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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz
einer elektrischen Last mit einem Leistungsschalter, mit einer Steuerelektrode
und einer eine Laststrecke bildenden ersten und zweiten Elektrode,
einer mit der Laststrecke in Reihe geschalteten Last sowie einer
zwischen der Steuerelektrode und der zweiten Elektrode befindlichen
Sicherungsvorrichtung.
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Leistungsschalter,
die zum Schalten von Lasten z. B. Gleichstrommotoren, Asynchronmotoren oder ähnlichen,
eingesetzt werden, müssen
einen Schutz vor Kurzschlüssen
im Lastkreis aufweisen. Dies ist notwendig, da ansonsten der Leistungsschalter
oder im schlimmsten Fall sogar die Last zerstört werden könnte.
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Zu
diesem Zweck werden die Leistungsschalter z. B. mit einem oder mehreren
elektronischen Temperatursensoren versehen, deren Signale von einer
Auswerteschaltung ausgewertet werden und die beim Auftreten eines
Kurzschlusses, der einen starken Temperaturanstieg im Leistungsschalter zur
Folge hat, den Leistungsschalter abschaltet. Bei Überschreiten
eines bestimmten Temperaturwertes wird der Leistungsschalter abgeschaltet
und somit eine Zerstörung
verhindert. In B. Morari, F. Bertotti, G. A. Vignola (Herausgeber),
Smart Power IC's, Technologie's and applications,
Springer Verlag 1996, Seite 85 ff. sind Leistungsschalter beschrieben,
die zu ihrem Schutz einen Sensor aufweisen. Hierzu ist auf dem Halbleiterchip
des Leistungsschalters ein Sensorchip aufgeklebt. Der Sensorchip
ist mit dem Leistungsschalter elektrisch verbunden, wobei die Verschaltung
zwischen Gatelektrode und Sourceelektrode des Leistungsschalters
vorgenommen ist. Der Sensorchip ist in diesem Fall als Thyristor
ausgeführt,
der bei einer vorgegebenen Temperatur von 150°C anspricht, und den Leistungsschalter bei Überschreiten
dieser Temperaturgrenze abschaltet. Der Sensorchip ist zu diesem
Zweck gut wärmeleitend
mit dem Leistungsschalter verbunden.
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Es
sind weiterhin Leistungsschalter bekannt, bei denen ein Dioden-
oder ein Transistorsensor in der Nähe der heißesten Stelle des Leistungsschalters
integriert sind. Das Signal des Sensors wird dann von einer Auswerteschaltung
so verarbeitet, daß die Abschaltung
des Leistungsschalters oder zumindest eine Leistungsreduzierung
erfolgt, sobald die am Sensor anliegende Temperatur eine vorbestimmte Schwelle überschreitet.
Normalerweise liegen die Schaltschwellen zwischen 150°C und 180°C.
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Die
beschriebenen Leistungsschalter sind sowohl in diskreter als auch
in monolitisch integrierter Bauweise erhältlich. Nachteilig beim beschriebenen Stand
der Technik ist, daß im
Falle eines Versagens der Halbleiterelektronik, z. B. durch eine
schlechte Bondverbindung zwischen dem Sensorchip und dem Leistungsschalter,
der Laststromkreis nicht unterbrochen wird, so daß der Leistungsschalter
oder aber die Last beschädigt
werden könnten.
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Die
DE 44 01 956 A1 beschreibt
ein Leistungs-Halbleiterbauelement mit einem Temperatursensor, der
das Leistungs-Halbleiterbauelement durch
Einschalten eines steuerbaren Schalters aus dem leitenden Zustand
in einen Bereich höheren
Widerstands steuert, wenn die Temperatur im Halbleiterkörper des
Leistungs-Halbleiterbauelements einen kritischen Wert erreicht.
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Die
DE 27 58 890 C3 beschreibt
ein Halbleiterbauelement, das mittels eines dünnen Zuleitungsdrahts an einen
Anschluss angeschlossen ist. Dieser Zuleitungsdraht ist derart ausgebildet,
dass er bei einem Strom, der oberhalb einer vorgegebenen Stromstärke liegt,
durchschmilzt.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Schaltungsanordnung
zum Schutz einer elektrischen Last vorzusehen, die im Falle einer Überlast
oder eines Kurzschlusses den Laststromkreis sicher unterbricht.
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Diese
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß die
Schaltungsanordnung, die einen Leistungsschalter mit einer Steuerelektrode
und einer ersten und einer zweiten Elektrode aufweist, wobei mit
der Laststrecke, die durch die erste und die zweite Elektrode gebildet
wird, eine Last in Reihe geschaltet ist, eine Sicherungsvorrichtung
aufweist, die zwischen der Steuerelektrode und der zweiten Elektrode
des Leistungsschalters angeordnet ist. Die Sicherungsvorrichtung
ist dabei als elektronische Schmelzsicherung ausgeführt.
