DE3801776C2

DE3801776C2 - Protection circuit for a load resistor (consumer) connected to the motor vehicle battery and its switching output stage

Info

Publication number: DE3801776C2
Application number: DE19883801776
Authority: DE
Inventors: Thomas Bluemel
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1988-01-22
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2008-01-23
Also published as: DE3801776A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz eines an einer Kraftfahrzeug-Batterie angeschlossenen Verbrauchers und eines diesem nachgeschalteten, als Schaltendstufe benutzten MOS-Feld effekt-Transistors vor Überströmen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 32 43 467 C2).The invention relates to a circuit for protecting one at a Motor vehicle battery connected consumer and one this downstream MOS field used as a switching amplifier effect transistor against overcurrents according to the preamble of claim 1 (DE 32 43 467 C2).

Es ist eine Schaltanordnung zum Überlastungsschutz der Starter batterie von Kraftfahrzeugen bekannt, an der ein Operationsver stärker angeschlossen ist, der den während des Startvorganges eintretenden Spannungsabfall feststellt und beim Unter- oder Überschreiten eines Sollwertes ein im Zündstromkreis liegendes Schaltglied ansteuert, das einen vom Fahrbetrieb ge steuerten Schalter überbrückt. Mit dem Schaltglied steht ein Zeitglied in Verbindung, das seine Schließdauer von z. B. 15 Mi nuten festlegt. Während dieser Zeitspanne ist wegen der unzurei chenden Ladung der Starterbatterie der vom Fahrbetrieb gesteuerte Schalter unwirksam gemacht, damit die Starterbatterie störungslos nachgeladen werden kann. Der in dieser Schaltanordnung benutzte Operationsverstärker stellt eine Art Komparator dar, der den Spannungsabfall an der Starterbatterie mit einer zuvor einge stellten Sollspannung vergleicht. It is a circuit arrangement for overload protection of the starter Battery of motor vehicles known to an Operationsver is more strongly connected to that during the startup process detected voltage drop and the lower or A setpoint is exceeded in the ignition circuit controls lying switching element that ge from driving controlled switches bridged. With the switching element stands Timer in connection that its closing time of z. B. 15 Wed. grooves. During this period is due to the lack of appropriate charge of the starter battery controlled by driving Switch made ineffective so that the starter battery is faultless can be reloaded. The one used in this circuit arrangement Operational amplifier is a kind of comparator that the Voltage drop on the starter battery with a previously turned on set voltage compared.

Während von der zuvor erläuterten Schaltanordnung die Starterbat terie unmittelbar vor einer übermäßigen Stromentnahme geschützt wird, ist auch ein indirekter Schutz mit Hilfe eines Strommeß shunts bekannt, von dem der der Kraftfahrzeug-Batterie entnommene Strom ständig abgefühlt wird. Wenn eine maximal zulässige Strom stärke überschritten wird, wird von der den Strom abfühlenden Einrichtung ein Schutzschalter geöffnet und der der Batterie ent nommene Strom unterbrochen.While the starter battery from the previously explained switching arrangement terie immediately protected from excessive current draw is also an indirect protection with the help of a current measurement known shunts, of which the one taken from the motor vehicle battery Electricity is constantly being sensed. If a maximum allowable current strength is exceeded by the current sensing A safety switch is opened and the battery is removed current interrupted.

Selbst wenn eine solche Einrichtung recht empfindlich und schnell reagieren würde, verliert doch die Batterie als Folge der am Strommeßshunt ständig anliegenden Spannung etwas Strom, der zu einer unerwünschten Entladung der Batterie beiträgt.Even if such a facility is quite sensitive and quick would react because the battery loses as a result of the Current measurement shunt constantly applied voltage to some current contributes to undesired discharge of the battery.

