7 is connected. In addition, in usually between the gate connection and the Sourcean circuit of the transistor Ts a resistor R8 for safe Discharge the gate-source capacity as well as protection circuit against excessive gate-source voltages, existing from two Zener diodes connected in series against each other Z1 and Z2 are provided. Corresponding protective circuits with Zener diodes Z3, Z4 and Z5, Z6 are also between the Gate and source connections of transistors T2 and T4 or T3 and T5 switched.

Schließlich ist in Weiterbildung der Erfindung eine mit dem Transistor Ts thermisch gekoppelte Temperaturüberwa chungseinrichtung Tk vorgesehen, die bei Überschreiten ei nes gegebenen Grenzwerts der Temperatur am Transistor Ts über einen Widerstand R9 die Spannung am Gateanschluß des Transistors Ts derart verringert, daß dieser gesperrt und demzufolge die Glühlampe G1 abgeschaltet wird. Damit wird vorteilhafterweise bei einem länger andauernden Kurzschluß eine thermische Überlastung des Transistors Ts verhindert. Die Temperaturüberwachungseinrichtung Tk wird entweder mit der Versorgungsspannung oder, wie beim Ausführungsbeispiel gezeigt, mit der Steuerspannung Ucp betrieben. Finally, in a further development of the invention the transistor Ts thermally coupled temperature monitoring Chungseinrichtung Tk provided the egg when exceeded given limit value of the temperature at the transistor Ts the voltage at the gate terminal of the resistor R9 Transistor Ts reduced so that it is blocked and consequently the light bulb G1 is switched off. So that will advantageously in the event of a longer short circuit prevents a thermal overload of the transistor Ts. The temperature monitoring device Tk is either with the supply voltage or, as in the embodiment shown, operated with the control voltage Ucp.

Zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung wird nachfolgend von einer Schaltein richtung mit einem Nennstrom von 0,5 A bei 24 V ausgegan gen. Beim Einschalten einer noch nicht aufgeheizten Glüh lampe mit einer Nennleistungsaufnahme von 5 W bei 24 V soll dabei noch keine Überlastung der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung auftreten. Bei einer bekannten Schalt einrichtung mit einer generellen Strombegrenzung von bei spielsweise 0,7 A tritt während der Lampenaufheizphase von etwa 20 ms Dauer eine Verlustenergie von ca. 180 mWs auf. Ist dagegen die Strombegrenzung in der Lampenaufheizphase erfindungsgemäß nicht wirksam, so treten in der gleichen Zeitspanne nur etwa 7 mWs als Verlustenergie bei einem an genommenen Durchgangswiderstand der Schalteinrichtung von 0,5 Ohm auf. Um dies zu erreichen, wird bei der erfin dungsgemäßen Schalteinrichtung die Strombegrenzung erst ab Lastströmen wirksam, die höher sind als der Kaltstrom der vorgesehenen Glühlampe. Das bedeutet, daß die Strombegren zung von 0,7 A erst nach Überschreiten des oberen Grenz wertes von beispielsweise 3 A, also bei Lasten mit einem Widerstand <7,5 Ohm wirksam wird. Von da an tritt eine ge nerelle Strombegrenzung von 0,7 A ein. Bei einem Wider stand <7,5 Ohm wird die Strombegrenzung wieder aufgehoben und es fließt ein Strom, der durch den wirksamen Lastwi derstand und nicht durch die Schalteinrichtung selbst be grenzt wird. Bei Lastwiderständen <34 Ohm ist das Verhal ten der erfindungsgemäßen und der bekannten Schalteinrich tung identisch.To explain the operation of an inventive Switching device is subsequently switched by a switch direction with a nominal current of 0.5 A at 24 V. When switching on a glow that has not yet heated up lamp with a nominal power consumption of 5 W at 24 V. should not yet overload the invention Switching device occur. In a known circuit device with a general current limitation of for example, 0.7 A occurs during the lamp heating phase about 20 ms duration a loss energy of about 180 mWs. In contrast, is the current limitation in the lamp heating phase not effective according to the invention, so occur in the same Time span only about 7 mWs as a loss of energy at one volume resistance of the switching device taken from 0.5 ohms. To achieve this, the inventor The switching device according to the invention only limits the current Effective load currents that are higher than the cold current of the provided light bulb. That means the current limits of 0.7 A only after the upper limit has been exceeded value of, for example, 3 A, i.e. for loads with one Resistance <7.5 ohms is effective. From there, a ge current limit of 0.7 A. If there is a contradiction was <7.5 Ohm, the current limitation is canceled and a current flows through the effective load and not by the switching device itself is bordered. This is the case for load resistances <34 Ohm th of the inventive and the known switching device tion identical.