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Die
Schmelzsicherung weist einen Schmelzleiter und einen ein elektrisches
Signal produzierenden und mit dem Schmelzleiter elektrisch verbundenen
Signalgeber auf, wobei der Schmelzleiter und der Signalgeber in
gutem thermischen Kontakt stehen. Der Schmelzleiter und der Signalgeber
sind dabei in Reihe verschalten. Die Reihenschaltung aus dem Schmelzleiter
und dem Signalgeber ist derart zwischen die Gateelektrode und die
zweite Elektrode des Leistungsschalters geschalten, daß der Schmelzleiter
mit der zweiten Elektrode verbunden ist, während der Signalgeber mit der
Steuerelektrode in Verbindung steht.
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Am
Verbindungspunkt zwischen dem Signalgeber und dem Schmelzleiter
ist ein zweiter Versorgungsanschluß, der ein gegenüber einem
ersten Versorgungsanschluß niedrigeres
Potential aufweist, verbunden. Die Reihenschaltung aus der Last,
dem Leistungsschalter und dem Schmelzleiter ist zwischen dem ersten,
ein hohes Potential aufweisenden Versorgungsanschluß und dem
zweiten Versorgungsanschluß verschalten.
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Weiterhin
ist zwischen der Steuerelektrode des Leistungsschalters und dem
ersten Versorgungsanschluß ein
Widerstand geschalten.
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Die
erfindungsgemäße Schutzschaltung
besteht demnach aus einer Sicherungsvorrichtung mit einem Schmelzleiter
und einem Signalgeber, die thermisch und elektrisch miteinander
gekoppelt sind. Die Eigenschaften des Signalgebers sind derart beschaffen,
daß bei
einer Erwärmung
des Signalgebers durch den Schmelzleiter, z. B. bei einem Überstrom, der
Signalgeber niederohmig wird. Aufgrund der Verschaltung des Signalgebers
und des Widerstandes, die in Serie verschalten sind, und deren Verbindungspunkt
mit der Steuerelektrode des Leistungsschalters verbunden ist, bilden
der Signalgeber und der Widerstand einen Spannungsteiler. Wird der
Widerstand des Signalgebers bei Erwärmung geringer, so verringert
sich auch die an der Steuerelektrode auftretende Spannung. Durch
die Verringerung der Spannung zwischen Steuerelektrode und zweiter
Elektrode wird der Leistungsschalter zurückgeregelt, d. h. der Strom über seine
Laststrecke geht zurück.
Ein Überhitzen des
Leistungsschalters bzw. der Last kann auf diese Weise verhindert
werden.
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Vorteilhafterweise
ist der Signalgeber als ein Thyristor ausgeführt. Bei einer Temperatur von
ca. 150°C,
die durch die Erwärmung
des Schmelzleiters verursacht wird, zündet der Thyristor und schaltet den
Leistungsschalter aus. Eine Zerstörung des Leistungsschalters
und der Last wird hierdurch verhindert. Die Temperatur, bei der
der Thyristor zündet, liegt
deutlich über
normalen Umgebungstemperaturen in elektrischen Schaltungen, so daß eine Fehlfunktion
durch äußere Einflüsse ausgeschlossen werden
kann. Andererseits liegt diese Temperatur jedoch nicht so hoch,
als daß sie
nicht von einem Schmelzleiter im Übergangs bzw. Überlastbereich
erreicht werden kann, d. h. der Schmelzleiter bleibt bei dieser
Temperatur unversehrt. Sollte aus irgendeinem Grund der Leistungsschalter
nicht ausschalten, z. B. aufgrund einer Fehlfunktion des Signalgebers, so
unterbricht die Schmelzsicherung den Lastkreis und schützt das
Gerät vor
einem Defekt. Nach dem Beseitigen der Fehlerursache bzw. dem Austausch der
Schmelzsicherung ist die volle Funktionsfähigkeit, d. h. Schutz vor Überlastung,
wieder voll gewährleistet.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung
besteht darin, daß diese
einfach und kostengünstig
zu realisieren ist, indem eine Schmelzsicherung mit einem Signalgeber,
vorzugsweise einem Thyristor, verbunden wird. In diesem Fall ist
es nicht notwendig, den Leistungsschalter als intelligenten Leistungsschalter
mit einer Schutzfunktion vorzusehen.
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In
einer Ausgestaltungsform können
der Schmelzleiter und der Signalgeber in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
sein. In diesem Fall ist die Sicherungsvorrichtung als Dreipol ausgeführt, d. h.
die Schutzschaltung ist mit nur drei äußeren Anschlüssen versehen.
Der Thyristor und der Schmelzleiter haben dann einen gemeinsamen
Eingang.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der einzigen 1 näher erläutert. 1 zeigt
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Schutz einer elektrischen Last mit einer elektronischen Sicherungsvorrichtung.
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1 zeigt
eine Energieversorgung mit einem ersten Versorgungsanschluß 1 und
einem zweiten Versorgungsanschluß 2. Der Versorgungsanschluß 2 liegt
dabei auf einem niedrigerem Potential als der Versorgungsanschluß 1.
Vorzugsweise ist der Versorgungsanschluß 2 auf festem Potential,
z. B. Masse. Die Figur zeigt weiterhin eine zu schützende Last 3,
die in Serie mit einem Leistungsschalter 4 geschalten ist.
