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Dokumentenidentifikation DE4439967A1 15.05.1996
Titel Schaltungsanordnung zum Schutz vor energiereichen Überspannungen
Anmelder ITT Automotive Europe GmbH, 60488 Frankfurt, DE
Erfinder Heise, Andreas, 64720 Michelstadt, DE
DE-Anmeldedatum 09.11.1994
DE-Aktenzeichen 4439967
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse H02M 9/04
Zusammenfassung Zum Schutz von elektronischen Schaltkreisen, Schaltungskomponenten, empfindlichen Verbrauchern usw. vor energiereichen Überspannungen ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die beim Auftreten einer Überspannung, die über einem vorgegebenen Grenzwert (VRef) liegt, einen ohnehin vorhandenen, leistungsstarken bzw. niederohmigen Verbraucher (VB) über einen ohnehin vorhandenen Leistungsschalter (1, 1', 1'') für eine vorgegebene Zeitspanne oder für die Dauer der Überspannung einschaltet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz von elektrischen Schaltkreisen Schaltungskomponenten, empfindlichen Verbrauchern usw. vor energiereichen Überspannungen.

Es sind zahlreiche, sehr verschiedenartige Maßnahmen zum Schutz von elektronischen Schaltungen vor Überspannungen bekannt. Solche Überspannungen können zu Fehlfunktionen, zur Überlastung und gar Zerstörung der elektronischen Schaltungsanordnungen oder der angeschlossenen Verbraucher führen. Die Höhe der Überspannungen, die auftreten können, ist je nach Anwendungsfall sehr verschieden.

Elektronische Schaltungen in Kraftfahrzeugen, die zur Spannungsversorgung an ein Generator-Batterie-Aggregat angeschlossen sind, müssen bekanntlich vor den sogen. load- dump-Überspannungen geschützt werden. Derartige load-dump- Überspannungen treten vor allem bei plötzlicher Unterbrechung des Anschlusses an die Batterie, z. B. bei einem Wackelkontakt, und einem momentan hohen Ladestrom auf. Die load-dump- Überspannungen können Spannungsspitzen bis ca. 100 V annehmen, die erst nach ca. 200 msec auf unschädliche Werte abgesunken sind. Es handelt sich folglich um energiereiche Überspannungen. Zum Schutz der elektronischen Schaltungen und der empfindlichen Verbraucher vor diesen Überspannungen werden heutzutage sogenannte load-dump-Dioden, das sind hochbelastbare Suppressordioden, Zenerdioden oder Varistoren, verwendet, die die Überspannungen je nach Schaltungsauslegung auf z. B. 40 V begrenzen und die kurzzeitig Verlustleistungen von z. B. 2000 W aufnehmen können. Solche Bauelemente sind relativ teuer und manche zudem von begrenzter Lebensdauer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, die einen wirksamen Schutz vor energiereichen Überspannungen bietet, die zuverlässig arbeitet und die mit geringen Kosten herzustellen ist.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch die im beigefügten Anspruch 1 beschriebene Schaltungsanordnung gelöst werden kann. Erfindungsgemäß wird beim Auftreten einer Überspannung, die über einem vorgegebenen Grenzwert liegt, ein ohnehin vorhandener, relativ leistungsstarker oder niederohmiger Verbraucher für eine vorgegebene Zeitspanne oder für die Dauer der Überspannung eingeschaltet. Zum Einschalten des Verbrauchers wird zweckmäßigerweise ein ohnehin vorhandener Leistungsschalter, nämlich ein Relais, ein Leistungstransistor oder dergl., verwendet.

Natürlich wird ein Verbraucher gewählt, bei dem das kurzzeitige Einschalten zur Dämpfung der Überspannung für die Funktion belanglos ist oder zumindest zu keiner Fehlfunktion führt. Gehört beispielsweise die Schaltungsanordnung, die zu schützen ist, zu einem Kraftfahrzeug-Regelungssystem, wie einem Antiblockiersystem (ABS), Antriebsschlupfregelungssystem oder dergl., das mit einer Hydraulikpumpe ausgerüstet ist, bietet es sich an, diese Pumpe beim Auftreten der Überspannung kurzzeitig einzuschalten. Andere niederohmige, leistungsstarke Verbraucher der hier in Rede stehenden Art sind beispielsweise Heizelemente, Lampen oder andere Elektromotoren (z. B. Wischermotoren) des Fahrzeugs.

Das kurzzeitige Einschalten dieser Verbraucher ist auch deswegen ohne Belang, weil die energiereichen Überspannungen nur selten auftreten.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Zeitglied vorhanden, das beim Auftreten einer Überspannung den Verbraucher für eine vorgegebene, über die Dauer der Überspannung hinausgehende Zeitspanne einschaltet. Dadurch läßt sich ein zu häufiges An- und Ausschalten des Verbrauchers verhindern. Es ist auch möglich, mit Hilfe eines Verzögerungsgliedes das Ansprechen des Zeitgliedes auf sehr kurze Überspannungen zu verhindern.

