DE102020108166A1

DE102020108166A1 - Verpolschutzschaltung mit Überstromschutz

Info

Publication number: DE102020108166A1
Application number: DE102020108166.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ferber; Markus Kästner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2021-09-30

Abstract

Elektronische Verpolschutzschaltung, mit einer ersten Verbindungsleitung und einer von der ersten Verbindungsleitung verschiedenen und separaten zweiten Verbindungsleitung, welche jeweils zum elektrischen Verbinden eines Pols einer Spannungsquelle mit einem Anschluss eines elektrischen Verbrauchers vorgesehen sind, einem Feldeffekttransistor, welcher einen Drain-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss umfasst und mittels des Drain-Anschlusses und des Source-Anschlusses in die erste Verbindungsleitung eingeschleift ist, einem ohmschen Gatewiderstand, welcher den Gate-Anschluss elektrisch mit der zweiten Verbindungsleitung verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Verpolschutzschaltung. Die Verpolschutzschaltung umfasst eine erste Verbindungsleitung und eine von der ersten Verbindungsleitung verschiedene und separate zweite Verbindungsleitung, welche jeweils zum elektrischen Verbinden eines Pols einer Spannungsquelle mit einem Anschluss eines elektrischen Verbrauchers vorgesehen sind, einen Feldeffekttransistor, welcher einen Drain-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss umfasst und mittels des Drain-Anschlusses und des Source-Anschlusses in die erste Verbindungsleitung eingeschleift ist, und einen ohmschen Gatewiderstand, welcher den Gate-Anschluss elektrisch mit der zweiten Verbindungsleitung verbindet.
Verpolschutzschaltungen der eingangs genannten Art sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und dienen dazu, einen elektrischen Verbraucher, kurz Verbraucher, vor einer Beschädigung oder Zerstörung durch eine mit einer verkehrten Polung angeschlossene elektrische Gleichspannungsquelle, kurz elektrische Spannungsquelle oder Spannungsquelle, zu schützen. Verbraucher können beschädigt oder zerstört werden, wenn sie von einem verkehrt gerichteten elektrischen Strom, kurz Strom, durchflossen werden.
Gewöhnlich wird eine solche Verpolschutzschaltung in eine Verbindungsleitung eingeschleift, welche einen Anschluss des Verbrauchers mit einem Pol einer Spannungsquelle verbindet. Bei einer verkehrten Polung einer angeschlossenen Spannungsquelle, d.h. bei einem verkehrten Vorzeichen der beiden Pole der Spannungsquelle, unterbricht die Verpolschutzschaltung die elektrische Verbindung zwischen der Spannungsquelle und dem Verbraucher automatisch. Infolgedessen fließt kein verkehrt gerichteter Strom durch den Verbraucher.
Die Verpolschutzschaltung umfasst üblicherweise einen Feldeffekttransistor (Field Effect Transistor, FET) als ein zentrales elektronisches Bauteil. Feldeffekttransistoren werden auch als Unipolartransistoren oder unipolare Transistoren bezeichnet. Der Feldeffekttransistor hat einen Drain (D)-Anschluss, einen Source (S)-Anschluss und einen Gate (G)-Anschluss und wird stromlos, d.h. allein durch ein elektrisches Feld angesteuert, welches von einer zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss anliegenden elektrischen Spannung, kurz Spannung, einer sogenannten Gate-Source-Spannung, in dem Feldeffekttransistor erzeugt wird. Eine Höhe der Gate-Source-Spannung bestimmt eine Leitfähigkeit einer mit dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss verbundenen Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors. Bei gebräuchlichen Feldeffekttransistoren setzt ab einer Gate-Source-Spannung von ca. 4 V eine elektrische Leitfähigkeit, kurz Leitfähigkeit, der Drain-Source-Strecke ein.
Die elektrisch leitende Drain-Source-Strecke kann näherungsweise als eine parasitäre Diode verstanden werden, welche auch als Inversdiode oder Bodydiode bezeichnet wird. Die parasitäre Diode definiert eine Durchlassrichtung und weist in der Durchlassrichtung einen temperatur- und spannungsabhängigen parasitären Drain-Source-Widerstand R_DS(on) auf. Mittels eines sogenannten Gatewiderstands kann die Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors derart eingestellt werden, dass der parasitäre Widerstand R_DS(on) der parasitären Inversdiode vernachlässigbar gering ist, d.h. die Drain-Source-Strecke eine nahezu optimale Leitfähigkeit aufweist. Gewöhnlich hat der parasitäre Drain-Source-Widerstand R_DS(on) einen Wert von höchstens wenigen Milliohm (mΩ), beispielsweise 2 bis 3 mΩ.