Schließlich ist es bekannt, zur Ein- bzw. Abschaltung eines an der Kraftfahrzeug-Batterie angeschlossenen Verbrauchers, z. B. einer Glühlampe oder des Einspritzventils einen sog. MOSFET (=Me talloxid-Silizium- Feldeffekt-Transistor) zu benutzen, an dessen Torelektrode ein Einschaltsignal als Spannungsimpuls von 5 V an gelegt wird.Finally, it is known to turn an on or off the motor vehicle battery connected consumer, for. B. a light bulb or the injection valve a so-called MOSFET (= Me talloxid silicon field effect transistor) to use, at the Gate electrode a switch-on signal as a voltage pulse of 5 V. is placed.

Gemäß DE 32 43 467 C2 ist eine solche Schaltung bekannt. Dabei ist zwischen dem Verbraucher und dem Drain des MOSFET mit seinen einen Eingang ein Spannungskomparator geschaltet, dessen anderen Eingang eine konstante Span nungsquelle angeschlossen ist. Der Ausgang des Komparators ist über eine Ver zögerungsschaltung in das Gate des MOSFET geführt.Such a circuit is known from DE 32 43 467 C2. It is between the consumer and the drain of the MOSFET with its one input Voltage comparator switched, the other input of a constant span power source is connected. The output of the comparator is via a ver Delay circuit led into the gate of the MOSFET.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst verlust los arbeitende Schaltung zur Unterbrechung des dem MOS-Feldeffekt- Transistor zugeführten Stromes aus der Kraftfahrzeug-Batterie bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes anzugeben. The invention has for its object a loss as possible circuit working to interrupt the MOS field effect Transistor supplied current from the motor vehicle battery Specify exceeding a predetermined threshold.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst. This object is achieved by the characterizing features in claim 1 solved.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Verzögerungsglied einen Schalttransistor enthalten, dessen Kollektor zwischen der Tor elektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors und deren hochohmigen Eingangswiderstand und dessen Emitter am der Ausgangsklemme des Komparators liegt, und daß der Torelektrode des Schalttransis tors zur Vorgabe der Verzögerungszeit ein weiterer zum ersten paralleler Eingangswiderstand und ein an Masse liegender Kon densator vorgeschaltet sind.In a further development of the invention, the delay element can Switching transistor included, the collector between the gate electrode of the MOS field-effect transistor and its high-resistance Input resistor and its emitter on the output terminal of the Comparator lies, and that the gate electrode of the switching transistor gate to specify the delay time another to the first parallel input resistance and a con are connected upstream.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in dem einzigen Schalt bild dargestellt und wird im folgenden ausführlich erläutert. An embodiment of the invention is in the single switch image shown and is explained in detail below.

Wie bereits erwähnt, ist die folgende grundlegende Schaltung zur Stromversorgung eines Verbrauchers R_L mit einem Widerstand von 12 Ohm, sowie einer Freilaufdiode D₁ durch eine Kraftfahrzeug- Batterie bekannt, die in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Lade zustand eine Spannung U_Batt zwischen 8 und 18 V liefert. An der Verbindung zwischen dem Verbraucher R_L und der Freilaufdiode D₁ ist die Zugelektrode D eines MOS-Feldeffekt-Transistors 10 ange schlossen, dessen Quellenelektrode 3 an Masse liegt. Dieser MOS- Feldeffekt-Transistor 10 stellt eine Schaltendstufe zwischen der Zug- und Quellenelektrode D und S dar, deren Innenwiderstand R_DSon im Leitungszustand 85 mOhm beträgt, der der eine Schaltzu stand der Schaltendstufe ist, der durch die Anlegung einer Schaltspannung E von 5 V an einen hochohmigen Widerstand R₄ von 47 kOhm der Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 be wirkt wird. Im anderen Schaltzustand, dem Sperrzustand des MOS- Feldeffekt-Transistors 10, in dem die Zugelektrode D gegen die Quellenelektrode S isoliert ist, tritt an die Stelle der Schalt spannung E das Massenpotential.As already mentioned, the following basic circuit for supplying power to a consumer R _L with a resistance of 12 ohms, and a free-wheeling diode D 1 by a motor vehicle battery is known which, depending on its respective charging state, has a voltage U _Batt between 8 and 18 V. delivers. At the connection between the consumer R _L and the freewheeling diode D₁, the pull electrode D of a MOS field-effect transistor 10 is connected, the source electrode 3 is grounded. This MOS field-effect transistor 10 represents a switching output stage between the pull and source _electrodes D and S, whose internal resistance R _DSon in the conduction state is 85 mOhm, which was the switching state of the switching output stage, which is caused by the application of a switching voltage E of 5 V. to a high-resistance resistor R₄ of 47 kOhm the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 will be effective. In the other switching state, the blocking state of the MOS field-effect transistor 10 , in which the pull electrode D is insulated from the source electrode S, the switching voltage E takes the place of the ground potential.

Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Verbraucher R_L und der Zug elektrode D des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 über einen hoch ohmigen Widerstand R₅ von 220 kOhm die eine Eingangsklemme - ei nes Komparators IC angeschlossen, während an der anderen Ein gangsklemme + des Komparators IC eine feste Spannung U₊ von 0,126 V anliegt, die gemäß der folgenden Gleichung errechnet wird:According to the invention between the consumer R _L and the train electrode D of the MOS field-effect transistor 10 via a high ohmic resistance R₅ of 220 kOhm one input terminal - egg nes comparator IC connected, while at the other input terminal + of the comparator IC there is a fixed voltage U ₊ of 0.126 V, which is calculated according to the following equation:

In dieser Gleichung bedeuten der maximale Widerstand zwischen der Zug- und Quellenelektrode D und S des MOS-Feldef fekt-Transistors 10 im Leitungszustand, der kleinste Wi derstand des Verbrauchers R_L 12 Ohm und die bereits erwähnte maximale Spannung der Batterie von 18 V.In this equation, the maximum resistance between the pull and source electrodes D and S of the MOS field effect transistor 10 in the conduction state means the smallest resistance of the consumer R _L 12 ohms and the aforementioned maximum voltage of the battery of 18 V.

Die Betriebsspannung des Komparators IC selbst beträgt 7,5 V. Von dem Ausgangstransistor (nicht gezeigt) des Komparators IC kann über den Emitter und Kollektor eines Schalttransistors T₁, wenn sich dieser im Leitungszustand befindet, die Torelektrode T des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 an Masse gelegt werden, zu der ebenso von der Masse durch einen Gleichrichter D₂ eine Ver bindung besteht. An der Torelektrode des Schalttransistors T₁ kann über einen zum ersten Eingangswiderstand R₄ parallelen Ein gangswiderstand R₃ von 71 kOhm die Schaltspannung E angelegt wer den, von der ein zwischen der Torelektrode des Schalttransistors T₁ und der Masse angeschlossener Kondensator C₁ mit einer Kapa zität von 10 nF aufgeladen werden kann.The operating voltage of the comparator IC itself is 7.5 V. From the output transistor (not shown) of the comparator IC can via the emitter and collector of a switching transistor T 1, if this is in the conduction state, the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 Mass are placed, to which there is also a connection from the mass through a rectifier D₂. At the gate electrode of the switching transistor T₁ via a parallel to the first input resistor R₄ an input resistor R₃ of 71 kOhm the switching voltage E is applied to the one of which a capacitor C₁ connected between the gate electrode of the switching transistor T₁ and the ground is charged with a capacity of 10 nF can be.

Zur Erzeugung der bereits genannten Spannung U₊ von fester Größe an der Eingangsklemme + des Komparators IC dient ein gesonderter Spannungsteiler mit Widerständen R₂ und R₁ zwischen einer eine konstante Spannung von z. B. 5 V führenden Klemme 12 und Masse.To generate the already mentioned voltage U ₊ of fixed size at the input terminal + of the comparator IC, a separate voltage divider with resistors R₂ and R₁ between a constant voltage of z. B. 5 V leading terminal 12 and ground.

