DE19936857A1 - Schutzschaltung für ein elektrisches Schaltelement - Google Patents

Abstract

Schutzschaltung (7) für ein elektrisches Schaltelement (3), das mit einem elektrischen Verbraucher (2) in Reihe geschaltet ist, mit einem Steuereingang (5) zur Aufnahme eines Schaltsignals für die Ansteuerung des zu schützenden Schaltelements (3) und einem logischen Gatter (8), das eingangsseitig mit dem Steuereingang (5) und ausgangsseitig mit dem zu schützenden Schaltelement (3) verbunden ist, um das Schaltelement (3) in Abhängigkeit von dem eingangsseitig aufgenommenen Schaltsignal anzusteuern, sowie mit einem an der Ausgangsseite des zu schützenden Schaltelements (3) vorgesehenen Spannungsabgriff (9), der mit einem Eingang (E2) des logischen Gatters (8) verbunden ist, um das zu schützende Schaltelement (3) bei einem Kurzschluß oder einem Widerstandseinbruch des zu schaltenden Verbrauchers (2) zu sperren und dadurch eine Beschädigung des Schaltelements (3) zu verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein elektri­ sches Schaltelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektrische Verbraucher, wie beispielsweise die Erregerspule eines Kraftstoff-Einspritzventils, werden üblicherweise durch ein Schaltelement betätigt, das in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet ist, so daß der Laststrom des Verbrauchers auch durch das Schaltelement fließt. Bei einem Kurzschluß des Ver­ brauchers steigt deshalb die in dem Schaltelement thermisch umgesetzte Verlustleistung sprunghaft an, was ohne entspre­ chende Schutzmaßnahmen zu einer Zerstörung des Schaltelements führen kann.

Aus der deutschen Patentanmeldung P 44 18 232 ist eine Schutzschaltung für ein derartiges Schaltelement bekannt, die bei einem Kurzschluß des Verbrauchers die Zerstörung des Schaltelements verhindert. Hierzu mißt die Schutzschaltung mittels einer Strommeßeinrichtung laufend den durch das Schaltelement fließenden Laststrom und vergleicht diesen mit einem vorgegebenen oberen Grenzwert, um einen Kurzschluß des Verbauchers rechtzeitig vor der Zerstörung des Schaltelements zu erkennen. Beim Überschreiten des vorgegebenen Grenzwerts für den Laststrom wird dann eine Logikschaltung angesteuert, die dem Steuereingang des zu schützenden Schaltelements vor­ geschaltet ist und das Schaltelement sperrt, so daß der Kurz­ schlußstrom unterbrochen wird.

Nachteilig an der vorstehend beschriebenen bekannten Schutz­ schaltung ist die Tatsache, daß bei einem Kurzschluß des Ver­ brauchers vor dem Überschreiten des vorgegebenen Grenzwerts des Laststroms eine erhebliche Verlustenergie in dem zu schützenden Schaltelement anfällt. Der Grenzwert für den Laststrom muß deshalb so gering eingestellt werden, daß die vor dem Sperren des Schaltelements anfallende Verlustenergie nicht zu einer Beschädigung des Schaltelements führt. Ande­ rerseits darf der Grenzwert für den Laststrom nicht so nied­ rig sein, daß bereits bei starker Belastung durch den Ver­ braucher ein Abschalten erfolgt.

Ein weiterer Nachteil der eingangs beschriebenen bekannten Schutzschaltung ist die Tatsache, daß das zeitliche Ansprech­ verhalten des zu schützenden Schaltelements durch die Signal­ laufzeit der vorgeschalteten Logikschaltung verschlechtert wird. Das zu schützende Schaltelement reagiert also erst dann auf das am Eingang anliegende Schaltsignal, wenn dieses die Logikschaltung durchlaufen hat.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schutz­ schaltung für ein elektrisches Schaltelement zu schaffen, die bei einem Kurzschluß des Verbrauchers die in dem Schaltele­ ment entstehende Verlustenergie minimiert, ohne das zeitliche Ansprechverhalten des Schaltelements zu verschlechtern.

Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs beschriebenen bekannten Schutzschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt die allgemeine technische Lehre ein, anstelle des über das Schaltelement fließenden Laststroms die Spannung an der Ausgangsseite des zu schützenden Schaltele­ ments abzugreifen und auf ein logisches Gatter zurückzufüh­ ren, welches das zu schützende Schaltelement im Kurzschluß­ fall sperrt.