US 5,519,557 A offenbart eine Verpolschutzschaltung für einen Verbraucher, welche einen Feldeffekttransistor umfasst. Wenn eine angeschlossene Spannungsquelle verkehrt gepolt ist, verhindert eine parasitäre Diode einer Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors einen Stromfluss durch den Feldeffekttransistor. Infolgedessen fällt an einem mit einem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors elektrisch verbundenen Verbraucher im Falle einer Verpolung keine Spannung ab, so dass eine an einem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors anliegende Spannung die Drain-Source-Strecke nicht in einen leitenden Zustand versetzt. Bei einer korrekten Polung einer angeschlossenen Spannungsquelle fließt hingegen ein Strom durch den Verbraucher. Ein Spannungsverstärker der Verpolschutzschaltung verstärkt eine an dem Verbraucher abfallende Spannung. Die verstärkte Spannung liegt an dem Gate-Anschluss des Feldeffektransistors an und versetzt die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors zuverlässig sofort in einen Zustand maximaler Leitfähigkeit, d.h. geringsten parasitären Widerstands, wenn die Spannungsquelle mit einer korrekten Polung angeschlossen wird.
Wenn allerdings der Verbraucher defekt ist oder einen Kurzschluss bildet, kann der Feldeffekttransistor von einem durch die elektrisch leitende Drain-Source-Strecke fließenden Überstrom geschädigt oder zerstört werden. Als der Überstrom kann ein kurzzeitig sehr starker Drain-Source-Strom, d.h. eine hohe Stromspitze, oder ein sehr starker Drain-Source-Strom, welcher über eine längere Zeit fließt, verstanden werden.
US 5,737,169 A offenbart eine Überstromschutzschaltung für einen Feldeffekttransistor. Die Überstromschutzschaltung umfasst einen Komparator und eine mit einem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors elektrisch verbundene Diode. Der Komparator vergleicht eine Summenspannung aus einer an der Diode abfallenden Spannung und einer bei einer elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors an einem parasitären Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors abfallenden Spannung mit einer vorbestimmten Schwellspannung. Wenn die Summenspannung infolge eines durch den parasitären Drain-Source-Widerstand fließenden Überstroms die vorbestimmte Schwellspannung erreicht oder überschreitet, wird der Gate-Anschluss relativ zu dem Source-Anschluss spannungsfrei gestellt. Infolgedessen verschwindet eine Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke und wird der Überstrom unterbrochen.
Eine besondere Konstellation liegt vor, wenn zum Zwecke der Starthilfe für ein Fahrzeug eine externe Spannungsquelle, gewöhnlich eine Fahrzeugbatterie eines weiteren Fahrzeugs, an ein Bordnetz des die Starthilfe benötigenden Fahrzeugs angeschlossen wird. Das Bordnetz des Fahrzeugs umfasst eine eigene Spannungsquelle in Form einer internen Fahrzeugbatterie, eine Mehrzahl von an das Bordnetz angeschlossenen Funktionssystemen des Fahrzeugs, welche jeweils elektrische Verbraucher bilden, und eine dem Bordnetz vorgeschaltete Verpolschutzschaltung zum Schutz der Bordnetzes vor einer verkehrt gepolten externen Spannungsquelle. Ein Verpolen der externen Spannungsquelle kann versehentlich durch ein unbemerktes Kreuzen von Starthilfekabeln zustande kommen.
Selbst wenn eine von der eigenen Spannungsquelle des Bordnetzes bereitgestellte Spannung nicht zum Starten des Fahrzeugs genügt, reicht die bereitgestellte Spannung in den meisten praktischen Fällen dennoch aus, um einen Gate-Anschluss eines Feldeffekttransistors der Verpolschutzschaltung gegenüber dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors derart vorzuspannen, dass eine Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors elektrisch leitfähig ist. Auf diese Weise wird eine Unterbrechungswirkung der Verpolschutzschaltung aufgehoben. Eine mit einer verkehrten Polung angeschlossene externe Spannungsquelle führt ferner zu einem Überstrom in Form eines sehr starken verkehrt gerichteten Drain-Source-Stroms, welcher den Feldeffekttransistor schädigen oder zerstören kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Verpolschutzschaltung zur Verfügung zu stellen, welche einen Verbraucher mit einer eigenen Spannungsquelle zuverlässig vor einem Verpolschaden durch eine mit einer verkehrten Polung an die Verpolschutzschaltung angeschlossene externe Spannungsquelle schützt und selbst vor einem Verpolschaden infolge eines Überstroms geschützt ist.
