DE2310448B2 - Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen SchaltersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum
Schutz eines elektronischen Schalters insbesondere eines Schalttransistors nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Verbraucher, beispielsweise Widerstände, Relais und dgl. werden häufig durch elektronische Schalter,
insbesondere durch Schaltransistoren eingeschaltet
wobei die Schaltstrecke der elektronischen Schalter in
Reihe zu dem Verbraucher geschaltet ist Wird der elektrische Verbraucher aus Versehen oder durch einen
Fehler am Verbraucher kurzgeschlossen, so fließt über den elektronischen Schalter ein hoher Strom, der zu
einer unzulässig hohen Erwärmung und damit zur Zerstörung des Schalters führen kann.
Es ist bekannt zum Schutz des elektronischen Schalters bei Kurzschlüssen des Verbrauchers in Reihe
zu der Schaltstrecke des elektronischen Schalters einen Strombegrenzungswiderstand anzuordnen. Mit Hilfe
dieses Strombegrenzungswiderstandes kann der Strom, der bei kurzgeschlossenem Verbraucher fließt, auf einen
zulässigen Wert begrenzt werden. Nachteilig ist jedoch, daß auch bei kurzgeschlossenem Verbraucher der
Aus der DE-AS 1139 879 ist weiterhin eine
Überlastungsschutzeinrichtung für Schalttransistoren, insbesondere bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung
mit dem Schalter verbundenen Verbrauchers bekannt, bei der durch Auslösung eines Abtastimpulses
der Verbraucher dadurch in Betrieb genommen wird, daß der Abtastimpuls den Schalter schließt, und bei der
bei geschlossenem Schalter das Potential am Verbindungspunkt des Schalters und des Verbrauchers über
ein Element eines logischen Schaltkreises den Schalter geschlossen hält oder öffnet Bei der bekannten
Vorrichtung ist die Länge des Abtastimpulses jedoch so gewählt, daß sie in der Größenordnung der Schaltzeit
der Schalttransistoren Hegt, so daß die Schaltung insgesamt nur während der Schaltzeit der Schalttransistoren
überwacht wird. Da während dieser Zeit noch keine definierten Verhältnisse in der Schaltung vorliegen,
kann es demzufolge zu Fehlauslösungen kommen. Weiter ist bei der bekannten Vorrichtung von Nachteil,
daß zur Erzeugung des Abtastimpulses ein Zeitglied mit einem Kondensator verwendet wird, so daß sich
insgesamt eine aufwendige Fertigung der Schaltungsanordnung ergibt, wenn diese als integriertes Bauelement
ausgeführt werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die als integrierte
Schaltung herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen
gelöst.
Die Schaltungsanordnung ist besonders für den rauhen Betrieb in einem Kraftfahrzeug geeignet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmä-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmä-
Bige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und aus den Zeichnungen. Es zeigt
F i g. 1 den Stromlaufplan einer Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters und
F i g. 2 einen Impulsplan zur Erläuterung des Stromlaufplanes
nach F i g. 1.
In F i g. 1 ist ein Verbraucher 10 in Reihe zu der Schaltstrecke eines Schalttransistors 11 geschaltet. Der <o
Verbraucher 10, der der Einfachheit halber als ohmscher Widerstand gezeichnet ist, ist einerseits mit einer
gemeinsamen Versorgungsleitung 12 und andererseits mit dem Kollektor des ,Schalttransistors 11 verbunden.