Der Begriff Schaltelement ist hierbei und im folgenden allge­ mein zu verstehen und umfaßt im Rahmen der Erfindung alle elektrischen oder elektronischen Bauelemente, deren Wider­ stand steuerbar ist, wobei die Schaltelemente in herkömmli­ cher diskreter Bauweise oder in integrierter Form als Be­ standteil einer integrierten Schaltung ausgeführt sein kön­ nen. So läßt sich die erfindungsgemäße Schutzschaltung bei­ spielsweise zum Kurzschlußschutz von Transistoren, MOSFETs, Röhren und Relais verwenden.

In einer Variante der Erfindung ist der an der Ausgangsseite des zu schützenden Schaltelements vorgesehene Spannungsab­ griff zwischen dem zu schützenden Schaltelement und dem Ver­ braucher angeordnet, so daß der Spannungsabgriff bei einem sperrenden Schaltelement das elektrische Potential der an dem Vebraucher anliegenden Versorgungsspannung annimmt und im leitenden Zustand des zu schützenden Schaltelements an Masse liegt.

Vorzugsweise ist der Schalteingang des zu schützenden Schal­ telements - also bei einem Transistor in der Regel die Basis - direkt mit dem Steuereingang der gesamten Schaltung verbun­ den, so daß Laufzeitverluste durch zwischengeschaltete Si­ gnalverarbeitungsglieder vermieden werden. Die Schutzschal­ tung zeichnet sich in dieser Ausführungsform gegenüber der eingangs beschriebenen Schutzschaltung vorteilhaft durch ein schnelles zeitliches Ansprechverhalten des zu schützenden Schaltelements aus. Der Begriff der direkten Verbindung zwi­ schen dem Schaltelement und dem Steuereingang ist hierbei da­ hingehend zu verstehen, daß keine laufzeitintensiven Bauele­ mente zwischengeschaltet sind, wohingegen eine Zwischenschal­ tung anderer Bauelemente, wie beispielsweise ohmscher Wider­ stände, hierdurch nicht ausgeschlossen ist.

In einer weiterbildenden Variante der Erfindung ist das logi­ sche Gatter, welches das zu schützende Schaltelement ansteu­ ert, eingangsseitig über ein Zeitverzögerungsglied mit dem Steuereingang der gesamten Schaltung verbunden, so daß das Gatter auf eine Änderung des Schaltsignals zeitvezögert rea­ giert. Vorzugsweise besteht das Zeitverzögerungsglied hierbei aus einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator (RC- Glied), wobei der ohmsche Widerstand beispielsweise Werte im Bereich von 1 kΩ bis 100 kΩ annehmen kann, während sich für den Kondensator Werte zwischen 1 pF und 100 nF anbieten.

Die Verbindung des an der Ausgangsseite des Schaltelements vorgesehenen Spannungsabgriffs mit dem logischen Gatter für die Ansteuerung des Schaltelements erfolgt vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines Schutzwiderstands, der einen Betrieb bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen ermöglicht.

In einer Variante der Erfindung ist weiterhin eine Diagnose­ leitung vorgesehen, die mit dem Spannungsabgriff an der Aus­ gangsseite des zu schützenden Schaltelements verbunden ist, um das Fehlerverhalten des Verbrauchers durch eine externe Diagnoseschaltung überwachen zu können.

In der bevorzugten Ausführungsform besteht das logische Gat­ ter für die Ansteuerung des zu schützenden Schaltelements aus einem UND-Gatter mit invertierendem Ausgang, wobei ein erster Eingang des UND-Gatters mit dem Schalteingang der gesamten Schaltung und einer zweiter Eingang des UND-Gatters mit dem an der Ausgangsseite der Schaltelements vorgesehenen Span­ nungsabgriff verbunden ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Er­ findung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schutzschaltung für einen Leistungstransistor zum Schalten der Erregerspule eines Kraftstoff- Einspritzventils,

Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine er­ findungsgemäße Schutzschaltung.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine mit einer Diode 1 parallel geschaltete Erregerspule 2 für ein Kraftstoff-Einspritzventil, wobei die Erregerspule 2 an einem Anschluß mit dem Pluspol einer nicht dargestellten Spannungs­ quelle verbunden ist, die eine Versorgungsspannung von U = +12 V liefert. Der andere Anschluß der Erregerspule 2 ist mit dem Drainanschluß D eines MOSFET-Schalttransistors 3 ver­ bunden, der mit der Erregerspule 2 in Reihe geschaltet ist, um den Erregerstrom und damit die Kraftstoffeinspritzung zu steuern. Der mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbundene Anschluß ist weiterhin über einen Kondensator 4 mit Masse verbunden, um Schwankungen der Versorgungsspannung auszuglei­ chen. Der Sourceanschluß S des MOSFET-Schalttransistors 3 ist mit Masse verbunden, so daß der MOSFET-Schalttransistor 3 als sogenannter Low-Side-Schalter auf der Masseseite der Erreger­ spule 2 angeordnet ist.

