Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen intergrierten
Steuerschaltkreis zum Treiben einer induktiven Last und zur Ableitung
gespeicherter Energie in der induktiven Last. Die Erfindung
ist anwendbar zur sicheren Ableitung der gespeicherten Energie
einer induktiven Last eines integrierten
Fahrzeugschaltkreissystems, um Schaden an dem System unter bestimmten Umständen zu
verhindern.
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Fahrzeugsysteme wie Fenstersteuerungssysteme,
Kraftstoffeinspritzsysteme, Kraftsoffpumpen, usw. enthalten Magnetspulen
oder Relais zur Steuerung des Betriebs des jeweiligen Systems.
Die Relais oder Magnetspulen können von einem integrierten
Steuermodulschaltkreis, der Halbleiterbauteile enthält, betrieben
oder gespeist werden. Der integrierte Steuermodulschaltkreis kann
einen PNP-Transistor beinhalten, der in Reihenschaltung zwischen
einer Quelle des Betriebspotentials (einer Batterie) und der
induktiven Last (einem Relais oder Magnetspule) angeordnet ist.
Das Einschalten und Ausschalten des PNP-Transistors wird durch
interne Steuerschaltkreise des Steuermoduls gesteuert. Der
PNP-Transistor arbeitet somit als Stromschalter zum Einschalten
und Ausschalten der induktiven Last. Im Allgemeinen sind diese
induktiven Lasten entfernt von dem integrierten
Steuermodulschaltkreis angeordnet, obwohl beide mit einer gemeinsamen
Massereferenz, die das Fahrzeugchassis sein kann, verbunden sind.
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Während des Betriebs werden die induktiven Lasten von der
positiven Seite der Batterie über den PNP-Transistorschalter
betrieben. Wird der PNP-Transistor abgeschaltet, wird die
induktive Last versuchen, wie man weis, den Stromfluß dortdurch
aufrechtzuerhalten. Dieser Umstand verursacht einen großen
negativen Spannungssprung, der am Kollektor des in Reihe
liegenden PNP-Transistors auftritt. In wenigstens einem System nach dem
Stand der Technik wird eine externe einzelne Leistungszenerdiode
zwischen die positive Batterieversorgung und dem Kollektor des in
Reihe liegenden Transistors geschaltet. Die Zenerdiode wird auf
Grund des negativen Spannungssprungs zum Leiten gebracht, um
einen Stromführungspfad zu der induktiven Last bereitzustellen,
sobald der in Reihe liegende Transisitor abschaltet, sodaß die
gespeicherte Energie der Last abgeleitet wird, wodurch der
integrierte Steuermodulschaltkreis geschützt wird, da die Zenerdiode
die negative Spannung auf einen nichtzerstörenden Maximalpegel
begrenzt.
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Ein Problem bei der obigen Ableitungsmethode besteht darin, daß
die Zenerdiode relativ große Ströme an die induktive Last liefern
muß in Verbindung mit einem hohen Spannungsabfall darüber, was
bedeutet, daß die Zenerdiode ein Hochleistungsbauteil sein muß.
Somit ist ein großes externes Einzelbauteil erforderlich, um
dazu fähig zu sein, die abzuleitende Leistung zu handhaben.
Dazu kommt, daß moderne Leistungszenerdioden relativ teuer für
den Fahrzeughersteller sind.
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Ein anderes Problem mit Fahrzeugsystemen nach dem Stand der
Technik, die den Zenerdiodenschutz wie oben beschrieben verwenden,
betrifft umgekehrte Batteriepolung. Ist z.B. die Batterie eines
Automobils umgekehrt angeschlossen, z.B. der negative und
positive Anschluß vertauscht, wird ein negatives Potential an das
Steuermodul und die Zenerdiode geliefert. Dadurch wird die
Zenerdiode in Vorwärtsrichtung leitend und bereitet einen direkten
Stromführungspfad zu der induktiven Last. Ist die induktive Last
z.B. ein Relais, wird das Relais erregt, da die meisten, wenn
nicht alle, Relais zweiseitig sind, d.h. sie werden durch einen
in jeder Richtung fließenden Strom erregt.
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Dies ist ein sehr unerwünschter Zustand, da das Relais
vielleicht eine Kraftsoffpumpe betreibt, die daher ständig
arbeiten würde, wenn die Batterie umgekehrt angeschlossen ist. In
Systemen nach dem Stand der Technik wird dieses Problem
manchmal durch eine zusätzliche Diode in Reihe mit der Zenerdiode
gelöst, um das Leiten während des Zustands umgekehrter Batterie
zu blockieren. Diese Lösung fügt ein weiteres für den Hersteller
teures Bauteil hinzu.
