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(1) GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft eine Spannungsschutz- und Vorspannungsschaltung,
und insbesondere eine Schaltung, die es erlaubt; einem Anschluß eines
Transistors eine Spannung zuzuführen,
die bewirkt, daß der
Transistor auf betriebsfähige
Weise vorgespannt wird, während
sie den Transistor gleichzeitig vor Schäden schützt, die durch Stoßspannungen
oder „Spitzen" verursacht werden.
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(2) STAND DER TECHNIK
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Transistoren
wie z.B. Feldeffekttransistoren, ohne darauf beschränkt zu sein,
werden in vielen Baugruppen und/oder Geräten verwendet, um das Anlegen
oder das Durchleiten von elektrischer Spannung an eine Komponente
zu steuern, die oftmals als „die
Last" bezeichnet
wird. Zum Beispiel wird in Fahrzeugen ein Gerät wie z.B. ein Schalter in
Verbindung mit einem Feldeffekttransistor benutzt, um die Spannung,
die von der Fahrzeugbatterie ausgeht, auf selektive Weise mit einer
Komponente oder Last wie z.B. einer Fahrgastzellenlampe oder einem
Fensterhebermotor zu koppeln und/oder zu leiten.
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Das
heißt,
der Schalter oder das Gerät spannt
den Feldeffekttransistor vor bzw. erlaubt, daß an seinen Gateanschluß auf selektive
Weise eine Spannung angelegt wird, die bewirkt, daß die Durchleitung
der Batteriespannung durch die Source- und Drainanschlüsse des
Transistors zur Komponente oder Last geleitet wird.
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Auch
wenn diese Anordnung es auf hinreichende Weise erlaubt, die Batteriespannung
auf selektive Weist zur Komponente oder Last zu leiten, hat sie
einige Nachteile aufzuweisen. Das heißt, der Feldeffekttransistor
in dieser Anordnung wird typischerweise mit Hilfe der Fahrzeugbatterie
vorgespannt (d.h., die Batteriespannung wird auf selektive Weise
an den Gateanschluß des
Feldeffekttransistors angelegt und/oder geleitet). In Perioden mit
relativ hohen Stoßspannungen, „Spitzen" oder Anstiegen der
Batteriespannung beschädigt,
zerstört
oder „durchbricht" die Vorspannung
den Feldeffekttransistor, wodurch eine Reparatur und einen Austausch des
Transistors erforderlich wird, was die Gesamtwartungskosten des
Fahrzeugs auf unerwünschte Weise
erhöht
und möglicherweise
Stoßspannungsschäden an anderen
Komponenten des Fahrzeugs verursacht. Typischerweise ist die Last
oder Komponente auf eine von mehreren konventionellen und bekannten
Weisen vor solchen „Spitzen" geschützt.
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Einige
Schaltungskonfigurationen werden verwendet, um diesen Nachteil zu
beheben. Zum Beispiel wird zwischen der Fahrzeugbatterie und dem
Feldeffekttransistor typischerweise eine Spannungsteilerschaltung
gekoppelt, die bewirkt, daß die Vorspannungsmenge,
die an den Gateanschluß des Feldeffekttransistors
geleitet und/oder gekoppelt wird, abgesenkt wird. Ein Beispiel solch
einer Schaltung wird in einem Artikel mit dem Titel „Current
Source Drives Power FET" offenbart,
von C. Spearow, Electronic Design International, Penton Publishing, Cleveland
(Ohio) USA, Vol. 38, Nr. 23, 13. Dezember 1990, Seite 75. Doch die
Menge dieser Spannungsabsenkung wird durch die Spannungsmenge begrenzt,
die dem Feldeffekttransistor zugeführt werden muß, damit
der Transistor auf betriebsfähige Weise
vorgespannt wird. Obwohl dieser Spannungsabsenkungsansatz und diese
Schaltungskonfiguration wirkungsvoll sind, um den Feldeffekttransistor
vor einigen relativ kleinen kurzzeitigen Spannungsanstiegen oder
Stoßspannungen
zu schützen,
bieten sie typischerweise keinen Schutz vor großen kurzzeitigen Spannungsanstiegen.
