DE3930896A1 - Verpolschutzschaltung - Google Patents
VerpolschutzschaltungInfo
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- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H11/00—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result
- H02H11/002—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection
- H02H11/003—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection using a field effect transistor as protecting element in one of the supply lines
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Description
Die Erfindung betrifft eine Verpolschutzschaltung für
eine mit Gleichspannung gespeiste elektrische Einrichtung
mit einem Spannungseingang, einem damit verbundenen
Spannungsausgang, einem Masseeingang und einem Masseaus
gang.
Viele elektrische Geräte und Schaltungen, die mit Gleich
spannung gespeist werden, können durch eine Verpolung
beschädigt werden. Eine Verpolung bedeutet, daß die
Spannungsversorgung nicht mit der richtigen Polarität
an die Versorgungsspannung-Eingangsklemmen des Gerätes
oder der Schaltung angeschlossen wird. Dies betrifft
nicht nur elektronische Schaltungen, die Elemente, insbe
sondere Halbleiterelemente, aufweisen, die bei einer
falschen Polarität der Versorgungsspannung zerstört
werden können, sondern auch mechanische Geräte, wie
kleine Gleichstrommotoren, die bei einer Drehung in
die falsche Richtung selber beschädigt werden können
oder angeschlossene Geräte beschädigen können.
Insbesondere in Kraftfahrzeugen, wo in der Regel die
einzige Spannungsquelle durch die Batterie gebildet
wird, besteht die Gefahr einer Verpolung, beispielsweise
beim Ein- und Ausbau der Batterie oder beim Arbeiten
an der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs. Der zu
nehmende Einsatz der Elektronik erfordert hier einen
sicheren Schutz der elektrischen und elektronischen
Geräte. Dabei muß das jeweilige Gerät eine Verpolung
der Batterie erkennen und seine Bauteile vor Zerstörung
schützen.
Die Verwendung von mechanischen Relais scheidet in der
Regel aus Kosten- und Gewichtsgründen aus. Halbleiterdio
den haben den Nachteil eines Spannungsabfalls. Da im
Kraftfahrzeug ohnehin nur eine begrenzte Spannung zur
Verfügung steht, andererseits aber die elektrischen
Geräte und elektronischen Schaltungen eine Mindestspan
nung zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion benötigen,
scheidet die Verwendung einer Diode für den Verpolschutz
ebenfalls aus.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Verpolschutzschaltung anzugeben, die kostengünstig herzu
stellen ist, einen geringen Spannungsabfall verursacht
und verhindert, daß bei Verpolung die elektrische Ein
richtung Schaden nimmt.
Diese Aufgabe wird bei einer Verpolschutzschaltung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zwischen
Masseeingang und Masseausgang ein invers betriebener
MOS-FET angeordnet ist, dessen Gate mit dem Spannungsein
gang verbunden ist.
Der MOS-FET leitet den gesamten über Masse fließenden
Strom der elektrischen Einrichtung. Zweckmäßigerweise
ist daher der Masseausgang der Verpolschutzschaltung
mit dem gemeinsamen Massesternpunkt der elektrischen
Einrichtung verbunden. Der MOS-FET wird invers betrieben,
d.h. seine parasitäre Diode, die in Durchlaßrichtung
einen Stromfluß zwischen Source und Drain erlaubt, ist
so angeordnet, daß sie einen Stromfluß nur vom Masseaus
gang zum Masseeingang der Verpolschutzschaltung erlaubt.
Mit anderen Worten ist der Drain-Anschluß des MOS-FET
mit dem Masseeingang und der Source-Anschluß des MOS-FET
mit dem Masseausgang der Verpolschutzschaltung verbunden.
Wenn die Verpolschutzschaltung mit der richtigen Polari
tät beaufschlagt wird, steuert die Gate-Source-Spannung
den MOS-FET durch. Source liegt nämlich auf Massepoten
tial, während Gate von der Versorgungsspannung gespeist
wird. Die Masseleitung zwischen Masseausgang und Masse
eingang hat dann einen praktisch vernachlässigbar kleinen
Widerstand. Wird die Spannungsversorgung allerdings
mit der falschen Polarität an die Verpolschutzschaltung
angeschlossen, ist die Gate-Source-Spannung so klein,
daß die Source-Drain-Strecke gesperrt wird. Ein Stromfluß
in die elektrische Einrichtung hinein wird damit zuver
lässig verhindert.