Innerhalb der soweit erläuterten Schaltung bilden der zweite Ein gangswiderstand R₃, der Kondensator C₁ und der Schalttransistor T₁ ein Verzögerungsglied, das die Aufgabe hat, einen kurzzeitig auftretenden starken Strom, z. B. den Anlaufstrom eines Elektro motors, der auch den Verbraucher R_L darstellen kann, durch den MOS-Feldeffekt-Transistor 10 hindurchgehen zu lassen. Wegen der sehr kurzen Zeitspanne, in der ein solch starker Strom wirksam sein kann, kommt es innerhalb des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 zu keiner wesentlichen Wärmeentwicklung, die seine Halbleiter schichten schädigen könnte. Von erheblicher Bedeutung ist dabei die Dimensionierung der Komponenten des Verzögerungsgliedes. Within the circuit explained so far, the second input resistor R₃, the capacitor C₁ and the switching transistor T₁ form a delay element, which has the task of a briefly occurring strong current, for. B. let the starting current of an electric motor, which can also represent the consumer R _L , pass through the MOS field-effect transistor 10 . Because of the very short period of time in which such a strong current can be effective, there is no significant heat development within the MOS field-effect transistor 10 which could damage its semiconductor layers. The dimensioning of the components of the delay element is of considerable importance.

Sobald der Komparator IC eine Ungleichheit zwischen den Spannun gen an seinen Eingangsklemmen - und + wahrnimmt, was eine zu ho he Stromstärke am Eingang der Zugelektrode D des MOS-Feldeffekt- Transistors 10 anzeigt, legt der Ausgangstransistor (nicht ge zeigt) des Komparators IC die Torelektrode T des MOS-Feldeffekt- Transistors 10 über den normalerweise leitenden Schalttransistor T₁ an Masse , wodurch der Fluß des zu starken Stromes über die Zug- und Quellenelektrode D und S des MOS-Feldeffekt-Transistors 10 unterbrochen wird. Nur unter der speziellen Bedingung, daß der in Form eines Elektromotors vorliegende Verbraucher R_L und die Schaltspannung E gleichzeitig eingeschaltet werden, wird das genannte Verzögerungsglied wirksam nämlich in der Weise, daß der Schalttransistor T₁ während der Verzögerungszeitspanne gesperrt bleibt; dies hat zur Folge, daß die Verbindung zwischen der Tor elektrode T des MOS-Feldeffekt-Tansistors 10 und dem Komparator IC, oder genauer gesagt, und der an ihm liegenden Masse kurzzei tig noch unterbrochen bleibt und der mit dem Anlegen der Schalt spannung E leitend gewordene MOS-Feldeffekt-Transistor 10 den Anlaufstrom des Elektromotors zur Masse hindurchgehen läßt. Da normalerweise nach dem Ablauf der Verzögerungszeitspanne der vom Elektromotor verbrauchte Strom einen mäßigen Wert angenommen hat, was der Komparator IC als Gleichheit der an seinen Eingangs klemmen + und - auftretenden Spannungen wahrnimmt, bleibt der MOS-Feldeffekt-Transistor 10 wegen der Unwirksamkeit des Kompa rators IC weiterhin leitend. In der Folgezeit überwacht dann der Komparator IC die Stärke des durch den MOS-Feldeffekt-Transistor 10 hindurchgehenden Stromes. Der Gleichrichter D₂ dient dabei lediglich der Stabilisierung der an der Torelektrode T des MOS- Feldeffekt-Transistors 10 angelegten Spannung.As soon as the comparator IC detects an inequality between the voltages at its input terminals - and +, which indicates a current which is too high at the input of the pulling electrode D of the MOS field-effect transistor 10 , the output transistor (not shown) of the comparator IC sets the Gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 via the normally conductive switching transistor T 1 to ground, whereby the flow of the excessive current through the pull and source electrodes D and S of the MOS field-effect transistor 10 is interrupted. Only under the special condition that the consumer in the form of an electric motor R _L and the switching voltage E are turned on at the same time, said delay element becomes effective namely in such a way that the switching transistor T 1 remains blocked during the delay period; this has the consequence that the connection between the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 and the comparator IC, or more precisely, and the mass lying thereon is briefly interrupted and which with the application of the switching voltage E is conductive MOS field-effect transistor 10 can pass the starting current of the electric motor to ground. Since normally after the expiry of the delay period, the current consumed by the electric motor has assumed a moderate value, which the comparator IC perceives as the equality of the voltages occurring at its input terminals + and -, the MOS field-effect transistor 10 remains because of the ineffectiveness of the comparator IC continues to lead. Subsequently, the comparator IC then monitors the strength of the current passing through the MOS field-effect transistor 10 . The rectifier D₂ only serves to stabilize the voltage applied to the gate electrode T of the MOS field-effect transistor 10 .