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Auch
Zenerdioden werden mit der Fahrzeugbatterie und dem Feldeffekttransistor
verbunden und sind etwas wirksamer, um den Feldeffekttransistor gegen.
einen kurzzeitigen Spannungsanstieg oder Stoßspannungen zu schützen. Doch
diese Zenerdioden sind relativ kostspielig und erhöhen die
Gesamtkomplexität
der Schaltung auf unerwünschte
Weise.
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Deshalb
besteht ein Bedarf nach einer neuen und verbesserten Schaltung,
um einen Feldeffekttransistor vorzuspannen und schützen, während sie es
gleichzeitig erlaubt, eine Vorspannung auf selektive Weise mit dem
Feldeffekttransistor zu koppeln, wodurch es dem auf betriebsfähige Weise
vorgespannten Feldeffekttransistor möglich ist, die Spannung von
einer Batterie mit einer Komponente oder Last zu koppeln.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine
erste Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen und
verbesserten Schaltung, um einen Transistor vorzuspannen und gleichzeitig vor
kurzzeitigen Spannungsanstiegen oder „Spitzen" zu schützen.
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Eine
zweite Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer neuen
und verbesserten Schaltung, um ein elektrisches Signal zu erzeugen,
das einen bestimmten ersten Wert aufweist, der im wesentlichen konstant
bleibt, wenn die Batterie Spannungssignale mit unterschiedlichen
Spannungswerten erzeugt.
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Der
Erfindung gemäß wird eine
Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit einer Batterie bereitgestellt,
die geeignet ist, auf selektive Weise eine Spannung zu erzeugen,
einer ersten elektrischen Komponente, welche die Spannung auf selektive Weise
empfangen soll, und einer zweiten elektrischen Komponente, welche
auf selektive Weise die Leitung der Spannung von der Batterie zur
ersten elektrischen Komponente erlaubt, wobei die Schaltung umfaßt:
eine
im wesentlichen konstante elektrische Stromquelle, umfassend einen
ersten Transistor, der einen Kollektoranschluß aufweist, der mit einem ersten
Widerstand gekoppelt ist, und einen Basisanschluß aufweist, der mit einem Gerät zum selektiven
Aktivieren der ersten elektrischen Komponente gekoppelt ist; und
wobei
der erste Widerstand mit der zweiten elektrischen Komponente gekoppelt
ist und (der) mit dem ersten Transistor zusammenwirkt, um eine im
wesentlichen konstante Vorspannungsmenge zu erzeugen, die an die
zweite elektrische Komponente angelegt wird, die bewirkt, daß die Spannung
von der Batterie zur ersten elektrischen Komponente geleitet wird;
dadurch
gekennzeichnet, daß der
Basisanschluß des ersten
Transistors über
einen zweiten Widerstand auch mit einer Quelle eines elektrischen
Massepotentials gekoppelt ist, und dadurch, daß die Schaltung einen Kondensator
umfaßt,
der mit der Batterie und mit dem Kollektoranschluß des ersten
Transistors direkt verbunden ist, und der mit dem erste Widerstand
parallelgeschaltet ist.
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Es
wird eine Schaltung zur Verwendung in Verbindung mit einer Batterie
bereitgestellt, die geeignet ist, auf selektive Weise eine Spannung
zu erzeugen, einer Komponente, die die Spannung auf selektive Weise
empfangen soll, und einem Feldeffekttransistor, der einen Sourceanschluß aufweist,
der mit der Batterie gekoppelt ist, einen Drainanschluß, der mit
dem Gerät
gekoppelt ist, und einen Gateanschluß, der es erlaubt, die Spannung
von der Batterie auf selektive Weise durch den Source- und Drainanschluß zur Komponente
zu leiten. Die Schaltung schließt
eine im wesentlichen konstante elektrische Stromquelle ein; und
einen Widerstand, der mit der im wesentlichen konstanten elektrischen
Stromquelle gekoppelt ist und der mit der im wesentlichen konstanten
elektrischen Stromquelle zusammenwirkt, um dem Feldeffekttransistor
eine im wesentlichen konstante Vorspannungsmenge zuzuführen.