Ein Gegenstand der Erfindung ist eine elektronische Verpolschutzschaltung, mit einer ersten Verbindungsleitung und einer von der ersten Verbindungsleitung verschiedenen und separaten zweiten Verbindungsleitung, welche jeweils zum elektrischen Verbinden eines Pols einer elektrischen Spannungsquelle mit einem Anschluss eines elektrischen Verbrauchers vorgesehen sind, einem Feldeffekttransistor, welcher einen Drain-Anschluss, einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss umfasst und mittels des Drain-Anschlusses und des Source-Anschlusses in die erste Verbindungsleitung eingeschleift ist, und einem ohmschen Gatewiderstand, welcher den Gate-Anschluss elektrisch mit der zweiten Verbindungsleitung verbindet.
Bei einer korrekt gepolten Spannungsquelle steuert eine durch den ohmschen Gatewiderstand bestimmte zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss anliegende elektrische Spannung, d.h. eine Gate-Source-Spannung, den Feldeffekttransistor derart an, dass der mit der ersten Verbindungsleitung verbundene Pol der Spannungsquelle und der mit der ersten Verbindungsleitung verbundene Anschluss des elektrischen Verbrauchers elektrisch verbunden sind. Bei einer mit einer verkehrten Polung angeschlossenen externen Spannungsquelle unterbricht der Feldeffekttransistor eine elektrische Verbindung zwischen dem mit der ersten Verbindungsleitung verbundenen Pol der Spannungsquelle und dem mit der ersten Verbindungsleitung verbundenen Anschluss des elektrischen Verbrauchers. Auf diese Weise stellt der Feldeffekttransistor einen Verpolschutz für den elektrischen Verbraucher bereit.
Erfindungsgemäß umfasst die Verpolschutzschaltung einen Bipolartransistor, welcher geschaltet ist, eine elektrische Spannung zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss zu verringern, wenn bei einer elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors eine an einem parasitären Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors abfallende Spannung eine vorbestimmte Schwellspannung erreicht oder überschreitet. In diesem Fall reicht das von der verringerten Gate-Source-Spannung in dem Feldeffekttransistor erzeugte elektrische Feld nicht mehr aus, eine Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors aufrechtzuerhalten, wodurch die erste Verbindungsleitung unterbrochen wird. Die Schaltung des Bipolartransistors verwendet den parasitären Widerstand R_DS(on) der elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors zum Messen eines Betriebszustands des Feldeffekttransistors.
Eine Größe der an dem parasitären Drain-Source-Widerstand der elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke abfallenden Spannung ist nach dem bekannten Ohmschen Gesetz sowohl proportional zu einer Größe des parasitären Drain-Source-Widerstands als auch proportional zu einer Stärke eines durch den parasitären Drain-Source-Widerstand fließenden Stroms. Eine Drain-Source-Spannung nimmt demnach zu, wenn der parasitäre Drain-Source-Widerstand wächst oder ein ein Drain-Source-Strom stärker wird. Ersteres ist der Fall, wenn eine Temperatur der elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke infolge einer mit einer zunehmenden Stärke des Drain-Source-Stroms wachsenden elektrischen Verlustleistung steigt. Ein zunehmender Spannungsabfall an der Drain-Source-Strecke zeigt daher einen stärker werdenden Drain-Source-Strom ebenso an wie einen temperaturbedingt wachsenden parasitären Drain-Source-Widerstand.
Auf diese Weise bewirkt der Bipolartransistor einen besonders effektiven Schutz des Feldeffekttransistors und ein sicheres Unterbrechen der ersten Verbindungsleitung im Falle einer mit einer verkehrten Polung angeschlossenen externen Spannungsquelle. Die Unterbrechung wird überdies aufrechterhalten, solange die externe Spannungsquelle mit einer verkehrten Polung angeschlossen ist, d.h. die Verpolschutzschaltung weist eine Selbsthaltefunktion auf.
