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Die Erfindung bezieht sich auf eine Treiberschaltung zum Einschalten von
Lampen mit niedrigem Kaltwiderstand mit einem Leistungstransistor, dessen
Kollektor-Emitterstrecke mit der Lampe in einer Serienschaltung verbunden ist, die
zwischen einer positiven Klemme und einer Masseklemme einer Versorgungsquelle
liegt.
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Lampen, in denen das abgestrahlte Licht dadurch erzeugt wird, daß ein Strom
durch einen Widerstandsheizfaden geleitet wird, der den Heizfaden bis zur
Weißglut erhitzt, weisen im nicht eingeschalteten Zustand einen niedrigen
Kaltwiderstand auf, der beispielsweise nur 10 % des Widerstands im
weißglühenden Zustands beträgt. Im Moment des Einschaltens gibt eine solche Lampe einen
Kurzschluß vor, so daß im Einschaltzeitpunkt ein relativ hoher Strom zu
fließen beginnt. Der gleiche Fall liegt jedoch vor, wenn ein Kurzschluß parallel
zu der Lampe auftritt, wobei dieser Fall jedoch oft zur Zerstörung der den
Batteriestrom liefernden Quelle oder zumindest von Bauteilen dieser Quelle
führt.
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Aus US-A 4 503 365 ist eine Treiberschaltung bekannt, die zum Speisen von
Glühlampen mit einem Wechselstromgenerator benützt wird, wobei das System
keine Batterie oder anderweitige Spannungsquelle enthält und ein Regelkreis
vorgesehen ist, der die Lampen so mit Energie versorgt, daß die Generatorspannung
beim Anschließen der Lampen an den Generator nicht zusammenbricht. In dieser
Treiberschaltung wird der Strom der Lampe über die Parallelschaltung eines
Begrenzungswiderstandes und eines Ableitrelais zugeführt.
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In einer bekannten Treiberschaltung der eingangs angegeben Art sind Maßnahmen
getroffen, mit deren Hilfe der hohe Einschaltstrom zugeführt werden kann,
wobei trotzdem im Falle eines Kurzschlusses ein Schutzmechanismus greift. Ein
wesenflicher Bestandteil dieser bekannten Treiberschaltung ist eine
integrierte Schaltung vom Typ UAF 1780, die von der Gesellschaft Thomson Semiconductor
hergestellt wird. Dieser Baustein enthält eine sehr komplizierte
Schaltungsanordnung,
die zudem eine umfassende externe Verdrahtung erfordert. Der Baustein
oder der Chip enthält einen Gleichspannungswandler, der als externe Bauteile
eine Spule und einen Elektrolytkondensator benötigt. Der maximale
Ausgangs-Strom, der der einzuschaltenden Lampe zugeführt wird, kann mit einem externen
Widerstand eingestellt werden. Mit einem entsprechend extern anzuschließenden
Kondensator wird eine Verzögerungszeit eingestellt. Wird im Falle eines
Kurzschlusses der eingestellte Strom überschritten, so wird nach dem Ablauf der
Verzögerungszeit der Ausgang in den stromlosen Zustand geschaltet. Demnach
erfolgt bei der bekannten Treiberschaltung das erfassen des Kurzschlusses
ausschließlich zeitabhängig, so daß bei einem Kurzschluß vor Ablauf der fest
eingestellten Verzögerungszeit der hohe Kurzschlußstrom immer durch den
Treibertranssistor fließt. Unter ungünstigen Umständen kann dies zur Zerstörung des
Treibertransistors führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treiberschaltung der eingangs
angegebenen Art zu schaffen, bei der mit geringem Schaltungsaufwand ein
zeitunabhängiges Erfassen eines Kurzschlusses möglich ist. Die zu schaffende
Treiberschaltung muß für die Herstellung als vollständig integrierte Schaltung
- abgesehen von einer geringen Anzahl externer Bauteile - angepaßt sein.