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Der
Erfindung gemäß wird auch
ein Verfahren zum selektiven Aktivieren einer ersten elektrischen
Komponente in einer Schaltung bereitgestellt, die von einer Batterie
mit Strom versorgt wird, wobei die Schaltung erfindungsgemäß aufgebaut
ist und die zweite elektrische Komponente ein Feldeffekttransistor
(FET) ist, ein Gateanschluß des
FETs sowohl mit dem Kollektoranschluß des ersten Transistors als
auch mit dem ersten Widerstand gekoppelt ist, wobei das Verfahren
die Schritte umfaßt
des:
- a) Verwenders der Batterie, um eine erste
Spannung und eine zweite und im wesentlichen höhere flüchtige Spannung zu erzeugen
und diese erste und zweite Spannung einem Sourceanschluß des FETs
zuzuführen;
- b) Verwenders des Geräts,
um eine dritte Spannung zuzuführen
und einen ersten elektrischen Strom zu erzeugen;
- c) Verwendens des ersten elektrischen Stroms, um den ersten
Transistor auf betriebsfähige
Weise vorzuspannen und dadurch durch den ersten Widerstand einen
zweiten elektrischen Strom zu erzeugen;
- d) Verwendens des zweiten elektrischen Stroms, um den FET auf
betriebsfähige
Weise vorzuspannen und dadurch mindestens die erste Spannung von
einem Drainanschluß des
FETs zur ersten elektrischen Komponente zu leiten; dadurch gekennzeichnet,
daß
- e) der erste elektrische Strom, der verwendet wird, um den ersten
Transistor vorzuspannen, durch den zweiten Widerstand erzeugt wird
und einen ersten Wert aufweist, der im wesentlichen unabhängig vom
Wert der zweiten Spannung ist; und
- f) die erste Spannung und zweite Spannung parallel an den ersten
Widerstand und den Kondensator angelegt werden, so daß der zweite
elektrische Strom durch den ersten Widerstand erzeugt wird und einen
zweiten Wert aufweist, der im wesentlichen vom Wert der zweiten
Spannung unabhängig
ist und der eine Vorspannung erzeugt, die einen Wert aufweist, der
im wesentlichen konstant bleibt, wenn die Batterie die erste Spannung
erzeugt, und wenn die Batterie die zweite Spannung erzeugt.
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Das
Verfahren erlaubt es, elektrische Spannung von einer Batterie zu
einem Gerät
zu leiten, wobei die Spannung zwischen einem ersten niedrigen Wert
und einem zweiten höheren
Wert variiert. Das Verfahren umfaßt die Schritte des: Vorsehens
einer elektrischen Komponente, die es erlaubt, den elektrischen
Strom von der Batterie zum Gerät
zu leiten, wenn die elektrische Komponente ein elektrisches Signal
empfängt,
das einen bestimmten Wert aufweist; des Erzeugens des elektrischen
Signals; des Leitens des elektrischen Signals an die elektrische Komponente;
und des Bewirkens, daß das
elektrische Signal einen bestimmten Wert aufweist und beibehält, wenn
die Spannung zwischen dem ersten niedrigen Wert und dem zweiten
höheren
Wert variiert.