Mit Vorteil ist eine Spannungsanstiegsbegrenzereinrich
tung vorgesehen, die den Anstieg der Gate-Source-Spannung
auf eine vorbestimmte Steilheit begrenzt. Sehr steile
Schaltflanken können zu ungewollten elektromagnetischen
Abstrahlungen führen, die wiederum das elektrische Gerät
ungünstig beeinflussen können. Durch die Spannungsan
stiegsbegrenzereinrichtung wird die Steilheit der Schalt
flanken, also der Anstieg bzw. der Abfall der Spannung
über der Zeit, begrenzt.
Vorteilhafterweise ist eine Spannungsbegrenzereinrichtung
vorgesehen, die die Gate-Source-Spannung auf einen vorbe
stimmten Maximalwert begrenzt. Die Spannungsbegrenzer
einrichtung ermöglicht den Einsatz der Verpolschutzschal
tung auch bei solchen elektrischen Geräten, die mit
einer Spannung betrieben werden, die höher als die
höchstzulässige Gate-Source-Spannung ist. Durch sie
wird zuverlässig gewährleistet, daß die Gate-Source-Span
nung nicht über einen Wert hinaus ansteigen kann, der
zu einer Beschädigung oder Zerstörung des MOS-FET führen
könnte.
Dabei ist bevorzugt, daß die Spannungsbegrenzereinrich
tung eine Zener-Diode aufweist. Zener-Dioden sind preis
günstig, von geringem Gewicht und ermöglichen eine Span
nungsbegrenzung auf einfache Art und Weise.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung
beschrieben. Die einzige Figur darin zeigt eine Verpol
schutzschaltung in einer elektrischen Einrichtung.
Eine elektrische Einrichtung 1, beispielsweise ein
Steuergerät für die Steuerung einer Funktion in einem
Kraftfahrzeug, weist eine Vielzahl von Modulen 2, 3,
4 auf, die über eine Versorgungsleitung 5 und eine Masse
leitung 6 mit einer Spannungsquelle 7 verbunden sind.
Die Spannungsquelle 7 weist eine Batterie 8 auf. In
Kraftfahrzeugen beträgt die Batteriespannung üblicher
weise 12 V oder 24 V.
Die elektrische Einrichtung 1 weist zum Schutz gegen
Verpolen eine Verpolschutzschaltung 9 auf, die einen
Spannungseingang 10, einen Spannungsausgang 11, einen
Masseeingang 12 und einen Masseausgang 13 aufweist.
Der Spannungseingang 10 und der Masseeingang 12 sind
aus der elektrischen Einrichtung 1 herausgeführt und
über Kabel 14 und 15 mit dem Plus- bzw. Minus-Anschluß
der Spannungsquelle 7 verbunden. Die Verbindung mit
dem Minus-Pol der Spannungsquelle, d.h. mit dem Minus-Pol
der Batterie, kann auch über die Karosserie des Kraft
fahrzeugs erfolgen, die üblicherweise mit dem Minus-Pol
der Batterie 8 verbunden ist.