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In der Treiberschaltung des oben beschriebenen Typs und gemäß der Definition
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 wird das Problem durch den Gebrauch der
Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Treiberschaltung basiert ausschließlich auf
einem Spannungsvergleich und somit hängt das Erfassen des Kurzschlusses nicht
mehr von fest eingestellten Zeitintervallen ab, sondern ausschließlich von dem
Erfassen des Überschreitens festgelegter Spannungsdifferenzen. Je
niederohmiger der Kurzschluß und je höher die Betriebsspannung ist, desto früher wird
der Kurzschluß erkannt und das Sperrsignal zugeführt, das den
Leistungstransistor abkoppelt. Da der Komparator Spannungen vergleicht, die tatsächlich von
der vorhandenen Betriebsspannung abgeleitet werden, bewirken kurzzeitige
Spannungsspitzen der Betriebsspannung kein Abschalten des Leistungstransistors
solange die Spannungen nicht Größenordnungen erreichen, die zu einer Zerstörung
des Leistungstransistors führen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Zuhilfenahme der Zeichnungen
erläutert, die teilweise in Form eines Blockschaltbildes eine Schaltung
entsprechend der Treiberschaltung gemäß der Erfindung zeigen.
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Die zu beschreibende Treiberschaltung 10 dient dazu, eine beispielsweise am
Armaturenbrett eines Kaaftfahrzeugs angebrachte Lampe 12, die im nicht
eingeschalteten Zustand einen niedrigen ohmschen Kaltwiderstand hat, mit Strom zu
versorgen. Alle Teile der Treiberschaltung, die innerhalb der gestrichelten
Linie 14 liegen, lassen sich in einer integrierten Schaltung zusammenfassen;
die einzigen externen Schaltungselemente, die erforderlich sind, sind ein
Widerstand R&sub1; und ein Kondensator C.
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Die Treiberschaltung 10 weist fünf Klemmen P&sub1;, P&sub2;, P&sub3;, P&sub4;, und P&sub5; auf. An die
Klemmen P&sub1; und P&sub2; wird die Versorgungsspannung angeschlossen, die Klemme P&sub1;
mit deren positiven Klemme und die Klemme P&sub2; mit deren Massenklemme. In dem
gezeigten Anwendungsbeispiel besteht die Energieversorgung aus der Batterie
eines Kraftfahrzeuges. Die Lampe 12 liegt zwischen der Klemme P&sub1; und der
Klemme P&sub3;. Die Klemme P&sub4; ist an dem zwischen dem Kondensator C und dem
Widerstand R&sub1; liegenden Verbindungspunkt angebunden, wobei der Kondensator C
und der Widerstand R&sub1; in Serie zwischen der positiven Klemme der
Versorgungsspannungsquelle und der Masse geschaltet sind. Das Ein- und Ausschalten
der Lampe 12 kann mittels einem mit der Klemme P&sub5; verbundenen Schalter 16
gesteuert werden. Im folgenden Beispiel ist die Lampe 12 ausgeschaltet, wenn
an der Klemme P&sub5; ein Massepotential liegt.
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Die Treiberschaltung ist wie folgt aufgebaut:
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Es sind zwei schematisch dargestellte Stromquellen 18 und 20 vorgesehen, die
mit Hilfe des der Klemme P&sub5; zugeführten Signals eingeschaltet werden können.
Solange an der Klemme P&sub5; kein Signal mit Massepotential anliegt, sind die
Stromquellen 18 und 20 unwirksam, sie können aber mit Hilfe eines an die
Klemme P&sub5; angelegten Massesignals aktiviert werden. Die Stromquelle 18 liegt
zwischen der Klemme P&sub1; und einer Leitung 22, während die Stromquelle 20
zwischen der Klemme P&sub1; und einem Steuereingang 24 eines Operationsverstärkers 26
liegt. Der Operationsverstärker 26 gibt an seinem Ausgang 28 eine Spannung ab,
deren Größe von der seinem Eingang 30 zugeführten Spannung abhängt. Diese
Spannung wird jedoch nur dann abgegeben, wenn die Stromquelle 20 nicht wirksam
ist, also am Steuereingang 24 ein entsprechendes Aktivierungssignal anliegt.
Der Basisstrom des Transistors T&sub5; wird durch den Widerstand R&sub8;, an dem die
Ausgangsspannung 28 des Operationsverstärkers 26 anliegt, gesteuert.