Der Emitter des Schalttransistors 11 ist über einen Emitterwiderstand 13 mit einer gemeinsamen Versorgungsleitung
14 verbunden. An die Basis des Schalttransistors 11 ist eine Zenerdiode 15 angeschlossen, die
einseitig mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 14 verbunden ist Die Basis des Schalttransistors 11 ist
weiterhin über einen Widerstand 18 mit der Reihenschaltung der Schaltstrecken zweier Steuert'ansistcren
17 und 18, die ein UND-Glied bilden, verbunden. Dabei
ist der Kollektor des ersten Steuertransistors 17 mit dem Widerstand 16 verbunden und der Emitter des
ersten Steuertransistors 17 mit dem Kollektor des zweiten Transistors 18. Der Emitter des zweiten
Steuertransistors 18 ist an die gemeinsame Versorgungsleitung 12 angeschlossen. Von dem Kollektor des
Schalttransistors 11 führt eine Verbindungsleitung zu einem Widerstand 19, der an die Basis des zweiten
Steuertransistors 18 angeschlossen ist An die Basis des zweiten Steuertransistors 18 sind zwei Widerstände 20
und 21 angeschlossen, von denen der Widerstand 20 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 12 Verbindung
hat und von denen der Widerstand 21 über die Schaltstrecke eines Transistors 22 mit der gemeinsamen
Versorgungsleitung 14 verbunden ist Der zweite Steuertransistor 18 bildet dabei zusammen mit den
Widerständen 19 und 21 ein ODER-Glied. Die Basis des Transistors 22 ist mit der Kathode einer Diode 23 und
einem Widerstand 24 verbunden, der an die gemeinsame Versorgungsleitung 14 angeschlossen ist Die Anode der
Diode 23 ist mit einem Widerstand 25 verbunden, der einseitig an die gemeinsame Versorgungsleitung 12
angelegt ist Außerdem ist die Anode der Diode 23 mit der Anode einer Diode 26 verbunden, deren Kathode an
den Kollektor eines Eingangstransistors 27 angeschlossen ist Der Emitter des Eingangstransistors 27 ist mit
der gemeinsamen Versorgungsleitung 14 verbunden und die Basis des Eingangstransistors 27 ist über einen
Vorwiderstand 28 mit einer Eingangsklemme 29 verbunden. Von dem Kollektor des Eingangstransistors
27 führt eine Leitung zu einem Widerstand 30, der mit der Basis des ersten Steuertransistors 17 verbunden ist.
Außerdem ist zwischen die Basis des ersten Steuertransistors 17 und die gemeinsame Versorgungsleitung 12
ein Widerstand 31 geschaltet.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung
soll anhand der in Fig.2 bei a bis d aufgetragenen Spannungsverläufe erläutert werden, Es
soll dabei zunächst angenommen werden, daß an der Eingangsklemme 29 zum Zeitpunkt f0 eine Eingangsspannung Ue = 0 Volt anliegt. Dadurch ist der
Eingangstransistor 27 gesperrt und über den Widerstand 25 und die Diode 23 wird der Transistor 22 leitend
gehallen. Dabei wird der Transistor 22 im Übersteuerunesbereich
betrieben, das heißt, es wird der Basis
dieses Transistors 22 ein wesentlich größerer Basisstrom zugeführt, als zum Umschalten des Transistors 22
in den leitenden Zustand notwendig wäre. Durch diesen Betrieb des Transistors 22 im Obersteuerungsbereich
wird erreicht, daß bei einem Umschalten des Transistors
in den nicht leitenden Zustand, d. h. bei einer Änderung
des Eingangssignales an der Basis des Transistors 22 das Ausgangssignal des Transistors 22 nicht sofort, sondern
erst nach einer sogenannten Speicherzeit geändert wird.