Es wurde zunächst nur von kurzzeitigen Überlastungen aus gegangen. Bei niederohmigen Dauerlasten mit aktivierter Strombegrenzung durch die Schalteinrichtung dagegen er wärmt sich der Transistor Ts und damit ggf. die gesamte Schalteinrichtung bis zu der Temperatur, bei der die in Weiterbildung der Erfindung vorgesehene Temperaturüberwa chungseinrichtung Tk den Transistor Ts abschaltet und da durch vor thermischer Zerstörung schützt.It was initially only characterized by short-term overloads went. With low-resistance continuous loads with activated Current limitation by the switching device, however, he the transistor Ts and thus possibly the entire one heats up Switching device up to the temperature at which the in Development of the invention provided temperature monitoring Chungseinrichtung Tk turns off the transistor Ts and there protects against thermal destruction.

Bei einem Laststrom unterhalb des Nennstroms ist der Tran sistor Ts eingeschaltet und der Transistor T1 ausgeschal tet. Dabei wird über die Transistoren T2 und T4 die Refe renzspannung Ref3, die in diesem Fall für einen Grenzwert von 3 A steht, an den invertierenden Eingang des Kompara tors K1 gelegt. Steigt infolge einer niederohmigen Last der Laststrom über 3 A an, schaltet der Komparator K1 den Transistor T1 und damit die Strombegrenzung ein. Gleich zeitig wird mittels der Transistoren T3 und T5 anstelle der Referenzspannung Ref3 nun die Referenzspannung Ref1, die für einen Grenzwert von etwa 0,6 A steht, zum Kompara tor K1 durchgeschaltet. Der mittels des Widerstands Rs ge messene Laststrom wird nun durch den Differenzverstärker Dv1 auf einen durch die Referenzspannung Ref2, die für ei nen Strom von etwa 0,7 A steht, begrenzt. Erst wenn infol ge einer Lastwiderstandserhöhung oder einer Schalterdeak tivierung der Laststrom wieder unter 0,6 A sinkt, kippt der Komparator K1 erneut und sperrt zum einen dadurch den Transistor T1 und zum anderen schaltet er seine eigene Wiedereinschaltschwelle auf die Referenzspannung Ref3 ent sprechend einem Grenzwert von 3 A. Damit ist der Ausgangs zustand wieder hergestellt.At a load current below the nominal current, the Tran is sistor Ts switched on and the transistor T1 switched off tet. The Refe limit voltage Ref3, which in this case is for a limit value of 3 A is connected to the inverting input of the Kompara tors K1 laid. Increases due to a low-resistance load If the load current exceeds 3 A, the comparator K1 switches the Transistor T1 and thus the current limit. Soon is timely by means of transistors T3 and T5 instead the reference voltage Ref3 now the reference voltage Ref1, which stands for a limit value of approximately 0.6 A to the Kompara gate K1 switched through. The ge by means of the resistor Rs measured load current is now through the differential amplifier Dv1 to one by the reference voltage Ref2, which for ei NEN current of about 0.7 A is limited. Only if infol an increase in load resistance or a switch leak the load current falls below 0.6 A, tilts the comparator K1 again and on the one hand thereby blocks the Transistor T1 and on the other hand it switches its own Switch-on threshold to the reference voltage Ref3 ent speaking of a limit of 3 A. This is the output condition restored.

Bei einer erfindungsgemäßen Schalteinrichtung ist vorteil hafterweise die Wärmeentwicklung in der Aufheizphase der angeschlossenen Kaltleiterlast geringer und die Aufheiz phase selbst kürzer als bei einer bekannten Schalteinrich tung. Dadurch werden in der Regel keine aufwendigen Kühl maßnahmen notwendig.In a switching device according to the invention is advantageous the heat development in the heating phase of the connected PTC thermistor load lower and the heating phase itself shorter than with a known switchgear tung. As a rule, this eliminates the need for complex cooling measures necessary.

Claims

1. Electronic switching device for a PTC thermistor load with one between a supply voltage source and the PTC thermistor load (G1) switched, by a control voltage (Ucp) switchable actuator (Ts), with a Current measuring device (Rs) for determining the through the PTC load (G1) flowing load current and with a downstream of the current measuring device (Rs) direction (T1 to T5, Dv1 to Dv3, P1 to P3, R1 to R8, D1, K1, LED) to control the actuator (Ts), which at a load current above a given upper limit (Ref3) this with the actuator (Ts) to a given limited compared to the lower, constant value (Ref2) and that after the upper limit (Ref3) is exceeded when the load current fell below one given, low compared to the constant value (Ref2) lower limit (Ref1) the actuator (Ts) in turn switches through.

2. Electronic switching device according to claim 1, characterized, that the actuator (Ts) additionally through one with it thermally coupled temperature monitoring device (Tk) is controlled such that when a given limit value of the temperature at the actuator (Ts) this is switched off.