Der Feldeffekttransistor, bevorzugt ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET), ist sowohl ein den Verpolschutz bereitstellendes Unterbrechungselement als auch ein Messobjekt für den Bipolartransistor. Mit anderen Worten hat der Feldeffekttransistor erfindungsgemäß eine Doppelfunktion, wodurch die Zahl der Bauteile der elektronischen Verpolschutzschaltung gering ist.
In einer Ausführungsform ist die erste Verbindungsleitung zum elektrischen Verbinden eines Pluspols der Spannungsquelle mit einem Plusanschluss des elektrischen Verbrauchers vorgesehen, die zweite Verbindungsleitung zum elektrischen Verbinden eines Minuspols der Spannungsquelle mit einem Minusanschluss des elektrischen Verbrauchers vorgesehen, der Feldeffekttransistor als ein p-Kanal-MOSFET ausgebildet und der Bipolartransistor als ein pnp-Transistor ausgebildet. Mit dieser Verpolschutzschaltung lässt sich beispielsweise ein Bordnetz eines Fahrzeugs, insbesondere ein in einem Fahrzeug verbauter elektrischer Verbraucher, sehr einfach vor einer verkehrt gepolten externen Spannungsquelle schützen.
In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Verbindungsleitung zum elektrischen Verbinden eines Minuspols der Spannungsquelle mit einem Minusanschluss des elektrischen Verbrauchers vorgesehen, die zweite Verbindungsleitung zum elektrischen Verbinden eines Pluspols der Spannungsquelle mit einem Plusanschluss des elektrischen Verbrauchers vorgesehen, der Feldeffekttransistor als ein n-Kanal-MOSFET ausgebildet und der Bipolartransistor als ein npn-Transistor ausgebildet. Der n-Kanal-MOSFET ist besonders robust und kostengünstig. Allerdings muss er bei der Verwendung in einem Fahrzeug in einen Massepfad des Fahrzeugs eingeschleift werden.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Verpolschutzschaltung einen ohmschen Basiswiderstand, welcher einen Basisanschluss des Bipolartransistors elektrisch mit dem Drain-Anschluss des Feldeffekttransistors verbindet. Der Basiswiderstand stellt einen Basisstrom und damit einen Arbeitsbereich des Bipolartransistors ein. Er bildet mit der Basis-Emitter-Strecke des Bipolartransistors einen Spannungsteiler, welcher zu der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors parallel geschaltet ist. Entsprechend teilt er die an dem parasitären Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors abfallende Spannung.
Die Verpolschutzschaltung umfasst vorteilhaft einen ohmschen Kollektorwiderstand, welcher einen Kollektoranschluss des Bipolartransistors elektrisch mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors verbindet. Der Kollektorwiderstand stellt zusammen mit dem Gatewiderstand des Feldeffekttransistors einen Arbeitsbereich des Bipolartransistors ein und bildet mit dem Gatewiderstand einen Spannungsteiler, welcher eine Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors definiert.
Vorteilhaft ist ein Emitteranschluss des Bipolartransistors elektrisch mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden. Wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors elektrisch leitend ist, verringert sich die Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors. Infolge der verringerten Gate-Source-Spannung verschwindet eine elektrische Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors.
Die Verpolschutzschaltung kann einen ohmschen Parallelwiderstand umfassen, welcher den Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors elektrisch mit dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors verbindet. Der Parallelwiderstand verbessert ein Ansprechverhalten der Verpolschutzschaltung.
Bevorzugt ist die vorbestimmte Schwellspannung mittels des ohmschen Gatewiderstands, des ohmschen Basiswiderstands oder des ohmschen Kollektorwiderstands eingestellt. Die drei genannten Widerstände sind passend zu dem Feldeffekttransistor und dem Bipolartransistor gewählt und bestimmen die Schwellspannung, bei deren Erreichen oder Überschreiten die Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors elektrische leitend ist, d.h. der Verpolschutz aktiv ist.
In weiteren Ausführungsformen umfasst die Verpolschutzschaltung eine Diagnoseschaltung, welche in die mit dem Kollektoranschluss des Bipolartransistors verbundene Leitung eingeschleift ist. In einer sehr einfachen Ausführung kann die Diagnoseschaltung als eine LED ausgebildet sein, welche ein visuell wahrnehmbares Licht emittiert, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors elektrisch leitend ist.
