DE4439967B4 - Circuit arrangement for protection against high-energy overvoltages - Google Patents

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Abstract

Schaltungsanordnung zum Schutz von eλektronischen Schaltkreisen,Schaltungskomponenten, empfindlichen Verbrauchern vor energiereichen übersgannungen, welche beim Auftreten einer Überspannung, die über einem vorgegebenen Grenzwert (URef) liegt, einen ohnehin vorhandenen, leistungsstarken bzw. niederohmigen Verbraucher (VB) für eine Vorgegebene Zeitspanne oder für die Dauer der Überspannung einschaltet, dadurch gekennzeichnet,daß die Schaltungsanordnung ein Zeitglied (6) enthält, das beim Auftreten einer Überspannung den Verbraucher (VB) für eine σorgegebene, über die Dauer der Überspannung hinausgehende Zeitspanne einschaltet,wobei das Zeitglied in Form einer monostabilenKippstufe (6) realisiert ist und das Zeitglied (6) nur dann eingeschaltet wird, wenn das Auftreten der überspannung eine vorgegebene Mindestdauer überschreitet, und wobei dem Zeitglied(6) ein Verzögerungsglied (5) vorgeschaltet ist, das nur dann ein Signal abgibt,wenn die Überspannung die vorgegebene Mindestdauer überschreitet.Circuit arrangement for the protection of electronic circuits, circuit components, sensitive consumers from high-energy overvoltages, which, in the event of an overvoltage that is above a predetermined limit value (U Ref ), an already existing, powerful or low-resistance consumer (VB) for a predetermined period of time or for the duration of the overvoltage is switched on, characterized in that the circuit arrangement contains a timing element (6) which, when an overvoltage occurs, switches on the consumer (VB) for a specified period of time which extends beyond the duration of the overvoltage, the timing element in the form of a monostable multivibrator ( 6) is realized and the timer (6) is only switched on when the occurrence of the overvoltage exceeds a predetermined minimum duration, and the timer (6) is preceded by a delay element (5) which only emits a signal when the overvoltage the default Minimum duration exceeds.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Schaltkreisen, Schaltungskomponenten, empfindlichen Verbrauchern usw. vor energiereichen Überspannungen.The invention relates to a Circuit arrangement for the protection of electrical circuits, circuit components, sensitive consumers etc. from high-energy surges.

Es sind zahlreiche, sehr verschiedenartige Maßnahmen zum Schutz von elektronischen Schaltungen vor Überspannungen bekannt. Solche Überspannungen können zu Fehlfunktionen, zur Überlastung und gar Zerstörung der elektronischen Schaltungsanordnungen oder der angeschlossenen Verbraucher führen. Die Höhe der Überspannungen, die auftreten können, ist je nach Anwendungsfall sehr verschieden. There are numerous, very different types of measures known to protect electronic circuits from overvoltages. Such surges can malfunctions, overload and even destruction the electronic circuitry or the connected Lead consumers. The height of surges, that can occur is very different depending on the application.