Wenn der Transistor 22 leitet, dann ist über den
Widerstand 21 auch der zweite Steuertransistor 18 leitend und der erste Steuertransistor ist aufgrund des
gesperrten Eingangstransistors und der ebenfalls gesperrten Diode 26 in gesperrtem Zustand. Bei
gesperrtem ersten Steuertransistor 17 ist aber die Reihenschaltung der Steuertransistoren 17 und 18, die in
dieser Schaltungsweise ein »UND-Glied« darstellt insgesamt betrachtet gesperrt, so da Q über den
Widerstand 16 kein Basisstrom zu dem Schalttransistor 11 fließen kana Der Schalttransistor 11 ist deshalb
ebenfalls gesperrt
Zum Zeitpunkt fi wird die Eingai-gsspannung Ue
positiv. Damit wird der Eingangstransistor 27 in den leitenden Zustand geschaltet und die über der
Schaltstrecke des Eingangstransistors 27 abfallende Spannung geht gegen NuIL Dadurch kann über die
Diode 23 kein Basisstrom mehr zu dem Zwischentransistor fließen, aber aufgrund des vorherigen Betriebes in
dem Obersteuerungsbereich bleibt während der Speicherzeit U der Transistor 22 bis zum Zeitpunkt t2 in
leitendem Zustand. Bei leitendem Eingangstransistor 27 leitet aber auch der erste Steuertransistor 17, und da der
zweite Steuertransistor 18 bis zum Zeitpunkt /2 aufgrund
der Ansteuerung über den Transistor 22 und den Widerstand 21 ebenfalls noch leitet ist die Reihenschaltung
der Steuertransistoren 17 und 18 in dem Zeitintervall fi bis f2 leitend. Der dabei auftretende
Differenzimpuls, der in Fig.2d dargestellt ist steuert
über den Widerstand 16 den Schaltiransutor 11
mindestens für diese Zeit d bis h in den leitenden
Zustand. Ist jetzt der Verbraucher 10 nicht kurzgesciilossen,
so tritt am Kollektor des Schalttransistors 11 eine Spannung auf, die etwa der der gemeinsamen
Versorgungsleitung 14 (minus Ue) entspricht Damit kann über den Widerstand 19 für den zweiten
Steuertransistor 18 ein Basisstrom fließen, auch wenn der Transistor 22 nach Ablauf der Speicherzeit t, sperrt
und über den Widerstand 21 kein Basisstrom mehr für den zweiten Steuertransistor 18 fließen kann. Der
zweite Steuertransistor 18 wird also über den Widerstand 19 in leitendem Zustand gehalten und der
erste Steuertransistor 17 wird weiterhin über den Widerstand 30 und den Eingangstransistor 27 in
leite idem Zustand gehalten, so daß über den Widerstand
16 weiterhin ein Basisstrom für den Schalttransistor 11 fließen kann, so daß der Schaltfansistor 11
eingeschaltet bleibt und der Strom über den Verbraucher 10 fließen kann.
Zum Zeitpunkt t3 geht die. Eingangsspannung Üc
wieder auf Null zurück. Nach Ablauf einer Verzögerungszeit des Eingangstransistors 27 sperrt dann zum
Zeitpunkt U der Eingangstransistor 27, dan.it sperrt auch der erste Steuertransistor 17 und der Basisslrom
des Schalttransistors 11 wird unterbrochen, so daß der
Schalttransistor 11 sperrt, bis von neuem ein Eingangssignal an die Eingangsklemme 29 angelegt wird, das
signalisiert, daß der Verbraucher 10 wieder eingeschaltet werden soll.
Ist der Verbraucher 10 kurzgeschlossen, läuft bis zum
Zeitpunkt h der beschriebene Einschaltvorgang ab. Im
Zeitraum t\ — t2 kann jedoch die Spannung am
Kollektor des Schalttransistors Ii nicht gegen die Betriebsspannung minus Ub gehen, da sie bei kurzgeschlossenem
Verbraucher auf dem Pluspotential, das an der gemeinsamen Versorgungsleitung 12 anliegt, gehalten
wird. Damit kann über den Widerstand 19 kein Basisstrom zu dem zweiten Steuertransistor 18 fließen.
Sperrt also nach Ablauf der Speicherzeit f, der Transistor 22, erhält der zweite Steuertransistor keinen
Basisstrom mehr und sperrt, so daß die Reihenschaltung des ersten Steuertransistors 17 und des zweiten
Steuertransistors 18 insgesamt betrachtet sperrt. Die Spannung U* gemäß Fig. 2d tritt also nur als
Differenzimpuls auf und der Schalttransistor 11 wird also nur für die kurze Dauer dieses Differenzimpulses
leitend gemacht und sperrt zum Zeitpunkt f2 wieder. Der
während der Dauer des Differenzimpulses fließende
Kurzschlußstrom wird entweder durch die nur Stromverstärkung des Schalttransistors 11 begrenzt oder wie
in F i g. I angedeutet, durch eine spezielle Begrenzungsschaltung, die aus dem Emitterwiderstand 13 urvd del
Zenerdiode 15 besteht, niedrig gehalten. Die dabei inTransistor 11 auftretende kurzzeitige hohe Impulslei
slung kann aufgrund der Wärmekapazität ohne > weiteres vom Transistor aufgenommen werden; die
zulässige Impulsleistung beträgt ein Vielfaches der irr
Dauerbetrieb zulässigen Verlustleistung.