Bevorzugt ist die Diagnoseschaltung ausgebildet, eine Warnung zu erzeugen, wenn die Verpolschutzschaltung infolge eines Verpolens oder eines Überstroms in einem Schutzzustand ist. Beispielsweise kann die Diagnoseschaltung mit einem Steuergerät eines Fahrzeugs verbunden sein und bei einem Verpolen einer externen Spannungsquelle einen Eintrag in einem Fehlerprotokoll erzeugen oder eine Warnleuchte in einem Kombiinstrument des Fahrzeugs aktivieren.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen elektronischen Verpolschutzschaltung besteht darin, dass sie einen elektrischen Verbraucher zuverlässig vor einem Verpolschaden durch eine externe Spannungsquelle schützt, auch wenn der elektrische Verbraucher eine eigene Spannungsquelle hat. Weiterhin vorteilhaft ist eine kleine Anzahl an erforderlichen Bauteilen, was mit einer geringen Komplexität und geringen Kosten der elektronischen Verpolschutzschaltung einhergeht. Die sofortige erneute Betriebsbereitschaft der elektronischen Verpolschutzschaltung nach einem Aufheben der Verpolung der externen Spannungsquelle sowie eine dauerhaft korrekte Funktion der elektronischen Verpolschutzschaltung auch bei einer länger anhaltenden Verpolung der externen Spannungsquelle sind weitere praktische Vorteile.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 in einem Schaltbild eine elektronische Verpolschutzschaltung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 in einem Schaltbild eine elektronische Verpolschutzschaltung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt in einem Schaltbild eine elektronische Verpolschutzschaltung 100 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Verpolschutzschaltung 100 umfasst eine erste Verbindungsleitung 30 und eine von der ersten Verbindungsleitung 30 verschiedene und separate zweite Verbindungsleitung 40.
Die erste Verbindungsleitung 30 ist zum Verbinden eines Pluspols 11 einer externen elektrischen Spannungsquelle 10 mit einem Plusanschluss 21 eines elektrischen Verbrauchers 20 vorgesehen. Die zweite Verbindungsleitung 40 ist zum Verbinden eines Minuspols 12 der externen elektrischen Spannungsquelle 10 mit einem Minusanschluss 22 des elektrischen Verbrauchers 20 vorgesehen.
Ein elektrischer Verbraucher 20 und eine eigene Spannungsquelle 25 sind bestimmungsgemäß mit der Verpolschutzschaltung 100 verbunden. Ein Plusanschluss 21 des elektrischen Verbrauchers 20 und ein Pluspol 26 der eigenen Spannungsquelle 25 sind mit der ersten Verbindungsleitung 30 verbunden. Ein Minusanschluss 22 des elektrischen Verbrauchers 20 und ein Minuspol 27 der eigenen Spannungsquelle 25 sind mit der zweiten Verbindungsleitung 40 verbunden. Beispielsweise kann ein Bordnetz eines Fahrzeugs den elektrischen Verbraucher 20 in Form eines Funktionssystems des Fahrzeugs und die eigene Spannungsquelle 25 in Form einer Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs mit einer Nominalspannung von 12 V umfassen.
Die Verpolschutzschaltung 100 umfasst ferner einen Feldeffekttransistor 150 mit einem Drain-Anschluss 152, einem Source-Anschluss 151 und einem Gate-Anschluss 153. Zur Verdeutlichung ist eine elektrisch leitende Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 150 als eine parasitäre sogenannte Inversdiode 154, welche auch als Body-Diode bezeichnet wird, symbolisiert.
Die Inversdiode 154 wirkt bei einer elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke als ein parasitärer Drain-Source-Widerstand. Der Feldeffekttransistor ist mittels des Drain-Anschlusses 152 und des Source-Anschlusses 151 in die erste Verbindungsleitung 30 eingeschleift. Zu der Verpolschutzschaltung 100 gehört auch ein Gatewiderstand 50, welcher den Gate-Anschluss 153 elektrisch mit der zweiten Verbindungsleitung 40 verbindet.
Weiterhin umfasst die Verpolschutzschaltung 100 einen Bipolartransistor 160. Der Bipolartransistor 160 ist geschaltet, eine elektrische Spannung zwischen dem Gate-Anschluss 153 und dem Source-Anschluss 151 zu verringern, wenn bei einer elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 150 eine an dem parasitären Drain-Source-Widerstand abfallende Spannung eine vorbestimmte Schwellspannung erreicht oder überschreitet.
