DE1763195A1 - Vorrichtung zum Schutz eines steuerbaren Halbleiterelements - Google Patents

Description

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16.4-. 1968 Ciir/Sz

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ROB E RT BOSCH GMBH, Stuttgart V, Breitscheidstraße

Vorrichtung zum Schutz eines steuerbaren Halbleiterelements

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz eines steuerbaren Halbleiterelements, dessen Schaltstrecke im Stromkreis eines Verbrauchers liegt, vor Überlastung durch einen zu hohen Verbraucherstrom; sie ist besonders geeignet für die Anwendung bei elektronischen Kraftstoff-Einspritz-Einrichtungen in Kraftfahrzeugen.

Bei der Teilemontage in der Kraftfahrzeugherstellung und im Kraftfahrzeugservice sind fehlerhafte Verbindungen in der elektrischen Ausrüstung der Fahrzeuge durch Vertauschen von Anschlüssen nicht ganz vermeidbar. Bei einem Kraftfahrzeug kann es hierbei vorkommen, daß ein steuerbares Halbleiterelement - wie beispielsweise ein Transistor - mit seiner Schaltstrecke direkt an die Klemmen der Fahrzeugbatterie angeschlossen wird, wenn statt eines an sich

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vorgesehenen Verbrauchers fälschlicherweise zum Beispiel ein Stück Kabel in dem zu schaltenden Stromkreis liegt- Die sofortige Zerstörung des Transistors durch Überlastung ist die Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, innerhalb einer elektronischen Schaltungsanordnung, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein steuerbares Halbleiterelement vor Zerstörung durch Überlastung infolge eines zu hohen Verbraucherstroms schützt.

Bei einer elektronischen Schaltungsanordnung kann man im Verbraucher-Stromkreis in Reihe mit der Schaltstrecke - vorzugsweise zwischen der Schaltstrecke und dem anzuschließenden Verbraucher gelegen - einen Widerstand vorsehen, der im Kurzschlußfall den Schaltstrom auf einen zulässigen Höchstwert begrenzt. An diesem Widerstand liegt im Kurzschlußfall aber nahezu die volle Batteriespannung; seine Belastbarkeit muß dementsprechend bemessen sein. Außerdem verringert'sich durch diese Maßnahme die Spannung am Verbraucher.

Aus Geräten zum Konstanthalten von Spannungen oder Strömen sind ferner Anordnungen bekannt, die beim Ansteigen des Verbraucherstroms über einen zulässigen Wert den im Verbraucherstromkreis liegenden gesteuerten Transistor nichtleitend machen. Diese Anordnungen bedingen einen für die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu hohen Aufwand.

Nach der Erfindung ergibt sich bei einer eingangs genannten Anordnung eine einfache Lösung dadurch, daß zum Schutz des als steuerbares Halbleiterelement verwendeten Transistors Schaltmittel vorgesehen sind, die in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom den Steuerstrom des Halbleiterelements beeinflussen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist im Stromkreis des Verbrauchers ein Meßwiderstand vorgesehen, der in Abhängigkeit vom

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Verbrauchers troin den Steuerstrom des Halbleiterelements beeinflußt, was eine besonders einfache Lösung der Aufgabe darstellt. Dabei werden mit Vorteil der Meßwiderstand und die Steuerstrecke des Halbleiterelements direkt in Serie geschaltet.

Eine außerordentlich einfache Schaltung ergibt sich nach eijaem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch, daß die Steuerspannung für das Halbleiterelement aus einer Konstantspannungsquelle gewonnen wird und daß die Konstantspannungsquelle parallel zur Serienschaltung der Steuerstrecke des Halbleiterelements und des Meßwiderstands an- , geordnet ist. Eine solche Anordnung begrenzt in außerordentlich einfacher Weise den Viert des Stromes durch das Halbleiterelement auf einen gewünschten, zulässigen Wert. ·

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein zur Erläuterung der grundsätzlichen Wirkungsweise dienendes Schaltbild und