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Diese
und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer Vorspannungs- und Schutzschaltung,
die den Lehren der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechend
aufgebaut ist und die auf betriebsfähige Weise mit einer Fahrzeugbatterie
und einer Komponente und/oder Last gekoppelt ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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In 1 wird
eine Spannungsschutz- und Vorspannungsschaltung 10 gezeigt,
die den Lehren der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entsprechend
aufgebaut ist. Wie gezeigt, wird die Schaltung 10 in Verbindung
mit einer Fahrzeugbatterie 12 des Typs verwendet, der auf
selektive Weise ein Spannungssignal erzeugt (d.h., elektrischen
Strom erzeugt), und ist auf betriebsfähige Weise mit dieser gekoppelt,
und einer Komponente oder Last 18, die das erzeugte Spannungssignal
oder den elektrischen Strom, der von der Fahrzeugbatterie 12 ausgeht, durch
eine elektrische Komponente wie z.B. einen Feldeffekttransistor 14 auf
selektive Weise empfangen soll, und einem Gerät oder Schalter 16,
der die Komponente oder Last 18 auf selektive Weise aktiviert
(d.h. bewirkt, daß das
Spannungssignal oder der elektrische Strom, der erzeugt wird und
von der Batterie 12 ausgeht, zur Komponente oder Last 18 geleitet
wird). Das heißt,
der Controller oder das Gerät 16 erzeugt
auf selektive Weise ein Spannungssignal im Bus 20, das
einen von zwei Spannungswerten aufweist, die, wie weiter unten ausführlich beschrieben, typischerweise
verwendet werden, um die Komponente oder Last 18 zu aktivieren
oder zu deaktivieren (d.h., der Begriff „deaktivieren" bedeutet, im wesentlichen
zu verhindern, daß das
Spannungssignal und der elektrische Strom, die von der Fahrzeugbatterie 12 ausgehen,
zur Komponente oder Last 18 geleitet werden. In einer nicht
einschränkenden
Ausführungsform
wird die Spannung, die im Betrieb verwendet wird, um das Gerät 16 auf
betriebsfähige
Weise zu aktivieren (d.h., um das Gerät auf die vorgenannte Weise
zu betätigen),
von der Batterie 12 zugeführt.
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Die
Schaltung 10 umfaßt
einen Transistor 22 (z.B. einen bipolaren npn-Transistor),
der einen Basisanschluß 24 aufweist,
der über
einen Widerstand 28 mit einer Quelle eines elektrischen
Massepotentials 26 gekoppelt ist. Der Transistor 22 weist
ferner einen Kollektoranschluß 30 auf,
der mit einem Widerstand 32 und einem Kondensator 34 gekoppelt
ist. Der Kondensator 34 und der Widerstand 32 sind
beide mit der Fahrzeugbatterie 12 gekoppelt und elektrisch „pallelgeschaltet" angeordnet und verbunden,
wie für den
Fachmann hervorgeht. Der Transistor 22 umfaßt zudem
einen Emitteranschluß 36,
der durch den Widerstand 28 mit der Quelle des elektrischen
Massepotentials 26 gekoppelt ist. Der Bus 20 ist
durch den Widerstand 40 mit dem Widerstand 28 und
dem Basisanschluß 24 gekoppelt,
und das Gerät 16 und
die Komponente oder Last 18 sind jeweils durch jeweilige
Busse 42, 44 mit der Quelle des elektrischen Massepotentials 26 gekoppelt.
Auch die Fahrzeugbatterie 12 ist durch den Bus 46 mit
der Quelle des elektrischen Massepotentials 26 gekoppelt.
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Der
Gateanschluß 50 des
Feldeffekttransistors 14 ist durch den Bus 52 mit
dem Widerstand 32 und dem Kollektoranschluß 30 gekoppelt,
während der
Sourceanschluß 54 des
Feldeffekttransistors 14 durch den Bus 56 mit
der Fahrzeugbatterie 12 gekoppelt ist. Der Drainanschluß 58 des
Feldeffekttransistors 14 ist durch den Bus 60 mit
der Komponente oder Last 18 gekoppelt.
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Wenn
im Betrieb das Spannungssignal, das vom Controller oder Gerät 16 erzeugt
wird, und das im Bus 20 auftritt, niedrig ist (z.B. etwa
null Volt), fließt im
wesentlichen kein elektrischer Strom durch den Widerstand 32 und
der „Abfall" durch den Widerstand 32 ist
im wesentlichen gleich null Volt. Dieser „Abfall" wird an den Gateanschluß 50 und
den Sourceanschluß 54 des
Feldeffekttransistors 14 angelegt, wodurch im wesentlichen
verhindert wird, daß der
Feldeffekttransistor 14 die Spannung von der Batterie 12 zur
der Last 18 durchleitet. Die Komponente oder Last 18 ist
daher auf selektive Weise deaktiviert.