Wie in der DE-A-3435055 beschrieben, müssen elektronische Schaltungen in Kraftfahrzeugen, die zur Span nungsversorgung an ein Generator-Batterie-Aggregat angeschlossen sind, vor den sogen. loaddump-Überspannungen geschützt werden. Derartige load-dump-Überspannungen treten vor allem bei plötzlicher Unterbrechung des Anschlusses an die Batterie, z.B. bei einem Wackelkontakt, und einem momentan hohen Ladestrom auf. Die load-dump-Überspannungen können Spannungsspitzen bis ca. 100 V annehmen, die erst nach ca. 200 msec auf unschädliche Werte abgesunken sind. Es handelt sich folglich um energiereiche Überspannungen. Zum Schutz der elektronischen Schaltungen und der empfindlichen Verbraucher vor diesen Überspannungen werden leistungsstarke, niederohmige Verbraucher, wie Ventilspulen, für eine vorgegebene Zeitspanne eingeschaltet oder sogenannte load-dump-Dioden, das sind hochbelastbare Suppressordioden, Zenerdioden oder Varistoren, verwendet, die die Überspannungen je nach Schaltungsauslegung auf z.B. 40 V begrenzen und die kurzzeitig Verlustleistungen von z.B. 2000 W aufnehmen können. Solche Bauelemente sind relativ teuer und manche zudem von begrenzter Lebensdauer.Like in the DE-A-3435055 Described, electronic circuits in motor vehicles, which are connected to the voltage supply to a generator-battery unit, before the so-called. loaddump surges are protected. Such load-dump overvoltages occur especially when the connection to the battery is suddenly interrupted, for example in the case of a loose contact, and a currently high charging current. The load-dump overvoltages can assume voltage peaks of up to approx. 100 V, which have dropped to harmless values only after approx. 200 msec. It is therefore a matter of high-energy overvoltages. To protect the electronic circuits and the sensitive consumers from these overvoltages, high-performance, low-resistance consumers, such as valve coils, are switched on for a specified period of time or so-called load-dump diodes, which are heavy-duty suppressor diodes, Zener diodes or varistors, which use the overvoltages depending on Limit the circuit design to, for example, 40 V and which can temporarily absorb power losses of, for example, 2000 W. Such components are relatively expensive and some also have a limited lifespan.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die einen wirksamen Schutz vor energiereichen Überspannungen bietet, die zuverlässig arbeitet und die mit geringen Kosten herzustellen ist.The invention is therefore the object based on a circuit arrangement of the type mentioned develop effective protection against high energy surges offers that reliable works and can be produced at low cost.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung gelöst Erfindungsgemäß wird beim Auftreten einer Überspannung, die über einem vorgegebenen Grenzwert liegt, ein ohnehin vorhandener, relativ leistungsstarker oder niederohmiger Verbraucher für eine vorgegebene Zeitspanne oder für die Dauer der Überspannung eingeschaltet. Zum Einschalten des Verbrauchers wird zweckmäßigerweise ein ohnehin vorhandener Leistungsschalter, nämlich ein Relais, ein Leistungstransistor oder dergl., verwendet.This task is claimed by the 1 described circuit arrangement solved According to the invention Occurrence of an overvoltage, the above is a predetermined limit, an already existing, relative powerful or low-resistance consumer for a given Period of time or for the duration of the overvoltage switched on. To switch on the consumer, an existing circuit breaker is expediently namely a relay, a power transistor, or the like.

Natürlich wird ein Verbraucher gewählt, bei dem das kurzzeitige Einschalten zur Dämpfung der Überspannung für die Funktion belanglos ist oder zumindest zu keiner Fehlfunktion führt. Gehört beispielsweise die Schaltungsanordnung, die zu schützen ist, zu einem Kraftfahrzeug-Regelungssystem, wie einem Antiblockiersystem (ABS), Antriebsschlupfregelungssystem oder dergl., das mit einer Hydraulikpumpe ausgerüstet ist, bietet es sich an, diese Pumpe beim Auftreten der Überspannung kurzzeitig einzuschalten. Andere niederohmige, leistungsstarke Verbraucher der hier in Rede stehenden Art sind beispielsweise Heizelemente, Lampen oder andere Elektromotoren (z.B. Wischermotoren) des Fahrzeugs.Of course, it becomes a consumer selected in which the brief switch-on to dampen the overvoltage for the function is irrelevant or at least does not lead to a malfunction. Heard for example the circuitry that is to be protected to a motor vehicle control system, such as an anti-lock braking system (ABS), traction control system or The like., which is equipped with a hydraulic pump, offers this pump briefly when the overvoltage occurs turn. Other low-resistance, high-performance consumers of the type in question here are, for example, heating elements, Lamps or other electric motors (e.g. wiper motors) of the vehicle.