Der Gateeingang G des MOSFET-Schalttransitors 3 ist über ei­ nen ohmschen Widerstand R mit einem Steuereingang 5 verbun­ den, an dem das von einem externen Schalter 6 erzeugte Schaltsignal für den MOSFET-Schalttransistor 3 anliegt.

Der vorstehend beschriebene Schaltungsaufbau ist aus herkömm­ lichen Steuerschaltungen für eine Erregerspule eines Kraft­ stoff-Einspritzventils bekannt, während im folgenden der Auf­ bau einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 7 für den MOSFET- Schalttransistor 3 erläutert wird.

Zur Ansteuerung des MOSFET-Schalttransistors 3 ist ein UND- Gatter 8 des Typs 74HC03A mit zwei Eingängen E1, E2 und einem invertierenden Ausgang A vorgesehen, wobei der invertierende Ausgang A des UND-Gatters 8 mit dem Gate-Anschluß G des MOS- FET-Schalttransistors 3 verbunden ist. Der erste Eingang E1 des UND-Gatters 8 ist über einen ohmschen Widerstand R1 = 10 kΩ mit dem Steuereingang 5 verbunden, während der zweite Eingang E2 des UND-Gatters 8 über einen Schutzwider­ stand R2 = 10 kΩ mit einem Spannungsabgriff 9 an dem Drain- Anschluß D des MOSFET-Schalttransistors 3 angeschlossen ist. Zwischen dem ersten Eingang E1 des UND-Gatters 8 und Masse ist weiterhin ein Kondensator C1 = 33 nF geschaltet, der mit dem Widerstand R1 ein RC-Glied bildet, das für ein zeitverzö­ gertes Ansprechen des UND-Gatters 8 auf das Schaltsignal auf dem Steuereingang 5 sorgt.

Unter Bezugnahme auf die vorstehende Beschreibung des struk­ turellen Schaltungsaufbaus wird im folgenden die Funktion der dargestellten Schaltung erläutert, wobei zunächst angenommen wird, daß kein Kurzschluß der Erregerspule 2 vorliegt.

Im Ruhezustand der Schaltung legt der Schalter 6 den Steuer­ eingang 5 auf Masse, so daß an dem ersten Eingang E1 des UND- Gatters 8 ein LOW-Pegel anliegt. Darüber hinaus sperrt der MOSFET-Schalttransistor 3 im Ruhezustand, so daß an dem zwei­ ten Eingang E2 des MOSFET-Schalttransistors 3 ein HIGH-Pegel anliegt. An dem invertierenden Ausgang A des UND-Gatters 8 erscheint somit im Ruhezustand der Schaltung ein HIGH-Pegel, der jedoch nicht zu einem Durchschalten des MOSFET- Schalttransistors 3 führt, da das UND-Gatter 8 einen Open- Drain-Ausgang aufweist.

Bei einer Aktivierung des Schalters 6 nimmt der Steuereingang 5 das Potential U = +5 V an, so daß der MOSFET-Schalttransistor 3 sofort durchschaltet, woraufhin das Potential des zweiten Eingangs E2 des UND-Gatters 8 nahezu sofort einen LOW-Pegel annimmt. Gleichzeitig wird der Kondensator C1 über den Wider­ stand R1 aufgeladen, so daß der erste Eingang E1 nach einer vorgegebenen Ladezeit vom LOW-Pegel in den HIGH-Pegel über­ geht. Sowohl in der Ladephase als auch nach dem Aufladen des Kondensators C1 erscheint an dem invertierenden Ausgang A des UND-Gatters 8 demzufolge ein HIGH = Pegel, der jedoch keine Auswirkung auf die Schaltung hat, da es sich bei dem Ausgang A des UND-Gatters 8 um einen Open-Drain-Ausgang handelt.