Besonders vorteilhaft ist bei der beschriebener Schaltungsanordnung, daß aufgrund des abgeschalteter
in Schalttransistors 11 im Kurzschlußfall keine Wärmelei
stung abzuführen ist, wie dies bei häufig verwendeter Kurzschlußsicherungen in Form einer Strombegren
zung der Fall ist. Dadurch werden spezielle Kühlmaß nahmen vermieden.
ι j Tritt während des Betriebes des Verbrauchers 10 eir
Kurzschluß auf, so wird der Kollektor des Schalttransistors 11 mit der gemeinsamen Versorgungsleitung 12, ar
der die positive Betriebsspannung plus Ub anliegt
verbunden und der zweite Steuertransistor 18 wire gesperrt, so daß auch bei diesem Fall sofort eine
Abschaltung des Schalttransistors 11 infolge de« unterbrochenen Basisstroms eintritt.
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung zum Schutz eines elektronischen Schalters, insbesondere eines Schalttransistors,
bei einem Kurzschluß eines in Reihenschaltung mit dem Schalter verbundenen Verbrauchers, bei der
durch Auslösen eines Abtastimpulses der Schalter durch diesen Impuls geschlossen und der Verbraucher
in Betrieb genommen wird und der Abtastimpuls mit Hilfe einer UND-Schaltung gebildet wird,
an deren erstem Eingang das den Verbraucher einschaltende Schaltsignal unverändert eingespeist
wird und an deren zweiten Eingang das Potential am Verbindungspunkt des Schalters und des Verbrauchers
anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Eingang das Schaltsignal zusätzlich
über ein elektronisches Halbleiterbauelement (22), das das Schaltsignal invertiert und verzögert,
eingespeist wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode des elektronischen
Schalters (11) mit dem Ausgang der als
Reihenschaltung der Schaltstrecken zweier Steuertransistoren (17, 18) ausgebildeten UND-Schaltung
verbunden ist
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, jiaß das elektronische
Halbleiterbauelement ein Transistor (22) ist, wobei die Verzögerung durch Umschalten des Transistors
vom Übersteuerungsbereich in den Sperrbereich erzielt wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der er^.e Steuertransistor (17)
mit einem Eingangstransistor (27) in Wirkverbindung steht, an dessen Steuerelektrode als Eingangssignal
ein den Stromfluß durch den Verbraucher (10) auslösendes Signal anlegbar ist, und daß der zweite
Steuertransistor (18) über den das elektronische Halbleiterbauelement darstellenden Transistor (22)
mit dem Eingangstransistor (27) in Wirkverbindung steht
5. Schaltungsanordnung mit einem Schaltransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Steuerstrecke des Schalttransistors (11) eine Zenerdiode (15) parallel
geschaltet ist und daß in Reihe zu der Schaltstrecke des Schalttransistors (11) ein Strombegrenzungswiderstand
(13) angeordnet ist
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des
Schalttransistors (11) über einen Widerstand (19) mit
der Steuerelektrode des zweiten Steuertransistors (18) verbunden ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ausgangselektrode des Eingangstransistors (27) mit der ersten Elektrode einer Diode (26) und über einen
Widerstand (30) mit der Steuerelektrode des ersten Steuertransistors (17) verbunden ist, daß die zweite
Elektrode der Diode (26) mit der Steuerelektrode des Transistors (22) in Wirkverbindung steht, daß die
zweite Elektrode der Diode (26) mit einer weiteren Diode (23) verbunden ist, die zusammen mit einem
Widerstand (24) einen Basisspannungsteiler für den Transistor (22) bildet und daß die Ausgangselektrode
des Transistors (22) über einen Widerstand (21) mit der Steuerlektrode des zweiten Steuertransistors
(18) verbunden ist.
8, Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reihenschaltung der Schaltstrecken der Steuertransistoren (17,18) mit einem Widerstand (16) und der
Zenerdiode (15) in Reihe geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt von Widerstand (16) und Zenerdiode
(15) mit der Steuerelektrode des Schalttransistors (11) verbunden ist
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