Das kurzzeitige Einschalten dieser Verbraucher ist auch deswegen ohne Belang, weil die energiereichen Überspannungen nur selten auftreten.The brief activation of this Consumers are also irrelevant because of the high-energy surges rarely occur.

Nach der Erfindung ist ein Zeitglied vorhanden, das beim Auftreten einer Überspannung den Verbraucher für eine vorgegebene, über die Dauer der Überspannung hinausgehende Zeitspanne einschaltet. Dadurch läßt sich ein zu häufiges An- und Ausschalten des Verbrauchers verhindern. Es ist auch vorgesehen, mit Hilfe eines Verzögerungsgliedes das Ansprechen des Zeitgliedes auf sehr kurze Überspannungen zu verhindern.According to the invention is a timer available to the consumer when an overvoltage occurs for one predetermined, about the duration of the surge beyond this period. This means that too often and prevent the consumer from being switched off. It is also intended with the help of a delay element to prevent the timer from responding to very short overvoltages.

Einige weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und Anwendungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen genannt.Some further advantageous exemplary embodiments of the invention and possible uses in the subclaims called.

Weitere Details der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Abbildungen hervor.Further details of the invention go from the following description of exemplary embodiments using the attached Illustrations.

Es zeigen in schematischer VereinfachungThey show a schematic simplification

1 den prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik. 1 the basic structure of a circuit arrangement according to the prior art.

2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung. 2 an embodiment of a circuit arrangement according to the invention.

Im Prinzip besteht die Schaltungsanordnung nach 1 lediglich aus einem Leistungsschalter 1, der geschlossen wird, wenn im Versorgungsnetz, das hier durch die Batteriespannung + UB symbolisiert wird, eine Überspannung auftritt. Der Schalter 1 dient zum Einschalten eines oder mehrerer Verbraucher VB. Zweckmäßigerweise wird ein ohnehin vorhandener Leistungsschalter zur Dämpfung der Überspannung eingesetzt.In principle, the circuit arrangement exists 1 only from a circuit breaker 1 , which is closed when an overvoltage occurs in the supply network, which is symbolized here by the battery voltage + U B. The desk 1 serves to switch on one or more VB consumers. A circuit breaker which is already present is expediently used to dampen the overvoltage.

Der Leistungsschalter 1 wird über ein Signal S1, das eine Verknüpfungsschaltung 2 liefert, angesteuert und geschlossen. Diese Verknüpfungsschaltung verfügt über zwei Eingänge a1 und a2, von denen der Eingang a1 zur "normalen" Einschaltung des Verbrauchers VB mit Hilfe des Schalters 1 dient, während am Eingang a2 nur beim Vorliegen von Überspannung ein Signal anliegt, das den Schalter 1 schließt und damit den Verbraucher VB einschaltet.The circuit breaker 1 is via a signal S1, which is a logic circuit 2 delivers, controls and closes. This logic circuit has two inputs a1 and a2, of which the input a1 for "normal" switching on of the consumer VB by means of the switch 1 serves, while at input a2 only if there is over voltage a signal is present that the switch 1 closes and thus switches on the consumer VB.

Ein Eingangssignal iein i das beim Auftreten einer Überspannung auf dem Versorgungsnetz (+ UB) über die Verknüpfungsschaltung 2 den Schalter 1 ansteuert, wird beispielsweise mit Hilfe einer leistungsschwachen Zenerdiode Z1 gewonnen, die nur dann einen Stromfluß iein über diese Zenerdiode zuläßt, wenn – infolge des Auftretens der Überspannung – die Durchbruchspannung Uein dieser Zenerdiode Z1 überschritten wird.An input signal i ein i that when an overvoltage occurs on the supply network (+ U B ) via the logic circuit 2 the switch 1 controls, a low power zener diode Z1 is recovered, for example, with the aid of which only permits a flow of current i a through this zener diode, when - due to the occurrence of overvoltage - the breakdown voltage U a of the Zener diode Z1 is exceeded.