Claims

1. Schaltung zum Schutz eines an einer Kraftfahrzeug-Batterie ange schlossenen Verbrauchers und eines diesem nachgeschalteten, als Schalt endstufe benutzten MOS-Feldeffekt-Transistors vor Überströmen, mit einem Spannungskomparator der mit seiner einen Eingangsklemme zwischen dem Verbraucher und der Zugelektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors und mit seiner anderen Eingangsklemme an einer konstanten Spannungsquelle (12) angeschlossen ist, und wobei die Ausgangsklemme des Komparators an der Torelektrode des MOS-Feldeffekt-Transistors über ein Verzögerungsglied angeschlossen ist, von dem bei einer anfänglich auftretenden Spannungsdif ferenz zwischen den beiden Eingangsklemmen das über die Ausgangs klemme des Komparators abgegebene Sperrsignal kurzzeitig verzögert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungskomparator (IC) mit seiner einen Eingangsklemme (-) über einen hochohmigen Widerstand (R₅) zwischen dem Verbraucher (R_L) und der Zugelektrode (D) des MOS-Feldef fekt-Transistors (10) geschaltet ist und die Spannung der konstanten Span nungsquelle (12) durch die Widerstände des Verbrauchers (R_L) und des im Einschaltzustand befindlichen MOS-Feldeffekt-Transistors (10) zwischen dessen Zug und Quellenelektrode (D und S) festgelegt ist und daß das Verzögerungsglied (R₃, C₁, T₁) einen Schalttransistor (T₁) enthält, dessen Kollektor zwischen der Torelektrode (T) des MOS-Feldeffekt-Transistors (10) und deren hochohmigen Eingangswiderstand (R₄) und dessen Emitter an der Ausgangsklemme des Komparators (IC) liegt und daß der Torelektrode des Schalttransistors (T₁) zur Vorgabe der Verzögerungszeit ein weiterer zum ersten (R₄) paralleler Eingangswiderstand (R₃) und ein an Masse liegender Kondensator (C₁) vorgeschaltet sind.1. Circuit for protecting a consumer connected to a motor vehicle battery and a downstream MOS field-effect transistor used as a switching output stage against overcurrents, with a voltage comparator with its one input terminal between the consumer and the pulling electrode of the MOS field-effect Transistor and with its other input terminal is connected to a constant voltage source ( 12 ), and wherein the output terminal of the comparator is connected to the gate electrode of the MOS field-effect transistor via a delay element, of which the at an initially occurring voltage difference between the two input terminals The blocking signal emitted via the output terminal of the comparator is briefly delayed, characterized in that the voltage comparator (IC) with its one input terminal (-) via a high-resistance resistor (R₅) between the consumer (R _L ) and the pull electrode (D) of the MOS -Feldef fekt-T transistor ( 10 ) is connected and the voltage of the constant voltage source ( 12 ) by the resistances of the consumer (R _L ) and the switched-on MOS field-effect transistor ( 10 ) between its train and source electrode (D and S) is fixed and that the delay element (R₃, C₁, T₁) contains a switching transistor (T₁), the collector between the gate electrode (T) of the MOS field-effect transistor ( 10 ) and its high-impedance input resistor (R₄) and its emitter at the output terminal of the comparator (IC) and that the gate electrode of the switching transistor (T₁) for setting the delay time, another to the first (R₄) parallel input resistor (R₃) and a capacitor (C₁) connected to ground are connected upstream.

2. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Stabilisierung zwischen Masse und der Torelektrode (T) des MOS- Feldeffekt-Transistors (10) ein Gleichrichter (D₂) angeschlossen ist.2. Circuit according to claim 2, characterized in that a rectifier (D₂) is connected for the purpose of stabilization between ground and the gate electrode (T) of the MOS field-effect transistor ( 10 ).