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Zusätzlich zu dem oben beschriebenen umgekehrten
Batteriezustand muß das automatische integrierte Steuermodul auch
anderen abnormalen Zuständen, wie Verlust des positiven
Batterieanschlusses oder den Verlust der Masseverbindung während der
Zeit, in der die induktive Last gespeist wird, widerstehen.
Einige Schutzeinrichtungen nach dem Stand der Technik, wie die
Zener oder Zener plus Diode Methode, stellen keinen
Leitungspfad für die induktiv gespeicherte Energie für diese beiden
abnormalen Zustände zur Verfügung. Somit kann die hohe negative
Spannung, die sich über der induktiven Last bildet, den
Zerstörungspegel der integrierten Schaltung innerhalb des Steuermoduls
überschreiten.
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Es besteht daher eine Notwendigkeit für ein verbessertes und
preiswertes System zur Ableitung gespeicherter induktiver
Energie in einer induktiven Last, die mit einem integrierten
Schaltkreis gekoppelt ist, besonders dann, wenn ein solcher
integrierter Schaltkreis im Fahrzeugbereich verwendet wird.
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Ein Steuerschaltkreis nach dem Stand der Technik, Teil von
Anspruch 1, ist in US-A-4178619 offengelegt. Andere solcher
Schaltkreise sind bekannt aus US-A-4167030 und 0. KILGENSTEIN, "Formeln
und Diagramme der Elektronik Diskrete Halbleiterbauelemente"
1. Ausgabe, 1981, Vogelverlag Würzburg, Seiten 241, 242.
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Erfindungsgemäß wird folglich versucht, einen verbesserten
Schaltkreis zur Ableitung gespeicherter induktiver Energie
bereitzustellen, der zur Ableitung gespeicherter induktiver
Energie in einer induktiven Last eines Fahrzeugsystems geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird ein integrierter Steuerschaltkreis zum
Betreiben einer daran gekoppelten induktiven Last bereitgestellt.
Der integrierte Steuerschaltkreis bestehend aus einem
Reihentransistor (20), eingerichtet, um zwischen eine externe Quelle
des Betriebspotentlals und einen Ausgang (16) des integrierten
Steuerschaltkreises als Stromquelle für die induktive Last,
die zwischen Ausgang (16) und Massepotential gekoppelt ist,
gekoppelt zu werden, erstem und zweitem Stromversorgungsleiter
(26, 28), der erste Stromversorgungsleiter eingerichtet zum
Empfang des Betriebspotentials, der zweite
Stromversorgungsleiter eingerichtet zum Empfang des Massepotentials;
einschließlich der Schaltelemente (30, 32, 34, 40), die zwischen den
zweiten Stromversorgungsleiter und den Ausgang der
integrierten Steuerschaltung gekoppelt sind, zur Bereitstellung sowohl
eines direkten Stromleitungspfades zu der induktiven Last wann
immer die Schaltung wirksam wird infolge des Abschaltens des
Transistors durch Unterbrechen des Betriebspotentials von dem
ersten Stromversorgungsleiter während der Reihentransistor die
induktive Last antreibt, als auch der Verhinderung des direkten
Stromleitungspfades während normaler Betriebsbedingungen der
Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung weiterhin
enthält:
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einen gesteuerten Siliziumgleichrichterkreis (30), dessen erste
und zweite Elektroden zwischen den zweiten
Stromversorgungsleiter (28) und den Ausgang (16) des integrierten
Steuerschaltkreises gekoppelt sind, und eine Steuerelektrode (G) des
gesteuerten Siliziumgleichrichters, umfassend einen ersten
Transistor (36), Bestandteil des integrierten Steuerschaltkreises,
mit erster, zweiter und Steuerelektrode, die erste Elektrode
angeschlossen an den Ausgang (16), einen zweiten Transistor (38),
Bestandteil des integrierten Steuerschaltkreises, mit erster,
zweiter und Steuerelektrode, die erste und zweite Elektrode
angeschlossen an den zweiten Stromversorgungsleiter (28) bzw.
an die Steuerelektrode des ersten Transistors, die
Steuerelektrode angeschlossen an die zweite Elektrode des ersten
Transistors, und
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einer Zenerdiode (32) angeschlossen zwischen dem zweiten
Stromversorgungsleiter und der Steuerelektrode des gesteuerten
Siliziumgleichrichters, die Zenerdiode (32) angeschlossen zwischen
der Steuerelektrode des zweiten Transistors und der
Steuerelektrode des ersten Transistors.