In 1 ist angedeutet, daß ein solches von einer Überspannung ausgelöstes Signal am Eingang a2 der Verknüpfungsschaltung 2 grundsätzlich auch mit Hilfe eines Differenzverstärkers 3 gewonnen werden kann, der ein Ausgangssignal b liefert, sobald. die am Eingang a dieses Verstärkers 3 liegende Versorgungsspannung + UB einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Dieser Grenzwert wird mit Hilfe einer symbolisch angeordneten, am zweiten Eingang des Verstärkers 3 angeordneten Vergleichs- bzw. Referenzspannung URef eingestellt.In 1 is indicated that such a signal triggered by an overvoltage at input a2 of the logic circuit 2 basically also with the help of a differential amplifier 3 can be obtained, which provides an output signal b as soon as. that at input a of this amplifier 3 lying supply voltage + U B exceeds a predetermined limit. This limit value is symbolically arranged at the second input of the amplifier 3 arranged comparison or reference voltage U Ref set.

Es gibt natürlich noch andere, dem Fachmann bekannte Möglichkeiten, um ein Eingangssignal auszulösen und dadurch den Schalter 1 zu schließen, sobald die Versorgungsspannung + UB einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.Of course, there are other ways known to those skilled in the art to trigger an input signal, and thereby the switch 1 close as soon as the supply voltage + U B exceeds a predetermined limit.

Als Verbraucher VB, die "normalerweise" über den Eingang a1, zum Unschädlichmachen einer energiereichen Überspannung über den Eingang a2 eingeschaltet werden, sind grundsätzlich alle relativ niederohmige Verbraucher geeignet. In einem Kraftfahrzeug kommen als Verbraucher unter anderem die verschiedenen Hilfsmotoren, d.h. Pumpenmotoren, Wischermotoren usw., Lampen und Heizelemente in Frage.As a consumer VB, the "normally" about the Entrance a1, for rendering harmless an energetic overvoltage over the Input a2 are switched on, all are generally relatively low impedance Suitable for consumers. In a motor vehicle come as a consumer among other things, the various auxiliary engines, i.e. Pump motors, Wiper motors etc., lamps and heating elements in question.

Nach 2 wird ein Leistungsschalter bzw. Leistungstransistor 1'', der wiederum zum Einschalten des Verbrauchers VB dient, über einen Differenzverstärker 4, einen monostabilen Multivibrator 6 mit vorgeschaltetem Verzögerungsglied 5, einem ODER-Gatter 7 und einem Treiber 8 angesteuert. Der monostabile Multivibrator 6 dient als Zeitglied und verlängert und definiert nach einer Überspannungseinschaltung die Einschaltzeit des Verbrauchers VB. Eine Ladungspumpe 9 übernimmt in bekannter Weise die Funktion der Hilfsspannungsquelle Der Differenzverstärker 4 wird über einen Spannungsteiler R3, R4 angesteuert. Er vergleicht die Überspannung mit einer Referenzspannung URef, wie dies bereits anhand der 1 beschrieben wurde.To 2 becomes a circuit breaker or power transistor 1'' , which in turn serves to switch on the consumer VB, via a differential amplifier 4 , a monostable multivibrator 6 with upstream delay element 5 , an OR gate 7 and a driver 8th driven. The monostable multivibrator 6 serves as a timer and extends and defines the switch-on time of the consumer VB after an overvoltage switch-on. A charge pump 9 takes over the function of the auxiliary voltage source The differential amplifier in a known manner 4 is controlled by a voltage divider R3, R4. It compares the overvoltage with a reference voltage U Ref , as has already been done using the 1 has been described.