Die erste Verbindungsleitung 30 ist zum elektrischen Verbinden des Pluspols 11 der externen Spannungsquelle 10 mit dem Plusanschluss 21 des elektrischen Verbrauchers 20 vorgesehen. Die zweite Verbindungsleitung 40 ist zum elektrischen Verbinden des Minuspols 12 der externen Spannungsquelle 10 mit dem Minusanschluss 22 des elektrischen Verbrauchers 20 vorgesehen. Der Feldeffekttransistor 150 ist als ein p-Kanal-MOSFET ausgebildet, und der Bipolartransistor 160 als ein pnp-Transistor ausgebildet.
Zu der Verpolschutzschaltung 100 gehören zudem ein ohmscher Basiswiderstand 70, welcher einen Basisanschluss 163 des Bipolartransistors 160 elektrisch mit dem Drain-Anschluss 152 des Feldeffekttransistors 150 verbindet, sowie ein ohmscher Kollektorwiderstand 80, welcher einen Kollektoranschluss 161 des Bipolartransistors 160 elektrisch mit dem Gate-Anschluss 153 des Feldeffekttransistors 150 verbindet. Ein Emitteranschluss 162 des Bipolartransistors 160 ist elektrisch mit dem Source-Anschluss 151 des Feldeffekttransistors 150 verbunden.
Die vorbestimmte Schwellspannung ist mittels des ohmschen Gatewiderstands 50, des ohmschen Basiswiderstands 70 und des ohmschen Kollektorwiderstands 80 eingestellt.
Die Verpolschutzschaltung 100 kann in weiteren Ausführungsformen eine (nicht gezeigte) Diagnoseschaltung umfassen, welche in die elektrische Verbindung zwischen dem Emitteranschluss 162 des Bipolartransistors 160 und dem Source-Anschluss 151 des Feldeffekttransistors 150 eingeschleift ist. Die Diagnoseschaltung kann ausgebildet sein, eine Warnung zu erzeugen, wenn die Verpolschutzschaltung 100 infolge eines Verpolens oder eines Überstroms in einem Schutzzustand ist. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann die Diagnoseschaltung eine einfache LED sein. In bevorzugten Ausgestaltungen kann die Diagnoseschaltung mit einem Steuergerät eines Fahrzeugs verbunden sein und bei jeder Verpolung einen Eintrag in einem Fehlerprotokoll erzeugen.
1 zeigt eine Situation, in der die externe Spannungsquelle 10, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie eines weiteren Fahrzeugs mit einer Nominalspannung von 12 V, mit einer verkehrten Polung an die Verpolschutzschaltung 100 angeschlossen ist, beispielsweise aufgrund von versehentlich gekreuzten Starthilfekabeln. Demzufolge ist anstelle eines Pluspols 11 der externen Spannungsquelle 10 ein Minuspol 12 der externen Spannungsquelle 10 mit der ersten Verbindungsleitung 30 verbunden, und anstelle des Minuspols 12 ist der Pluspol 11 mit der zweiten Verbindungsleitung 40 verbunden. Die eigene Spannungsquelle 25 und die externe Spannungsquelle 10 sind daher fehlerhaft in Reihe geschaltet.
Ohne den Bipolartransistor 160, beschaltet mit dem ohmschen Basiswiderstand 70 und dem ohmschen Kollektorwiderstand 80, würde die von der eigenen Spannungsquelle 25 bereitgestellte Spannung zwischen dem Gate-Anschluss 153 und dem Source-Anschluss 151 des Feldeffekttransistors 150 anliegen, dessen Drain-Source-Strecke infolgedessen elektrisch leitend wäre. Folglich würde trotz Verpolung der externen Spannungsquelle 10 ein starker Strom durch die Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 150 in der Sperrrichtung der Inversdiode 154 fließen, welcher den Feldeffekttransistor 150 beschädigen oder zerstören würde.
Jedoch wird die Emitter-Kollektor-Strecke des Bipolartransistors 160 dank des Spannungsabfalls an dem parasitären Widerstand der Inversdiode 154 elektrisch leitend und verringert eine Gate-Source-Spannung des Feldeffekttransistors derart, dass eine Leitfähigkeit der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors praktisch verschwindet. Der Bipolartransistor 160 stellt auf diese Weise einen Verpolschutz auch dann zuverlässig sicher, wenn der Verbraucher 20 eine eigene Spannungsquelle 25 hat.