Kurzbeschreibung der Figuren
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Figur 1 ist ein Teilblock und ein schematisches Schaltbild,
das einen erfindungsgemäßen Steuerschaltkreis darstellt.
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Figur 2 ist eine schematische Darstellung des integrierten
gesteuerten Siliziumgleichrichters des Schaltkreises von
Abbildung 1.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführung
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In den Figuren wird innerhalb der unterbrochenen Umrandung 10
ein allgemeiner Typ eines Steuermoduls gezeigt, das
erfindungsgemäße Schaltkreise zur Ableitung gespeicherter induktiver
Energie enthält. Steuermodul 10 kann im Form eines monolithisch
integrierten Schaltkreises hergestellt werden und besitzt die äußeren
Anschlüsse 12, 14 und 16. Bei Verwendung in einem Fahrzeugsystem
würde der integrierte Steuermodulschaltkreis 10 über die
Anschlüsse 12 und 14 mit der positiven Batterieklemme bzw.
Chassismasse des Automobils verbunden werden. Steuermodul 10 wird mit
Ausgangsanschluß 16 mit einer externen induktiven Last (18)
verbunden (symbolisiert durch die Spule), die von der hohen Seite
(positiv) der Automobilbatterie durch den PNP-Transistor 20
gespeist wird. Induktive Last 18 kann z.B. ein Relais oder eine
Magnetspule in dem Fahrzeugsystem sein, die von dem Steuermodul
10 betrieben werden. PNP-Transistor 20 ist generell ein Bauteil
mit hohen Durchbruch, dessen Emitter-Kollektorpfad über den
Stromversorgungsleiter 26 zwischen die Batterie, die die Quelle
des Betriebspotentials VCC bildet, und Ausgang 16 zu der
induktiven Last (18) geschaltet ist. Das Leitvermögen des Transistors
(20) wird durch den Steuerkreis 22 gesteuert, der mit VCC und
Masse durch den Anschluß zwischen den Stromversorgungsleitern
26 und 28 verbunden ist. Andere integrierte Schaltkreise können
in das Steuermudul 10 einbezogen werden, wie z.B. der gezeigte
integrierte Schaltkreis 24, der zwischen den
Stromversorgungsleitern 26 und 28 angeschlossen ist.
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Wenn der Reihentransistor 20 durch den Steuerschaltkreis 22
leitend geschaltet wird, wird Strom zum Ausgangsanschluß 16
gezogen, wodurch die induktive Last gespeist wird, um das
betreffende Fahrzeugsystem zu betätigen. Wenn Transistor 20
nichtleitend geschaltet wird, muß die in der induktiven Last 18
gespeicherte Energie abgeleitet werden. Wie bekannt, versucht die
induktive Last bei Abschalten des Transistors 20 den Stromfluß
durch diesen aufrechtzuerhalten. Dies hat eine große negative
Spannung oben an der induktiven Last 18 zur Folge, die an den
Kollektor des Transistors 20 angelegt wird. Ist kein Strompfad
zur Ableitung der gespeicherten induktiven Energie vorgesehen,
kann diese negative Spannung die integrierte Schaltung, die
das Steuermodul 10 bildet, beschädigen oder zerstören. Wie
zuvor erwähnt, wurde beim Stand der Technik eine
Leistungszenerdiode verwendet, die zwischen VCC und Anschluß 16 in einer
Weise geschaltet ist, daß sie auf Grund der negativen Spannung,
die an Anschluß 16 erscheint, leitend wird, um einen
Stromleittungspfad von VCC durch die induktive Last 18 zu bilden.
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Die Verwendung der Zenerdiode, wie oben erwähnt, ist jedoch
aus verschiedenen Gründen nicht wünschenswert. Abgesehen von
dem realtiv hohen Preis besteht ein Leitungspfad in
Vorwärtsrichtung durch die Zenerdiode, der die induktive Last 18
speisen wird, wenn VCC negativ wird, z.B. wenn die
Batterieanschlüsse vertauscht zwischen die Stromversorgungsleiter 26
und 28 angeschlossen werden. Auch besteht für den Fall, daß
VCC unterbrochen wird während die induktive Last 18 gespeist
wird, z.B. wenn die Batterie abgeklemmt wird, kein
Leitungspfad
zur Ableitung der gespeicherten Energie der induktiven Last
(18), wenn diese nachfolgend abgeschaltet wird, indem der
Transistor (20) nichtleitend geschaltet wird.