Dem Zeitglied 6 mit dem vorgeschalteten Verzögerungsglied 5 liegt eine Signalleitung 10 parallel. Dies hat zur Folge, daß beim Auftreten einer Überspannung, die zu einem Ausgangssignal am Differenzverstärker 4 führt, der Schalter 1" über die Signalleitung 10 und über das ODER-Gatter 7 sofort angesteuert und damit der Verbraucher VB eingeschaltet wird. Außerdem wird über das Verzögerungsglied 5, wenn die Überspannung für eine Mindestzeitspanne von z.B. 100 μsec ansteht, der monostabile Multivibrator 6 umgeschaltet. Das Ausgangssignal des Multivibrators 6 hat eine Dauer von z.B. 200 msec, wodurch, wenn die Überspannungen länger als 100 μsec anstehen, der Verbraucher für diese Zeitspanne angeschaltet bleibt. Dadurch wird ein häufiges Ein- und Ausschalten des Verbrauchers bei Überspannungen mit Spannungseinbrüchen verhindert. Sehr kurze Überspannungen, d.h. unter z.B. 100 μsec und damit unter der Ansprechzeit des Verzögerungsgliedes 5, gelangen zwar ebenfalls zum Verbraucher und werden gedämpft; sie führen allerdings in aller Regel zu einer kaum feststellbaren Reaktion.The timer 6 with the upstream delay element 5 there is a signal line 10 parallel. This has the consequence that when an overvoltage occurs, which leads to an output signal at the differential amplifier 4 leads, the switch 1" via the signal line 10 and over the OR gate 7 controlled immediately and thus the consumer VB is switched on. In addition, the delay element 5 If the overvoltage is pending for a minimum period of time, e.g. 100 μsec, the monostable multivibrator 6 switched. The output signal of the multivibrator 6 has a duration of 200 msec, for example, which means that if the overvoltages persist for longer than 100 μsec, the consumer remains switched on for this period. This prevents frequent switching on and off of the consumer in the event of overvoltages with voltage drops. Very short overvoltages, ie below 100 μsec and thus under the response time of the delay element 5 , also reach the consumer and are dampened; as a rule, however, they lead to a reaction that is hardly noticeable.

Eine nicht dargestellte Variante der Schaltung nach 2 besteht darin, daß auf die parallele Signalleitung 10 verzichtet wird. In diesem Fall muß die für energiearme Überspannungen vorgesehene Suppressordiode, Zenerdiode Z4' oder dergl. die bis zum Ansprechen des Zeitgliedes 5 bzw. des Multivibrators 6 auftretende Energie aufnehmen. Handelsübliche Dioden dieser Art sind hierzu in der Lage.A variant of the circuit, not shown 2 is that on the parallel signal line 10 is waived. In this case, the suppressor diode, zener diode Z4 'or the like provided for low-energy overvoltages must be used until the timer responds 5 or the multivibrator 6 absorb occurring energy. Commercial diodes of this type are able to do this.

Erfindungsgemäß wird also auf sehr einfache Weise und mit minimalem Aufwand ein Schutz vor energiereichen Überspannungen erzielt. Der Aufwand wird deswegen sehr gering, weil über ohnehin vorhandene Leistungsschalter ohnehin vorhandene Verbraucher zur Energieaufnahme herangezogen werden können und weil der Verbraucher über eine sehr einfache, auf die Überspannung ansprechende Ansteuerschaltung eingeschaltet werden kann.According to the invention it is very simple Protection against high-energy surges with minimal effort achieved. The effort is very low because there are already existing ones Circuit breakers already available consumers for energy consumption can be used and because the consumer is over a very simple one on the surge responsive control circuit can be turned on.