Bei einem folgenden Öffnen des Schalters 6 sinkt das Potenti­ al des Steuereingangs 5 wieder auf Masse ab, woraufhin der MOSFET-Schalttransistor 3 nahezu sofort sperrt. Dies hat zur Folge, daß der zweite Eingang E2 des UND-Gatters 8 nahezu so­ fort einen HIGH-Pegel annimmt. Gleichzeitig entlädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand R1, so daß das Potential am ersten Eingang E1 des MOSFET-Schalttransistors 3 langsam absinkt. Zu Beginn der Entladephase des Kondensators C1 liegt jedoch an dem ersten Eingang E1 des UND-Gatters 8 noch ein HIGH-Pegel an, so daß am invertierenden Ausgang A des UND- Gatters 8 zunächst ein LOW-Pegel erscheint, der vorteilhaft zu einem schnellen Ausräumen des MOSFET-Schalttransistors 3 führt.

Im folgenden wird derselbe Schaltzyklus für den Kurzschluß­ fall der Erregerspule 2 beschrieben.

Zu Beginn des Schaltzyklus ist der Schalter 6 geöffnet und der MOSFET-Schalttransistor 3 sperrt, so daß an dem ersten Eingang E1 des UND-Gatters 8 ein LOW-Pegel liegt, während an dem zweiten Eingang E2 des UND-Gatters 8 ein HIGH-Pegel an­ liegt. An dem invertierenden Ausgang A des UND-Gatters 8 er­ scheint somit wieder ein HIGH-Pegel, was jedoch keine Auswir­ kung auf die Schaltung hat, da es sich bei dem Ausgang A des UND-Gatters 8 um einen Open-Drain-Ausgang handelt.

Beim Schließen des Schalters 6 nimmt der Steuereingang 5 so­ fort HIGH-Pegel an, so daß der MOSFET-Schalttransistor 3 na­ hezu sofort durchschaltet. Der Spannungsabgriff 9 zwischen dem MOSFET-Schalttransistor 3 und der Erregerspule 2 und da­ mit auch der zweite Eingang E2 des UND-Gatters 8 bleibt je­ doch wegen des Kurzschlusses der Erregerspule 2 auch nach dem Durchschalten des MOSFET-Schalttransistors 3 auf HIGH- Pegel. Gleichzeitig wird der Kondensator C1 über den Wider­ stand R1 aufgeladen, so daß auch an dem ersten Eingang E1 des UND-Gatters 8 nach einer vorgegebenen Ladezeit ein HIGH-Pegel anliegt. An dem invertierenden Ausgang A des UND-Gatters 8 erscheint dann ein LOW-Pegel, der den MOSFET-Schalttransistor 3 sperrt und damit den Kurzschlußstrom unterbricht, wodurch eine Zerstörung des MOSFET-Schalttransistors 3 durch die auf­ tretende Verlustleistung verhindert wird. Die Verzögerungs­ zeit zwischen dem Einschalten durch den Schalter 6 und dem anschließenden Trennen des MOSFET-Schalttransistors 3 wird hierbei durch die Zeitkonstante des RC-Glieds R1C1 vorgegeben und kann durch Auswahl entsprechender Bauelemente gewählt werden. Darüber hinaus bestimmt die Zeitkonstante des RC- Glieds auch die Verzögerungszeit zwischen dem plötzlichen Auftreten eines Kurzschlusses der Erregerspule 2 und dem Ab­ schalten des MOSFET-Schalttransistors 3.

Wenn nun der Kurzschluß der Erregerspule 2 beendet wird, so ändert dies nichts an dem HIGH-Pegel an dem zweiten Eingang E2 des UND-Gatters 8, so daß am Ausgang A des UND-Gatters 8 weiterhin ein LOW-Pegel erscheint, der den MOSFET- Schalttransistor 3 sperrt. Eine kurzfristige Unterbrechung des Kurzschlusses reicht also nicht aus, damit die Schutz­ schaltung 7 wieder zum normalen Betrieb zurückkehrt. Vielmehr ist es dafür erforderlich, den Schalter 6 auf Masse zu legen oder die Versorgungsspannung U = +12 V kurzfristig abzuschal­ ten, damit einer der beiden Eingänge E1, E2 des UND-Gatters 8 einen LOW-Pegel annimmt. In diesem Fall erscheint am inver­ tierenden Ausgang A des UND-Gatters 8 wieder ein HIGH-Pegel, so daß der Schalter 6 den MOSFET-Transistor 3 durchschalten kann, woraufhin die Schutzschaltung 7 wieder zum normalen Be­ trieb zurückkehrt.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel stimmt weit­ gehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsbeispiel überein, so daß für übereinstim­ mende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet werden und diesbezüglich auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Als Besonderheit weist die in Fig. 2 dargestellte Schaltung einen Anschluß 10 für eine Diagnoseleitung auf, der mit dem Spannungsabgriff 9 zwischen dem MOSFET-Schalttransistor 3 und der Erregerspule 2 verbunden ist. Die Diagnoseleitung ermög­ licht also die Erkennung von Kurzschlüssen der Erregerspule 2 durch eine externe Diagnoseschaltung.

