WO2001011775A1

WO2001011775A1 - Schutzschaltung für ein elektrisches schaltelement

Info

Publication number: WO2001011775A1
Application number: PCT/DE2000/002662
Authority: WO
Inventors: Peter Gold
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2001-02-15
Also published as: DE19936857A1

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

Beschreibung

Schutzschaltung für ein elektrisches Schaltelement

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für ein elektrisches 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 Verbrauchers 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 vorgeschaltet ist und das Schaltelement sperrt, so daß der Kurz- schlußstrom unterbrochen wird.

Nachteilig an der vorstehend beschriebenen bekannten Schutzschaltung ist die Tatsache, daß bei einem Kurzschluß des Verbrauchers 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. Andererseits darf der Grenzwert für den Laststrom nicht so niedrig 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 Ansprechverhalten 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 Schutzschaltung für ein elektrisches Schaltelement zu schaffen, die bei einem Kurzschluß des Verbrauchers die in dem Schaltelement 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 Schaltelements abzugreifen und auf ein logisches Gatter zurückzuführen, welches das zu schützende Schaltelement im Kurzschluß- fall sperrt.

Der Begriff Schaltelement ist hierbei und im folgenden allgemein zu verstehen und umfaßt im Rahmen der Erfindung alle elektrischen oder elektronischen Bauelemente, deren Wider- stand steuerbar ist, wobei die Schaltelemente in herkömmlicher diskreter Bauweise oder in integrierter Form als Bestandteil einer integrierten Schaltung ausgeführt sein kön- ) cυ M r

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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 Diagnoseleitung vorgesehen, die mit dem Spannungsabgriff an der Ausgangsseite 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 Gatter 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 Spannungsabgriff verbunden ist.

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

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

Figur 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Schutzschaltung.

Das in Figur 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt eine mit einer Diode 1 parallel geschaltete Erregerspule 2 für ein cυ cυ IV) M ¹ cn o Cπ O cπ o Cπ

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ist weiterhin ein Kondensator Cl=33 nF geschaltet, der mit dem Widerstand Rl ein RC-Glied bildet, das für ein zeitverzögertes Ansprechen des UND-Gatters 8 auf das Schaltsignal auf dem Steuereingang 5 sorgt.

Unter Bezugnahme auf die vorstehende Beschreibung des strukturellen 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 Steuereingang 5 auf Masse, so daß an dem ersten Eingang El 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 Cl über den Widerstand Rl aufgeladen, so daß der erste Eingang El nach einer vorgegebenen Ladezeit vom LOW-Pegel in den HIGH-Pegel übergeht. Sowohl in der Ladephase als auch nach dem Aufladen des Kondensators Cl 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 Potential des Steuereingangs 5 wieder auf Masse ab, woraufhin der MOSFET-Schalttransistor 3 nahezu sofort sperrt. Dies hat zur cυ cυ t NJ h-¹ P»

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licht also die Erkennung von Kurzschlüssen der Erregerspule 2 durch eine externe Diagnoseschaltung.

Darüber hinaus weist die in Figur 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 kurzfristiger 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 gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Patentansprüche

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 Steuereingang (5) und ausgangsseitig mit dem zu schützenden Schaltelement (3) verbunden ist, um das Schaltelement (3) in Abhängigkeit von dem eingangsseitig aufgenommenen Schaltsignal anzusteuern, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das zu schützende Schaltelement (3) eingangsseitig im wesentlichen 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 Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das logische Gatter (8) eingangsseitig über ein Zeitver- zogerungsglied (Rl, Cl) mit dem Steuereingang (5) verbunden ist, um ein zeitverzogertes Ansprechen des Gatters (8) auf das Schaltsignal zu erreichen.

5. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Zeitverzogerungsglied aus einem Widerstand (Rl) und einem Kondensator (Cl) besteht.

6. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Anspru- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der an der Ausgangsseite des Schaltelements (3) vorgesehene Spannungsabgriff (9) über einen Schutzwiderstand (R2) mit dem Eingang (E2) des logischen Gatters (8) verbunden ist.

7. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Spannungsabgriff (9) ausgangsseitig mit einer Diagno- seleitung (10) verbunden ist, um die Fehlerhaufigkeit des geschalteten Verbrauchers (2) durch eine externe Diagnoseschaltung überwachen zu können.

8. Schutzschaltung (7) nach einem der vorhergehenden Anspru- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das logische Gatter (8) ein UND-Gatter ist, wobei ein erster Eingang (El) des UND-Gatters (8) mit dem Steueremgang (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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zweite Eingang des UND-Gatters (8) mit einem Kondensator (C2) verbunden ist, um kurzzeitige Spannungseinbrüche an dem zweiten Eingang des UND-Gatters (8) abzupuffern.

10. Schutzschaltung (7) nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das UND-Gatter (8) einen Open-Drain-Ausgang aufweist.