Claims (7)

Schaltungsanordnung zum Schutz von eλektronischen Schaltkreisen, Schaltungskomponenten, empfindlichen Verbrauchern vor energiereichen übersgannungen, welche beim Auftreten einer Überspannung, die über einem vorgegebenen Grenzwert (URef) liegt, einen ohnehin vorhandenen, leistungsstarken bzw. niederohmigen Verbraucher (VB) für eine Vorgegebene Zeitspanne oder für die Dauer der Überspannung einschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung ein Zeitglied (6) enthält, das beim Auftreten einer Überspannung den Verbraucher (VB) für eine σorgegebene, über die Dauer der Überspannung hinausgehende Zeitspanne einschaltet, wobei das Zeitglied in Form einer monostabilen Kippstufe (6) realisiert ist und das Zeitglied (6) nur dann eingeschaltet wird, wenn das Auftreten der überspannung eine vorgegebene Mindestdauer überschreitet, und wobei dem Zeitglied (6) ein Verzögerungsglied (5) vorgeschaltet ist, das nur dann ein Signal abgibt, wenn die Überspannung die vorgegebene Mindestdauer überschreitet.Circuit arrangement for the protection of electronic circuits, circuit components, sensitive consumers from high-energy overvoltages, which, in the event of an overvoltage that is above a predetermined limit value (U Ref ), an already existing, powerful or low-resistance consumer (VB) for a predetermined period of time or for switches on the duration of the overvoltage, characterized in that the circuit arrangement has a timing element ( 6 ) which, when an overvoltage occurs, switches on the consumer (VB) for a specified period of time that extends beyond the duration of the overvoltage, the timing element in the form of a monostable multivibrator ( 6 ) is realized and the timer ( 6 ) is only switched on when the occurrence of the overvoltage exceeds a predetermined minimum duration, and the timer ( 6 ) a delay element ( 5 ) is connected upstream, which only emits a signal if the overvoltage exceeds the specified minimum duration. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (VB) durch Ansteuerung ein nes ohnehin vorhandenen Leistungsschalters (1, 1''), wie eines Relais, eines Leistungstransistors, eingeschaltet wird.Circuit arrangement according to claim I, characterized in that the consumer (VB) by controlling a nes already existing Circuit breaker ( 1 . 1 ''), like a relay, a power transistor. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalleitung (10) vorgesehen λst, über die der Verbraucher (VH) direkt für die Dauer der Überspannung angesteuert wird.Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that a signal line ( 10 ) provided λst, via which the consumer (VH) is controlled directly for the duration of the overvoltage. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Schaltkreis (Z4') zum Schutz vor energiearmer Überspannung oder vor einer Restenergie, die der zum Überspannungsschutz eingeschaltete verbraucher (VB) nicht aufnimmt, vorgesehen ist.Circuit arrangement according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that an additional Circuit (Z4 ') for protection against low energy overvoltage or against Residual energy, that of surge protection switched on consumer (VB) does not record, is provided. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor energiearmer Überspannung eine Zenerdiode (Z4') oder ein Varistor vorgesehen ist.Circuit arrangement according to Claim 4, characterized in that a Zener diode (to protect against low-energy overvoltage) Z4 ' ) or a varistor is provided. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Schutz einer elektronischen Schaltung und/oder eines empfindlichen Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung beim Auftreten der Überspannungen eine oder mehrere leistungsstarke verbraucher (VB), wie Elektromotoren, Heizelemente oder Lampen, einschaltet.Application of a circuit arrangement according to one of claims 1 to 5 to protect an electronic circuit and / or a sensitive consumer of a motor vehicle, characterized in that the protective circuit at Occurrence of overvoltages one or more powerful consumers (VB), such as electric motors, Heating elements or lamps, turns on. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der An Sprüche 1 bis 5 zum Schutz der elektronischen Schaltung eines Kraftfahrzeug-Regelungssystems, das eine elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung beim Auftreten der Überspannung den Antriebsmotor der Hydraulikpumpe als Verbraucher (VB) einschaltet.Application of a circuit arrangement according to one of claims 1 to 5 to protect the electronic circuit of a motor vehicle control system, which contains an electric motor driven hydraulic pump, thereby characterized that the Protection circuit when the overvoltage occurs the drive motor the hydraulic pump switches on as a consumer (VB).
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