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Die dem Eingang 30 des Operationsverstärkers 26 zugeführte Spannung wird unter
anderem durch einen Stromspiegel erzeugt, der den Widerstand R&sub2; und die
Transistoren T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; enthält. Gemäß seiner bekannten Funktionsweise
erzeugt dieser Stromspiegel in der Kollektorleitung des Transistors T&sub3; den
gleichen Strom wie in der Kollektorleitung des Transistors T&sub2;, der selbst
wiederum vom Transistor T&sub1; und vom Widerstand R&sub2; abhängt. Da die Basis des
Transistors T&sub1; mit einer Leitung 32 verbunden ist, kann der durch sie
fließende Strom durch die Spannung auf dieser Leitung 32 gesteuert werden. Dadurch
bestimmt die Spannung auf der Leitung 32 auch den durch den Stromspiegel in
den Spannungsteiler R&sub3; und R&sub4; eingeprägten Strom und somit die Spannung am
Widerstand R&sub4;, d.h., auch die Spannung am Eingang 30 des Operationsverstärkers
26. Zusätzlich wird die diesem Eingang zugeführte Spannung durch die
Ausgangsspannung einer stabilisierten Spannungsquelle 34 festgelegt, deren
Ausgangsspannung einem aus den Widerständen R&sub3; und R&sub4; bestehenden Spannungsteiler
zugeführt wird. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen ist mit
dem Eingang 30 des Operationsverstärkers 26 verbunden.
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Der Ausgang der Spannungsquelle 34 ist mit einem weiteren Spannungsteiler
bestehend aus den Widerständen R&sub5; und R&sub6; verbunden, deren Verbindungspunkt mit
der Basis eines Transistors T&sub4; verbunden ist, dessen Emitter mit der Leitung
32 und dessen Kollektor mit der Klemme P&sub1; verbunden ist. Die Leitung 32 ist
über einen Widerstand R&sub7; mit der Leitung 22 verbunden.
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Am Ausgang 28 des Operationsverstärkers 26 ist ein Spannungsteiler
angeschlossen, der aus den Widerständen R&sub8; und R&sub9; besteht. Der Verbindungspunkt beider
Widerstände ist mit der Basis eines Transistors T&sub5; verbunden, dessen Emitter
mit der Klemme P&sub2; und dessen Kollektor mit der Klemme P&sub3; verbunden ist. Die
Klemme P&sub3; ist ferner mit einem Eingang 36 eines Komparators 38 verbunden, der
einen zweiten mit der Leitung 32 verbundenen Eingang 40 aufweist. Der Ausgang
des Komparators ist mit dem Steuereingang 24 des Operationsverstärkers 26
verbunden.
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Bei der folgenden Darstellung der Betriebsweise der Treiberschaltung wird
angenommen, daß die Lampe 12 eingeschaltet werden soll und daß kein Kurzschluß
parallel zur Lampe vorliegt. Wie bereits erwähnt, wird die Lampe 12 durch das
Abtrennen der Klemme P&sub5; von der Masse eingeschaltet.
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Im Ruhezustand liegt an der Klemme P&sub1; eine positive Spannung von + 12 V an,
also die bei einer Kraftfahrzeugbatterie übliche Spannung. Die Kapazität C ist
auf Grund der Wirkung der Stromquelle 18 enfladen. Der Operationsverstärker 26
liefert keine Ausgangsspannung, da er an seinem Steuereingang mit Strom der
Stromquelle 20 gespeist wird, so daß auch der Transistor T&sub5; gesperrt bleibt.
Soll nun die Lampe 12 angeschaltet werden, so wird der Schalter 16 geöffnet,
so daß die Anschlußklemme P&sub5; an einen höheren Widerstand angeschlossen wird.
Die Treiberschaltung soll einem Mikroprozessor das Treiben einer Lampe
ermöglichen (z.B. der Ausfallwarnleuchte eines Antiblockiersystems, einer
Ölstandswarnlarnpe oder dgl.).
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Das Abtrennen der Klemme P&sub5; von der Masse hat das Beenden der Entladewirkung
der Stromquelle 18 zur Folge, so daß die Kapazität C mit einer von ihrem
Kapazitätswert und dem Widerstandswert R&sub1; abhängigen Zeitkonstante aufgeladen
wird. Durch das Aufladen der Kapazität beginnt die Spannung an der Klemme P&sub4;
auf das Massepotential abzusinken.