Der Leistungsschalter 4 weist eine Steuerelektrode sowie
eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf. Der Leistungsschalter 4 ist
als MOSFET ausgeführt,
d. h. die Steuerelektrode ist das Gate, die erste Elektrode ist
der Drainanschluß,
die zweite Elektrode ist der Sourceanschluß. Der Leistungsschalter kann
auch ein anderes spannungsgesteuertes Bauelement sein. Die Schutzschaltung
ist in der Figur als sogenannter Low-Side-Schalter ausgeführt, d. h. die Last 3 ist
mit dem Drainanschluß des
Leistungsschalters 4 verbunden. Zwischen dem Gateanschluß und dem
Sourceanschluß des
Leistungsschalters 4 ist eine Sicherungsvorrichtung 5 geschalten.
Die Sicherungsvorrichtung 5 besteht aus einem Signalgeber 7 und
einem Schmelzleiter 8. Der Signalgeber 7 und der
Schmelzleiter 8 sind in Reihe geschalten. Dabei ist der
Schmelzleiter 8 mit dem Sourceanschluß des Leistungsschalters 4 verbunden,
während
der Signalgeber 7 mit dem Gateanschluß des Leistungsschalters 4 in
Verbindung steht. An einem Verbindungspunkt 9 zwischen
dem Signalgeber 7 und dem Schmelzleiter 8 ist
der zweite Versorgungsanschluß angeschlossen.
Der erste Versorgungsanschluß 1 ist
mit der Last 3 verbunden. Zwischen dem ersten Versorgungsanschluß 1 und
dem Gateanschluß des
Leistungsschalters 4 liegt ein Widerstand 6. Der
Widerstand 6 und der Signalgeber 7 bilden einen
Spannungsteiler. Die Last 3 kann z. B. eine Lampe oder
aber ein Elektromotor mit Voll- oder Halbbrückenantrieb sein. Es ist jedoch
auch jede andere Last denkbar. Es muß nur sichergestellt sein, daß zum Hauptstrompfad
der Last der Leistungsschalter 4 sowie der Schmelzleiter 8 in
Reihe geschalten sind.
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Erhöht sich
z. B. durch eine Fehlfunktion im Hauptstrompfad der Last 3 der
Strom, so macht sich dies in einer Erwärmung sowohl des Leistungsschalters 4 als
auch des Schmelzleiters 8 bemerkbar. Aufgrund der guten
thermischen Kopplung zwischen dem Signalgeber 7 und des
Schmelzleiters 8 wird der Signalgeber 7 niederohmig.
Hierdurch bedingt sinkt die Gate-Source-Spannung des Leistungsschalters 4 ab
und regelt den Strom über
die Laststrecke zurück. Vorzugsweise
ist der Signalgeber 7 als ein Thyristor ausgeführt. Bei Überschreiten
einer bestimmten Grenztemperatur des Thyristors zündet dieser
und schaltet den Leistungsschalter 4 aus. Ein Defekt der Last 3 ist
somit verhindert.
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Sollte
aus irgendeinem Grund der Leistungsschalter 4 nicht abschalten,
so wird der Schmelzleiter 8 weiter erhitzt, bis er seinen
Schmelzpunkt erreicht und durchbrennt. Die Schmelztemperatur eines Schmelzleiters
im Hotspot beträgt
ca. 900°C.
Der Schmelzleiter weist eine Ansprechcharakteristik auf, die ein
Durchbrennen seines Schmelzleiters sicherstellt, bevor der Leistungsschalter 4 oder
die Last 3 einen Defekt erleiden.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Leistungsschalter 4 keine
eigene Schutzvorrichtung benötigt.
Dies spart Kosten und vereinfacht die Fertigung. Bei einem Schmelzen
des Schmelzleiters im Überlastfall
kann die Funktion der Last 3 durch einen einfachen Austausch
des Schmelzleiters leicht wieder hergestellt werden.
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Vorzugsweise
wird als Signalgeber 7 ein Thyristor, der bei einer Temperatur
von ca. 150° zündet, eingesetzt.
Es ist jedoch auch denkbar, den Signalgeber als eine Temperatursensorlogik
auszuführen.
Dies bedeutet, ein Temperatursensor ist mit dem Schmelzleiter thermisch
gut leitend verbunden und gibt die Temperatur an eine Auswertelogik
weiter, die eine Reduzierung des Widerstandes zwischen der Gateelektrode
und dem Verbindungspunkt 9 vornimmt oder aber die Gatespannung
auf andere Weise reduziert.
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Die
in 1 gezeigte Schutzschaltung ist als Low-Side-Schalter realisiert.
Es ist jedoch selbstverständlich
auch möglich,
die Last auf der Sourceseite des Leistungsschalters 4 anzuordnen,
d. h. die Schutzschaltung als sogenannten High-Side-Schalter zu realisieren. Das Prinzip
der Erfindung besteht darin, den Leistungsschalter, die Last und
den Schmelzleiter als Reihenschaltung auszuführen, so daß im Falle eines zu hohen Stromes
und einer eventuellen Fehlfunktion des Leistungsschalters 4 der Strom
durch das Schmelzen des Schmelzleiters unterbrochen wird.