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Um die vorerwähnten Probleme zu überwindun, wird erfindungsgemäß
zur Ableitung gespeicherter induktiver Energie ein Schaltkreis
innerhalb des Steuermoduls (10) bereitgestellt, der einen
gesteuerten Siliziumgleichrichter (SCR) enthält, dessen Kathode
und Anode, wie gezeigt, mit dem Ausgangsanschluß 16 bzw. dem
Stromversorgungsleiter 28 verbunden sind, und dessen
Steuerelektrode (Gate) mit der Anode der Zenerdiode 32 verbunden ist, deren
Kathode mit dem Stromversorgungsleiter 28 über die
Basis-Emitterstrecke des Transistors 38 verbunden ist. Zusätzlich ist eine
zweite Zenerdiode 34 zwischen die Basis oder Steuerelektrode des
Transistors 20 und Ausgangsanschluß 16 geschaltet. SCR 30 ist
schematisch, bestehend aus den NPN und PNP Transitoren 36 und 38,
wie gut bekannt ist, dargestellt. Ein Vorladungswiderstand 40
ist zwischen den Stromversorgungsleiter 26 und die verbundenen
Basis und Emitterlektroden des PNP Transistors 38 bzw. NPN
Transistors 36 geschaltet. Widerstand 40 dient zur Vorladung des
Grenzschichtkondensators 44, der durch die parasitäre Kapazität
zwischen der Epitaxieschicht und dem Substrat der integrierten
Steuermodulschaltung 10 gebildet wird. Durch Vorladung der
Kapazität 44 wird eine Falschtriggerung von SCR 30 unter bestimmten
Umständen unterbunden, wie hierin später erklärt werden wird.
Widerstand 42 stellt den minimalen Haltestrom des SCR 30 ein
und vermindert die Empfindlichkeit von SCR 30 gegenüber raschen
Spannungsänderungen über der Last 18, wie zu verstehen ist.
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Im Normalbetrieb, wenn Transistor 20 abgeschaltet wird, um das
Treiben der Last zu unterbinden, wird die Spannung an der
induktiven Last 18 negativ im Bezug zu der Spannung, die darüber
aufgebaut wurde, als sie gespeist wurde. Da die Höhe dieser
negativ gehenden Spannung einen Wert gleich VCC minus der
Durchbruchspannung der Zenerdiode 34 plus einer VBE (wobei VBE die
Basis-Emitterspannung des Transistors 20 ist) erreicht, wird
Zenerdiode 34 leitend und der Transistor 20 eingschaltet,
wodurch die gespeicherte Energie der induktiven Last 18 abgeleitet
wird, da ein direkter Stromleitungspfad hergestellt ist. Folglich
werden, solange die Durchbruchspannung der Zenerdiode 34 gleich
oder kleiner gemacht wird als die Durchbruchspannung der
Zenerdiode 32, entsprechend einem vorbestimmten Wert, und solange ein
Bertiebspotential VCC an das Steuermodul 10 angelegt ist, bei
normalem Betrieb die Zenerdiode 32 und SCR 30 niemals leiten.
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Wenn jedoch die induktive Last 18 über Transistor 20 gespeist
wird und wenn VCC unterbrochen wird, könnte das Steuermodul
anderweitig beschädigt werden, da dort kein direkter
Stromleitungspfad bestehen würde, um die gespeicherte Energie in der
induktiven Last abzuleiten. Sollte dieser Umstand eintreten, wird
Zenerdiode 32 leitend, sobald die Spannung über der induktiven
Last in negativer Richtung abfällt bis eine Spannung gleich der
Durchbruchspannung der Zenerdiode 32 plus der
Basis-Emitterspannung des Transistors 36 erreicht wird. Bei diesem Wert zündet SCR
30 und es wird ein direkter Stromleitungspfad von Masse über den
SCR nach Ausgangsanschluß 16 und der Last hergestellt, um die
gespeicherte Energie abzuleiten. Einmal gezündet, fällt die
Spannung über SCR 30 auf einen niedrigen Wert ab, was den
Leistungsbedarf des SCR reduziert, wie zu verstehen ist. Folglich
wird unter normalen Betriebsbedingungen ein Stromleitungspfad
über die Zenerdiode 34 und den Transistor 20 hergestellt, um
die gespeicherte induktive Energie in der induktiven Last 18
abzuleiten, wann immer Transistor 20 nichtleitend geschaltet
wird. Außerdem wird ein direkter Stromleitungspfad über SCR 30
hergestellt, um die Lastenergie abzuleiten, wenn VCC verlorengeht
oder unterbrochen wird während Last 18 gespeist wird. Weiterhin
besteht kein Pfad zur Stromführung an die induktive Last 18
wenn die Batterieanschlüsse vertauscht sein sollten.