Darüber hinaus weist die in Fig. 2 dargestellte Schaltung als weitere Besonderheit einen Kondensator C2 = 100 pF auf, der den zweiten Eingang E2 des UND-Gatters 8 mit Masse verbindet und Spannungsschwankungen puffert. Hierdurch wird verhindert, daß ein von elektromagnetischen Störungen herrührender kurz­ fristiger Einbruch der von dem Spannungsabgriff 9 zwischen dem MOSFET-Schalttransistor 3 und der Erregerspule 2 erfaßten Spannung nicht zu einem HIGH-Pegel an dem zweiten Eingang E2 des UND-Gatters 8 führt, da der MOSFET-Schalttransistor 3 dann sperren würde.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear­ teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (10)

1. Schutzschaltung (7) für ein elektrisches Schaltelement (3), das mit einem elektrischen Verbraucher (2) in Reihe ge­ schaltet ist, mit
einem Steuereingang (5) zur Aufnahme eines Schaltsignals für die Ansteuerung des zu schützenden Schaltelements (3) und
einem logischen Gatter (8), das eingangsseitig mit dem Steu­ ereingang (5) und ausgangsseitig mit dem zu schützenden Schaltelement (3) verbunden ist, um das Schaltelement (3) in Abhängigkeit von dem eingangsseitig aufgenommenen Schaltsi­ gnal anzusteuern, gekennzeichnet durch einen an der Ausgangsseite des zu schützenden Schaltelements (3) vorgesehenen Spannungsabgriff (9), der mit einem Eingang (E2) des logischen Gatters (8) verbunden ist, um das zu schützende Schaltelement (3) bei einem Kurzschluß oder einem Widerstandseinbruch des zu schaltenden Verbrauchers (2) zu sperren und dadurch eine Beschädigung des Schaltelements (3) zu verhindern.

2. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabgriff (9) zur Ansteuerung des logischen Gatters (8) zwischen dem zu schützenden Schaltelement (3) und dem zu schaltenden Verbraucher (2) vorgesehen ist.

3. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu schützende Schaltelement (3) eingangsseitig im we­ sentlichen direkt mit dem Steuereingang (5) verbunden ist, um ein schnelles Ansprechen des Schaltelements (3) auf das Schaltsignal zu erreichen.

4. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Gatter (8) eingangsseitig über ein Zeitver­ zögerungsglied (R1, C1) mit dem Steuereingang (5) verbunden ist, um ein zeitverzögertes Ansprechen des Gatters (8) auf das Schaltsignal zu erreichen.

5. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitverzögerungsglied aus einem Widerstand (R1) und einem Kondensator (C1) besteht.

6. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Ausgangsseite des Schaltelements (3) vorgese­ hene Spannungsabgriff (9) über einen Schutzwiderstand (R2) mit dem Eingang (E2) des logischen Gatters (8) verbunden ist.

7. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabgriff (9) ausgangsseitig mit einer Diagno­ seleitung (10) verbunden ist, um die Fehlerhäufigkeit des ge­ schalteten Verbrauchers (2) durch eine externe Diagnoseschal­ tung überwachen zu können.

8. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das logische Gatter (8) ein UND-Gatter ist, wobei ein er­ ster Eingang (E1) des UND-Gatters (8) mit dem Steuereingang (9) und ein zweiter Eingang (E2) des UND-Gatters (8) mit dem an der Ausgangsseite des Schaltelements (3) vorgesehenen Spannungsabgriff (9) verbunden ist.

9. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang des UND-Gatters (8) mit einem Konden­ sator (C2) verbunden ist, um kurzzeitige Spannungseinbrüche an dem zweiten Eingang des UND-Gatters (8) abzupuffern.

10. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das UND-Gatter (8) einen Open-Drain-Ausgang aufweist.