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Der Transistor T&sub4;, dessen Basisspannung mit Hilfe des von der stabilisierten
Spannungsquelle 34 gespeisten Spannungsteilers R&sub5;, R&sub6; festgelegt ist, begrenzt
den Spannungswert, auf den die Spannung an der Leitung 32 absinken kann, auf
etwa 1 V, wobei dieser Spannungswert ungefähr 0,5 V positiver als die an der
Klemme P&sub3; auftretende Sättigungsspannung des Transistors T&sub5; ist.
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Die Stromquelle 20 speist nun überhaupt keinen Strom an den Steuereingang 24
des Operationsverstärkers 26 ein, so daß dieser in den Betriebszustand
versetzt wird. Am Eingang 30 nimmt der Operationsverstärker 26 zusätzlich zu der
aus der Spannungsquelle 34 mit Hilfe des Spannungsteilers R&sub3;, R&sub4; abgeleiteten
Spannung eine Zusatzspannung auf, die von dem durch den Stromspiegel T&sub1;, T&sub2;,
T&sub3; in den Spannungsteiler R&sub3;, R&sub4; in Abhägigkeit von der Spannung auf der
Leitung 32 und somit von der Spannung am Widerstand R&sub1; eingeprägten Strom
abhängt. Der Operationsverstärker nimmt in dieser Stufe demnach eine erhöhte
Spannung auf, die entsprechend zu einer erhöhten Ausgangsspannung am Ausgang
24 führt, was wiederum die Einspeisung eines erhöhten Basisstrom in den
Transistor T&sub5; zur Folge hat. Dies bewirkt das Schalten des Transistors T&sub5; und das
Fließen eines relativ hohen Kollektorstroms durch die Lampe 12, die daraufhin
in den Einschaltzustand versetzt wird. Nach dem Ablauf der durch R&sub1; und C
bestimmten Zeitkonstante wird der T&sub5;-Basissstrom nur aus der durch die
Spannungsquelle 34 über den Spannungsteiler R&sub3;, R&sub4; eingeprägten Spannung
abgeleitet. Nach dem Ablauf der durch R&sub1; und C festgelegten Zeitkonstante ist der
Glühfaden der Lampe 12 erhitzt und weist seinen Heißwiderstand auf. Der
reduzierte Betriebsstrom ist jetzt angemessen.
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Beim Betrieb der verschiedenen Treiberschaltungen in einem Kraftfahrzeug
treten häufig relativ hohe Spannungsspitzen in der Versorgungsspannung auf.
Jedoch haben - wie im folgenden erläutert - diese Spannungsspitzen keine
nachteiligen Auswirkungen. Tritt eine Spannnugsspitze in der Versorgungsspannung
auf, so steigt die Spannung am Verbindungspunkt der Kapazität C entsprechend
an. Der von dieser Spannung gesteuerte Stromspiegel, der die Transistoren T&sub1;,
T&sub2;, T&sub3; enthält, liefert auf Grund des Spannungsanstiegs mehr Strom an den
Widerstand R&sub4; und erhöht somit die Eingangsspannung des Operationsverstärkers
26. Dadurch erhöht sich der Basisstromdes Transistors T&sub5;, so daß dieser nicht
sofort aus dem Sättigungszustand gesteuert wird. Der gleichzeitige Anstieg der
Spannung am Widerstand R&sub1; und somit an der Klemme P&sub4; verhindert ein Ansprechen
der Kurzschlußabschaltung, da der Komparator 38 an seinen beiden Eingängen mit
der erhöhten Spannung beaufschlagt wird. Die abfallende Flanke einer
Spannungsspitze der Versorgungsspannung hat keine nachteilige Auswirkung, da durch
die Begrenzung der Spannung auf der Leitung 32 mit Hilfe des Transistors T&sub4;
auf dieser Leitung immer der Spannungspegel von etwa 1 V gehalten wird.