2 zeigt in einem Schaltbild eine Verpolschutzschaltung 200 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Verpolschutzschaltung 200 hat denselben Grundaufbau wie die in 1 gezeigte Verpolschutzschaltun 100. Allerdings sind die Polaritäten der externen Spannungsquelle 10 und der eigenen Spannungsquelle 25 jeweils vertauscht.
Demnach ist die erste Verbindungsleitung 30 zum elektrischen Verbinden eines Minuspols 12 der externen Spannungsquelle 10 mit einem Minusanschluss 22 des elektrischen Verbrauchers 20 vorgesehen. Die zweite Verbindungsleitung 40 ist zum elektrischen Verbinden eines Pluspols 11 der externen Spannungsquelle 10 mit einem Plusanschluss 21 des elektrischen Verbrauchers 20 vorgesehen.
Der Feldeffekttransistor 250 hat einen Gate-Anschluss 251, einen Source-Anschluss 252 und einen Drain-Anschluss 253. Seine Drain-Source-Strecke ist durch eine parasitäre Inversdiode 254 symbolisiert. Der Bipolartransistor 260 hat einen Basisanschluss 263, einen Kollektoranschluss 261 und einen Emitteranschluss 262.
Bedingt durch die vertauschten Polaritäten ist der Feldeffekttransistor 250 als ein n-Kanal-MOSFET ausgebildet und der Bipolartransistor 260 als ein npn-Transistor ausgebildet.
Zusätzlich umfasst die Verpolschutzschaltung 200 einen ohmschen Parallelwiderstand 290, welcher den Gate-Anschluss 253 des Feldeffekttransistors 250 elektrisch mit dem Source-Anschluss 251 des Feldeffekttransistors 250 verbindet, sowie eine erste Schutzdiode 270, welche zu der Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors 250 parallel geschaltet ist, und eine zweite Schutzdiode 280, welche zu einer intrinsischen Gate-Source-Diode des Feldeffekttransistors parallel geschaltet ist. Der ohmsche Parallelwiderstand 290 und die beiden Schutzdioden 270, 280 verbessern das Ansprechverhalten der Verpolschutzschaltung 200.
Werte des ohmschen Gatewiderstands 50, des ohmschen Basiswiderstands 70, des ohmschen Kollektorwiderstands 80 und des ohmschen Parallelwiderstands 290 betragen beispielhaft und nicht beschränkend jeweils 47 kΩ, 1 kΩ, 15 kΩ und 1 MΩ.
2 zeigt wie 1 eine Situation, in welcher eine externe Spannungsquelle 10 mit einer verkehrten Polung an die Verpolschutzschaltung 200 angeschlossen ist, d.h. anstelle eines Minuspols 12 der externen Spannungsquelle 10 ist ein Pluspol 11 der externen Spannungsquelle 10 mit der ersten Verbindungsleitung 30 verbunden, und anstelle des Pluspols 11 ist der Minuspol 12 mit der zweiten Verbindungsleitung 40 verbunden. Die eigene Spannungsquelle 25 und die externe Spannungsquelle 10 sind daher fehlerhaft in Reihe geschaltet.
Die Verpolschutzschaltung 200 funktioniert - abgesehen von der Polarität - auf dieselbe Weise wie die Verpolschutzschaltung 100.