Fif% 2 ein den Aufbau in einem Ausführungsbeispiel zeigendes Schaltbild.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 führt vom Pluspol 1 zum Minuspol 2 einer Batterie 3.mit der Spannung Ut, ein Stromkreis, in dem nach« einander ein Verbraucher 4-, die Schaltstrecke eines als steuerbares Halbleiterelement verwendeten npn-Transistors 5 und ein Meßwiderstand 6 angeordnet sind. Zwischen dem Pluspol 1 und der als Steueranschluß verwendeten Basis des Transistors 5 liegt ein Tastschalter und ein Widerstand 8_V zwischen der Basis und dem Minuspol 2 eine Anzahl von als Konstantspannungsquelle dienenden Dioden 9, 10. Zwischen der Basis und der dem Minuspol 2 der Batterie zugewendeten Elektrode der. Transistor-Schaltstrecke, für die der Emitter verwendet ist, liegt ein Ableitwiderstand 11. Ein möglicher Kurzschluß des Verbrauchers 4- ist durch die unterbrochene Linie 12 angedeutet.

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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 wirkt wie folgt: Ist der Tastschalter 7 geschlossen, dann fließt vom Pluspol 1 der Batterie 3 ein Strom über den Vorwiderstand 8 und die Diodenreihe 9» 10 zum Minuspol 2. Außerdem fließt über den Vorwiderstand 8 ein Strom in die Basis des Transistors 5 und macht diesen leitend. Der Wert des Ableitwiderstands 11 ist so hoch, daß der durch ihn fließende Strom vernachlässigt werden kann. Der leitende Transistor 5 ermöglicht nun einen Strom I vom Pluspol 1 über den Verbraucher 4, die Schaltstrecke des Transistors 5 und den Meßwiderstand 6. Der Meßwiderstand 6 hat einen so kleinen Wert, daß im normalen Betrieb die über ihm zu messende Spannung U, kle.in ist im Vergleich zur Spannung U^ über der Konstantspannungsquelle 9» 10. Deshalb bleibt der Transistor 5 leitend. - Der Strom durch den Verbraucher 4 kann wieder abgeschaltet werden durch Loslassen des Tastschalters 7 - dann bringt der Ableitwiderstand 11 die Basis des Transistors 5 auf Emitterpotential, so daß der Transistor 5 dann nichtleitend wird.

Wäre der Verbraucher 4 mit einer Kurzschlußleitung 12 überbrückt, dann würde der Transistor 5 ohne eine Schutzvorrichtung durch Überlastung alsbald zerstört.

Die Schutzvorrichtung begrenzt im Kurzschlußfall den Strom I auf folgende Weise: Bei eingeschaltetem Tastschalter 7 gibt die KonstantspamriEquelle 9, 10 an die Reihenschaltung aus der Steuerstrecke (Basis-Emitter) des Transistors 5 - der Ableitwiderstand 11 kann wieder vernachlässigt werden - und dem Meßwiderstand 6 eine Spannung Up von festem Wert ab. Die Steuerspannung U-, über der genannten Steuerstrecke - die als Basis-Emitter-Diode die Charakteristik einer in Durchlaßrichtung geschalteten Diode aufweist - kann ebenfalls einen nahezu konstanten Wert nicht übersteigen, der bei gewöhnlichen Siliziumtransistoren bei etwa + 0,8 V liegt. Die Spannung U, über dem Meßwiderstand Rg ist in «jedem Fall gleich der Differenz aus der Spannung Up und der Steuerspannung U,. Sollte der Strom I und damit der Strom durch den Meßwiderstand 6 infolge eines Kurzschlusses des Verbrauchers 4,z. B. mit der Leitung 12,unzulässig

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stark ansteigen, dann bewirkt dieser Strom zunächst auch ein Ansteigen der Spannung TJ^. Die Steuerspannung U, sinkt - denn die Summe aus U, und TJ₁ ist immer gleich U- -, der Steuerstrom in die Steuerstrecke des Transistors 5 nimmt ab. Der Transistor 5 wird weniger leitend - und zwar so weit, daß gerade das durch den Steuerstrom, den Strom I. und den gegebenen Stromverstärkungsfaktor des Transistors 5 bedingte Gleichgewicht eingehalten wird. Der ließwiderstand 6 ist so bemessen, daß der im Kurzschlußfall über die Schaltstrecke fließende Strom den Transistor 5 nicht zerstört.