Während in der Verpolschutzschaltung 9 der Spannungsein
gang 10 mit dem Spannungsausgang 11 direkt verbunden
ist, ist in die Leitung zwischen Masseeingang 12 und
Masseausgang 13 ein invers betriebener MOS-FET T1 ge
schaltet. Invers betrieben bedeutet dabei, daß die para
sitäre Diode vom Masseeingang 12 zum Masseausgang 13
in Sperrichtung gepolt ist. Somit könnte zwar auch ohne
Aufsteuerung des MOS-FET T1 ein Strom von Source S nach
Drain D fließen, nicht jedoch in die umgekehrte Richtung
von Drain D nach Source S. Das Gate G des MOS-FET T1
ist über Widerstände Rl und R2 an den Spannungseingang
10 angeschlossen. Zwischen dem Verbindungspunkt zwischen
den beiden Widerständen Rl und R2 und dem Masseausgang
13 ist eine Zener-Diode ZD geschaltet. Die Zenerdiode
ZD bildet zusammen mit den beiden Widerständen R1 und
R2 einen Spannungsbegrenzer, der die Gate-Source-Spannung
auf einen vorbestimmten Wert begrenzt, der unterhalb
der höchsten zulässigen Gate-Source-Spannung des MOS-FET
T1 festgelegt wird. R2 hat dabei die Aufgabe, die Steil
heit der Spannung zu begrenzen.
Wenn die elektrische Einrichtung 1 mit der richtigen
Polung mit der Spannungsquelle 7 verbunden wird, d.h.
wenn der Plus-Ausgang der Spannungsquelle 7 mit dem
Plus-Eingang der elektrischen Einrichtung 1 und der
Minus-Ausgang der Spannungsquelle 7 mit dem Minus-Eingang
der elektrischen Einrichtung 1 verbunden wird, wird
das Gate G über den Plus-Pol der Spannungsquelle 7 und
die Widerstände R1 und R2 mit einem positiven Potential
versorgt und die Gate-Source-Spannung steuert den MOS-FET
T1 durch. In diesem Betriebszustand bietet die Source-
Drain-Strecke des MOS-FET einen sehr geringen Widerstand
in der Größenordnung Milliohm. Ein nennenswerter Span
nungsverlust tritt am MOS-FET T1 nicht auf.
Wird hingegen die elektrische Einrichtung mit falscher
Polung mit der Spannungsquelle 7 verbunden, liegt am
Gate G das Massepotential an, während am Drain-Anschluß
des MOS-FET T1 die positive Spannung der Spannungsquelle
anliegt. Damit ist keine Gate-Source-Spannung vorhanden,
die ausreichen würde, die Source-Drain-Strecke für den
Strom durchlässig zu machen. Vielmehr entfaltet in diesem
Fall die parasitäre Diode, die in Sperrichtung gepolt
ist, ihre Wirkung. Sie verhindert den Stromfluß in die
elektrische Einrichtung 1 hinein, also in die "falsche"
Richtung. Die Baugruppen oder Module 2, 3, 4 werden
somit zuverlässig vor einem Strom und einer Spannung
in die falsche Richtung geschützt.
Claims (4)
1. Verpolschutzschaltung für eine mit Gleichspannung
gespeiste elektrische Einrichtung mit einem Spannungs
eingang, einem damit verbundenen Spannungsausgang,
einem Masseeingang und einem Masseausgang, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen Masseeingang (12) und
Masseausgang (13) ein invers betriebener MOS-FET
(T1) angeordnet ist, dessen Gate (G) mit dem Span
nungseingang (10) verbunden ist.
2. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß eine Spannungsanstiegsbegrenzerein
richtung (R1, R2) vorgesehen ist, die den Anstieg
der Gate-Source-Spannung auf eine vorbestimmte Steil
heit begrenzt.
3. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Spannungsbegrenzereinrichtung
(R1, R2, ZD) vorgesehen ist, die die Gate-Source-Span
nung auf einen vorbestimmten Maximalwert begrenzt.
4. Verpolschutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Spannungsbegrenzereinrichtung eine
Zener-Diode (ZD) aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893930896 DE3930896A1 (de) | 1989-09-15 | 1989-09-15 | Verpolschutzschaltung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893930896 DE3930896A1 (de) | 1989-09-15 | 1989-09-15 | Verpolschutzschaltung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3930896A1 true DE3930896A1 (de) | 1991-03-28 |
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ID=6389538
Family Applications (1)
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DE19893930896 Withdrawn DE3930896A1 (de) | 1989-09-15 | 1989-09-15 | Verpolschutzschaltung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3930896A1 (de) |
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- 1989-09-15 DE DE19893930896 patent/DE3930896A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
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