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Der Fall, in dem ein Kurzschluß vor dem Einschalten vorliegt, wird nun
untersucht. In der Praxis bedeutet ein Kurzschluß im Kraftfahrzeug einen Widerstand
von 0 bis ca. 10 Ohm, der parallel zur Lampe auftritt, d.h., zwischen der
Kraftfahrzeugbatterie und der Klemme P&sub3;. Ein solcher Kurzschluß hätte zur
Folge, daß zwischen der Klemme P&sub3; und der positiven Klemme der
Versorgungsspannungsquelle eine niederohmige Verbindung entsteht. Liegt ein Kurzschluß
vor, so tritt beim Einschalten eine im Vergleich zur Sättigungsspannung
deutlich höhere Kollektorspannung am Transistor T&sub5; auf. Ohne Ausführung mit der
beschriebenen Schaltung würde diese hohe Spannung an der Klemmme P&sub3; zur
Zerstörung des Transistors T&sub5; führen. Mit Hilfe der durch den Kapazitätswert C
und den Widerstandswert R&sub1; festgelegten Zeitkonstanten läßt sich festlegen,
wie lange die hohe Spannung an der Klemme P&sub3; anliegen muß, bevor das Abtrennen
des Transistors T&sub5; bewirkt wird. Bei Vorliegen eines Kurzschlusses beginnt die
Spannung an der Klemme P&sub4; nach dem Einschalten abzusinken, bis die Begrenzung
durch den Transistor T&sub4; greift und die Spannung auf der Leitung 32 auf 1 V
begrenzt. Die Spannung an dem Kollektor des Transistors T&sub5; bleibt jedoch hoch,
d.h., auf den durch den Kurzschlußwiderstand parallel zur Lampe 12 und den
Kollektorstrom T&sub5; festgelegten Wert. Der Komparator 38 erkennt, daß die
Spannung an der Klemme P&sub3;, also am Kollektor des Transistors T&sub5;, größer als
die Spannung auf der Leitung 32 ist, worauf er an seinem Ausgang ein
Sperrsignal abgibt, das dem Steuereingang des Operationsverstärkers 26 zugeführt wird
und dessen Abschaltung bewirkt. Daraufhin stellt der Operationsverstärker die
Stromzufuhr ein und der Transistor T&sub5; wird gesperrt. In jedem Fall bewirkt das
Absinken der Spannung an der Klemme P&sub4; über den Stromspiegel, der die
Transistoren T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; enthält, ein Absinken des dem Widerstand R&sub4; zugeführten
Stroms. Dieser Vorgang bewirkt ein Absinken der Spannung am
Operationsverstärker 26 und somit eine Reduzierung des Basisstroms des Transistors T&sub5;, die
durch den geringen Spannungsabfall am Widerstand R&sub8; bewirkt wird, so daß sich
der Ausgangsstrom des Transistors T&sub5; entsprechend verringert. Die
Kollektorspannung des Transistors T&sub5; wird dadurch weiter erhöht. Im Falle eines
Kurzschlusses wird diese Abschaltwirkung durch den Komparator 38 weiter
beschleunigt, so daß der Transistor T&sub5; schneller sperrt. Dies erhöht zusätzlich die
Sicherheit gegen eine Zerstörung des Transistors T&sub5;.
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Tritt ein Kurzschluß auf, wenn die Lampe 12 eingeschaltet ist, so steigt die
Spannung am Kollektor des Transistors T&sub5;. Die Spannung an der Klemme P&sub4; bleibt
jedoch unverändert und somit wird der Transistor T&sub5; über die schon
beschriebene Weise abgetrennt sobald die Spannung am Komparatoreingang 36 positiver
als die Spannung am Komparatoreingang 40 (also größer als 1 V) wird. Dies
verhindert die Zerstörung des Transistors T&sub5;.
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Die beschriebene Treiberschaltung arbeitet zufriedenstellend in einem großen
Betriebsspannungsbereich, was insbesondere bei einer Kraftfahrzeuganwendung
von ausschlaggebender Bedeutung ist, da in dieser Anwendung Betriebsspannungen
im Bereich von beispielsweise 6,5 bis 16 V auftreten können. Die
Treiberschaltung bewirkt ein optimales Einschalten der Lampe 12, wobei sichergestellt ist,
daß beim Auftreten von Rückkopplungen oder Kurzschlüssen, die bereits vor dem
Einschalten der Lampe 12 oder im eingeschalteten Zustand der Lampe 12
auftreten können, ein sicheres Abschalten des Transistors T&sub5; stets erreicht wird.