Ein Ausführungsbeispiel zu der erfindungsgemäßen Anordnting einer Schutzeinrichtung ist in Fig. 2 gezeigt. Da Fig. 2 im wesentlichen mit Fig. 1 übereinstimmt, sind nur die abweichenden Elemente näher beschrieben und erläutert. Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden in Fig. 2 dieselben Bezugsζeichen verwendet wie in Fig. 1.

Der Verbraucher 4 von Fig. 1 ist in Fig. 2 durch ein Relais 14- dargestellt, dem eine Löschdiode 15 parallelgeschaltet ist. Das Relais 14, mit einem Öffner-Schalter 16 mechanisch gekuppelt, hat eine Aufgabe bei einer elektronischen Kraftstoff-Einspritzeinrichtung für Kraftfahrzeuge zu erfüllen. Der Tasterschalter 7 ist mit dem Starterschalter des Kraftfahrzeugs verbunden. Für die Zeit des Startens besteht die Gefahr, daß negative Spannungsspitzen über den Schalter an die Basis des Transistors 5 gelangen und diesen beschädigen, weshalb im Verlauf der Steuerstrecke eine Diode 17 - die für eventuelle negative Steuerspannungen gesperrt gepolt ist--, und gegebenenfalls ein weiterer Spannungsteilerwiderstand 18, angeordnet sind. Der Transistor 5 kann auch über mindestens einen weiteren Vorwiderstand 19 gesteuert werden. Der Wert des Meßwiderstands 6 ist so bemessen, daß der Anker des Relais 14 sicher anzieht, wenn der Transistor 5 leitend gemacht ist, daß aber der zulässige Höchstwert des Stroms I^ im Kurzschlußfall nicht überschritten wird. Die Zahl der Dioden 9, 10 der Konstantspannungsquelle ist so gewählt, daß im normalen Betriebsfall die geforderte Steuerspannung IL von etwa 0,8 V gewährleistet ist und noch eine ausreichende Spannung am Widerstand 6 liegt, Q

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Sollten beispielsweise durch eine falsche Montage die beiden Elemente Eelais 14 und Öffner-Schalter 16 in der Steckfassung vertauscht sein, so wird zwar der Motor des Kraftfahrzeugs nicht zu starten sein, der Transistor 5 jedoch keinesfalls zu Schaden kommen, da in der gleichen Weise, wie das bereits bei Fig. 1 beschrieben wurde, der Strom durch den Transistor 5 auf einen ungefährlichen Wert begrenzt wird.

Die vorliegende Erfindung gibt eine besonders einfache und sicher wirkende Anordnung zum Schutz eines Halbleiterelements vor Kurzschlüssen im Verbraucherkreis an, die sich insbesondere vorteilhaft in der Kraftfahrzeugelektronik verwenden läßt- Für das verwendete zu schützende Halbleiterelement ist keine außergewöhnliche Kühlvorrichtung erforderlich, jedoch wird mit Vorteil einer der üblichen Kühlkörper am Transistor 5 vorgesehen, um seine thermische Belastbarkeit zu erhöhen.

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Claims (5)

i1r>763495 Robert Bosch GmbH R. 9129 Chr/Sz Stuttgart Ansprüche

1. Anordnung sum Schutz eines steuerbaren Halbleiterelements, dessen Schaltstrecke im Stromkreis eines Verbrauchers liegt, vor Überlastung durch einen zu hohen Verbraucherstrom, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (6, 9, 10) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom den Steuerstrom des Halbleiterelements (5) beeinflussen.

2. Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreis des Verbrauchers ein Meßwiderstand (6) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit vom Verbraucherstrom den Steuerstrom des HaIblciterelements (5) beeinflußt.

3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (6) und die Steuerstrecke des Halbleiterelements (5) unmittelbar aufeinanderfolgend in Serie liegen.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekex:,, •zeichnet, daß die S teuer spannung für das Halbleiterelement (5) aus einer Konr.tantspannungsquelle (9, 10) gewonnen wird.

5. Anordnunn nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die KonstantspaJxnunGsquelie (9, 10) parallel zur Serienschaltung der Steuerstrecke des Halbleiterelements (5) und des Meßwiderstands (6) angeordnet ist.

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