Folglich verhindert das Steuermodul 10 erfindungsgemäß, daß die
induktive Last 18 gespeist wird, wenn eine negative Spannung an
Anschluß 12 angelegt wird. Weiter erlaubt der verminderte
Leistungsbedarf für den SCR die Verwendung einer minimalen
Bauteilfläche zur Integration des SCR 30 auf dem integrierten
Schaltkreis. Weiterhin sind die Zenerdioden 32 und 34
Kleinleistungsbauteile, die einen minimalen Platzbedarf haben.
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Vorladungswiderstand 40 verhindert eine Falschtriggerung von SCR
30 unter den Umständen, wo der Massebezug an Anschluß 14 verloren
ist oder eine negative Spannungsänderung (dv/dt) mit sehr hoher
Rate an Ausgang 14 auftritt. Geht die Masse aus irgendeinem Grund
während des normalen Betriebs verloren, könnte die parasitäre
Kapazität 44 andernfalls einen Stromfluß liefern, wenn der
Stromversorgungsleiter 28 positiv wird und Strom durch die integrierte
Schaltung des Steuermoduls derart geführt wird, daß der
Stromversorgungsleiter beginnt, sich der Spannung VCC zu nähern. Dies
könnte den SCR 30 veranlssen, zu zünden, wenn die Vorladung des
Kondensators 44 auf VCC durch Widerstand 40 fehlt. Folglich kann,
durch die Aufladung von Kondensator 44 auf VCC, der SCR 30 nicht
zünden, bis das Massepotential über VCC hinausgeht, was bei
Verlust der Masse nicht möglich ist. Widerstand 40 reduziert
außerdem stark die Empfindlichkeit von SCR 30 gegenüber
Falschtriggerung auf Grund hoher dv/dt am Ausgang 16, indem er bewirkt,
daß die Größe des dv/dt induzierten Stromes in Kondensator 44
VCC/R40 übersteigt, bevor PNP 38 leitend wird und SCR 30 zündet.
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Die SCR-Technik schützt die anderen integtrierten Schaltkreise,
z.B. den integrierten Schaltkreis 24, nicht, wenn die Last
während eines Verlusts der Masse abgeschaltet wird. Wird die
induktive Last 18 während eines Verlusts der Masse
abgeschaltet, ist das Steuermodul 10 durch die Zenerdiode 34 geschützt.
Die Verwendung der Zenerdiode 34, die zwischen die Basis- und
Kollektorelektroden von Transistor 20 geschaltet ist, ist stark
verbessert gegenüber der Verwendung einer einzelnen
Leistungszenerdiode, die zwischen VCC und Anschluß 16 geschaltet ist,
dadurch, daß nur der kleine Basisstrom von Transistor 20
verwendet wird, der durch die Zenerdiode 34 geleitet wird, wenn
diese durch eine resultierende negative Spannung, die am Ausgang
16 erscheint, leitend wird.
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Folglich ist, was oben beschrieben wurde, eine neuartige
Kombination eines Reihenleistungstransistors, Zenerdioden, einem
Widerstand und eines SCR zur Ableitung gespeicherter induktiver
Energie in einem Fahrzeugsystem. Weiterhin erlaubt die
offengelegte
Schaltung zur Ableitung der gespeicherten induktiven
Energie nicht, daß die induktive Last, die an das System gekoppelt
ist, bei Verlust der Masse oder umgekehrten Batteriebedingungen
gespeist wird. Ferner ist das Steuermodul, das die induktive
Last betreibt, geschützt, wenn entweder der positive Batterie-
oder der Masseanschluß während des Betriebs des Fahrzeugsystems
geöffnet werden.