Bezugszeichenliste

10: externe Spannungsquelle
11: Pluspol
12: Minuspol
20: elektrischer Verbraucher
21: Plusanschluss
22: Minusanschluss
25: eigene Spannungsquelle
26: Pluspol
27: Minuspol
100: Verpolschutzschaltung
30: erste Verbindungsleitung
40: zweite Verbindungsleitung
150: Feldeffekttransistor
151: Source-Anschluss
152: Drain-Anschluss
153: Gate-Anschluss
154: Inversdiode
50: ohmscher Gatewiderstand
160: Bipolartransistor
161: Kollektoranschluss
162: Emitteranschluss
163: Basisanschluss
70: ohmscher Basiswiderstand
80: ohmscher Kollektorwiderstand
200: Verpolschutzschaltung
250: Feldeffekttransistor
251: Source-Anschluss
252: Drain-Anschluss
253: Gate-Anschluss
254: Inversdiode
260: Bipolartransistor
261: Kollektoranschluss
262: Emitteranschluss
263: Basisanschluss
270: Schutzdiode
280: Schutzdiode
290: ohmscher Parallelwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5519557 A [0006]
US 5737169 A [0008]

Claims

Elektronische Verpolschutzschaltung (100, 200), mit einer ersten Verbindungsleitung (30) und einer von der ersten Verbindungsleitung (30) verschiedenen und separaten zweiten Verbindungsleitung (40), welche jeweils zum elektrischen Verbinden eines Pols (11, 12) einer elektrischen Spannungsquelle (10) mit einem Anschluss (21, 22) eines elektrischen Verbrauchers (20) vorgesehen sind, einem Feldeffekttransistor (150, 250), welcher einen Drain-Anschluss (152, 252), einen Source-Anschluss (151, 251) und einen Gate-Anschluss (153, 253) umfasst und mittels des Drain-Anschlusses (152, 252) und des Source-Anschlusses (151, 251) in die erste Verbindungsleitung (30) eingeschleift ist, einem ohmschen Gatewiderstand (50), welcher den Gate-Anschluss (153, 253) elektrisch mit der zweiten Verbindungsleitung (40) verbindet, und mit einem Bipolartransistor (160, 260), welcher geschaltet ist, eine elektrische Spannung zwischen dem Gate-Anschluss (153, 253) und dem Source-Anschluss (151, 251) zu verringern, wenn bei einer elektrisch leitenden Drain-Source-Strecke des Feldeffekttransistors (150, 250) eine an einem parasitären Drain-Source-Widerstand des Feldeffekttransistors (150, 250) abfallende Spannung eine vorbestimmte Schwellspannung erreicht oder überschreitet.
Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1, bei der die erste Verbindungsleitung (30) zum elektrischen Verbinden eines Pluspols (11) der Spannungsquelle (10) mit einem Plusanschluss (21) des elektrischen Verbrauchers (20) vorgesehen ist, die zweite Verbindungsleitung (40) zum elektrischen Verbinden eines Minuspols (12) der Spannungsquelle (10) mit einem Minusanschluss (22) des elektrischen Verbrauchers (20) vorgesehen ist, der Feldeffekttransistor (150, 250) als ein p-Kanal-MOSFET ausgebildet ist und der Bipolartransistor (160, 260) als ein pnp-Transistor ausgebildet ist.
Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1, bei der die erste Verbindungsleitung (30) zum elektrischen Verbinden eines Minuspols (12) der Spannungsquelle (10) mit einem Minusanschluss (22) des elektrischen Verbrauchers (20) vorgesehen ist, die zweite Verbindungsleitung (40) zum elektrischen Verbinden eines Pluspols (11) der Spannungsquelle (10) mit einem Plusanschluss (21) des elektrischen Verbrauchers (20) vorgesehen ist, der Feldeffekttransistor (150, 250) als ein n-Kanal-MOSFET ausgebildet ist und der Bipolartransistor (160, 260) als ein npn-Transistor ausgebildet ist.
Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem ohmschen Basiswiderstand (70), welcher einen Basisanschluss (163, 263) des Bipolartransistors (160, 260) elektrisch mit dem Drain-Anschluss (152, 252) des Feldeffekttransistors (150, 250) verbindet.
Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem ohmschen Kollektorwiderstand (80), welcher einen Kollektoranschluss (161, 162) des Bipolartransistors (160, 260) elektrisch mit dem Gate-Anschluss (153, 253) des Feldeffekttransistors (150, 250) verbindet.
Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher ein Emitteranschluss (162, 262) des Bipolartransistors (160, 260) elektrisch mit dem Source-Anschluss (151, 251) des Feldeffekttransistors (150, 250) verbunden ist.
Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem ohmschen Parallelwiderstand (290), welcher den Gate-Anschluss (153, 253) des Feldeffekttransistors (150, 250) elektrisch mit dem Source-Anschluss (151, 251) des Feldeffekttransistors (150, 250) verbindet.
Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die vorbestimmte Schwellspannung mittels des ohmschen Gatewiderstands (50), des ohmschen Basiswiderstands (70) oder des ohmschen Kollektorwiderstands (80) eingestellt ist.
Verpolschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Diagnoseschaltung, welche in die elektrische Verbindung zwischen dem Emitteranschluss (162, 262) des Bipolartransistors (160, 260) und dem Source-Anschluss (151, 251) des Feldeffekttransistors (150, 250) eingeschleift ist.
Verpolschutzschaltung nach Anspruch 9, bei der die Diagnoseschaltung ausgebildet ist, eine Warnung zu erzeugen, wenn die Verpolschutzschaltung (100, 200) infolge eines Verpolens oder eines Überstroms in einem Schutzzustand ist.