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Wenn
das Spannungssignal, daß im
Bus 20 auftritt und vom Controller oder Gerät 16 ausgeht,
relativ hoch ist (z.B. etwa fünf
Volt), wird eine Spannung oder ein Potential durch den Basis- und
Emitteranschluß 24, 36 erzeugt,
die bewirkt, daß vom
Emitteranschluß 36 des
Transistors 22 ein relativ konstanter elektrischer Strom
erzeugt wird, was zur Folge hat, daß ein im wesentlichen entsprechender
und im wesentlichen konstanter Vorspannungsstrom in den Kollektoranschluß 30 fließt, der
bewirkt, daß ein Spannungssignal
durch den Widerstand 38 erzeugt wird. Das heißt, diese
Ströme
und die erzeugte Widerstandsspannung werden erzeugt, indem der Transistor 22 durch
Widerstände 28, 38, 49 vorgespannt wird,
und der Wert dieser Ströme
und der Widerstandsspannung kann angepaßt werden, indem die Widerstandswerte
der Widerstände 28, 38 und 40 geändert werden.
In einer nicht einschränkenden
Ausführungsform
der Erfindung weisen die Widerstände 28, 38 und 40 jeweilige
Widerstandswerte von 10.000 Ohm, 1.800 Ohm und 10.000 Ohm auf. In
einer nicht einschränkenden
Ausführungsform
weist der Widerstand 32 einen Widerstandswert von etwa
10.000 Ohm auf, und der Kondensator 34 weist einen Kapazitätswert von
etwa 100 μF
auf.
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Der
Kollektorstrom fließt
durch den Widerstand 32, wodurch er eine im wesentlichen
konstante Vorspannung durch den Gate- und Sourceanschluß 50 und 54 erzeugt
und erlaubt, daß das
Spannungssignal, das von der Fahrzeugbatterie 12 ausgeht, durch
den Source- und Drainanschluß 54 und 58 auf betriebsfähige Weise
zur Komponente oder Last 18 geleitet wird.
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Der
konstante Vorspannungsstrom, der vom Kollektoranschluß 30 ausgeht
und bewirkt, daß eine konstante
Vorspannung an den Gateanschluß 50 und
den Sourceanschluß 54 des
Feldeffekttransistors 14 angelegt wird, ist im wesentlichen
unabhängig und
im wesentlichen unbeeinflußt
von Änderungen im
Wert des Spannungssignals, das von der Fahrzeugbatterie 12 ausgeht
(z.B. bleibt der Wert des erzeugten Kollektorstroms und der Vorspannung
durch den Widerstand 32 selbst dann im wesentlichen konstant,
wenn die Leistung der Batterie 12 sich ändert). Daher ermöglicht die
Schaltung 10 die betriebsfähige Vorspannung des Feldeffekttransistors 14 und
den Schutz vor kurzzeiten „Spiten", Anstiegen der Batteriespannung,
oder Werte ohne die Verwendung von Zenerdioden und ohne „Glättung" des Vorspannungssignals.
Stoßspannungswellen
von der Batterie 12 werden deshalb nicht an den Gateanschluß 50 und
den Sourceanschluß 54 angelegt,
und die Schaltung 10 spannt den Feldeffekttransistor 14 vor,
während
sie den Feldeffekttransistor 14 gleichzeitig vor Stoßspannungen
oder „Spitzen" von der Batterie schützt. Ferner
ist hervorzuheben, daß der
Kondensator 34 den Feldeffekttransistor 14 vor
kurzzeitigen „schnelleren" oder Hochfrequenzstörungen schützt, die
von der Batterie 12 ausgehen.
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Es
versteht sich, daß die
Erfindung nicht auf den genauen Aufbau und das genaue Verfahren
beschränkt
ist, das oben veranschaulicht und beschrieben wurde, sondern daß verschiedene Änderungen und
Modifikationen möglich
sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die
folgenden Ansprüche
definiert wird.