Einige weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung und Anwendungsmöglichkeiten sind in den Unteransprüchen genannt.

Weitere Details der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen in schematischer Vereinfachung

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Beispiel einer Schaltungsanordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Im Prinzip besteht die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nach Fig. 1 lediglich aus einem Leistungsschalter I, der geschlossen wird, wenn im Versorgungsnetz, das hier durch die Batteriespannung +UB symbolisiert wird, eine Überspannung auftritt. Der Schalter 1 dient zum Einschalten eines oder mehrerer Verbraucher VB. Zweckmäßigerweise wird ein ohnehin vorhandener Leistungsschalter zur Dämpfung der Überspannung eingesetzt.

Der Leistungsschalter 1 wird über ein Signal 51, das eine Verknüpfungsschaltung 2 liefert, angesteuert und geschlossen. Diese Verknüpfungsschaltung verfügt über zwei Eingänge a1 und a2, von denen der Eingang a1 zur normalen Einschaltung des Verbrauchers VB mit Hilfe des Schalters 1 dient, während am Eingang a2 nur beim Vorliegen von Überspannung ein Signal anliegt, das den Schalter 1 schließt und damit den Verbraucher VB einschaltet.

Ein Eingangssignal iein, das beim Auftreten einer Überspannung auf dem Versorgungsnetz (+UB) über die Verknüpfungsschaltung 2 den Schalter 1 ansteuert, wird beispielsweise mit Hilfe einerleistungsschwachen Zenerdiode Z1 gewonnen, die nur dann einen Stromfluß iein über diese Zenerdiode zuläßt, wenn - infolge des Auftretens der Überspannung - die Durchbruchspannung Uein dieser Zenerdiode Z1 überschritten wird.

In Fig. 1 ist angedeutet, daß ein solches von einer Überspannung ausgelöstes Signal am Eingang a2 der Verknüpfungsschaltung 2 grundsätzlich auch mit Hilfe eines Differenzverstärkers 3 gewonnen werden kann, der ein Ausgangssignal b liefert, sobald die am Eingang a dieses Verstärkers 3 liegende Versorgungsspannung +UB einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Dieser Grenzwert wird mit Hilfe einer symbolisch angeordneten, am zweiten Eingang des Verstärkers 3 angeordneten Vergleichs- bzw. Referenzspannung URef eingestellt.

Es gibt natürlich noch andere, dem Fachmann bekannte Möglichkeiten, um ein Eingangssignal auszulösen und dadurch den Schalter 1 zu schließen, sobald die Versorgungsspannung +UB einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Als Verbraucher VB, die "normalerweise" über den Eingang a1, zum Unschädlichmachen einer energiereichen Überspannung über den Eingang a2 eingeschaltet werden, sind grundsätzlich alle relativ niederohmige Verbraucher geeignet. In einem Kraftfahrzeug kommen als Verbraucher unter anderem die verschiedenen Hilfsmotoren, d. h. Pumpenmotoren, Wischermotoren usw., Lampen und Heizelemente in Frage.

Wie Fig. 2 veranschaulicht, ist zum Einschalten des Verbrauchers vor allem ein Halbleiterrelais, ein Transistor 1&min; oder ein anderes Halbleiterelement geeignet. Die Verwendung eines mechanischen Relais, eines Schützes oder dergl. wäre ebenfalls denkbar. Im normalen Betrieb wird der Transistor 1&min; über die Klemme a1&min; und die Transistoren T1, T2 angesteuert, beim Auftreten einer Überspannung im Versorgungsnetz +UB über einen Anschluß a2&min;, eine Zenerdiode Z2, einen ohmschen Widerstand R1 und ebenfalls über die Transistoren T1, T2.

In Fig. 2 symbolisiert UH eine Hilfsspannung, die beim Einschalten des Verbrauchers VB das Potential am Gate dieses Transistors 1&min; so weit erhöht, daß der Innenwiderstand über der Drain-Source-Strecke des Transistors 1&min; minimal wird. Eine Zenderdiode Z3 begrenzt den zulässigen Spannungsabfall an der Gate-Source-Strecke des Transistors 1&min; auf den zulässigen Höchstwert.

Die Zenerdiode Z2 bestimmt den Spannungs-Grenzwert, der beim Auftreten einer Überspannung auf der Versorgungsquelle +UB zum Einschalten des Verbrauchers VB führt. Überschreitet die Überspannung auf der Versorgungsquelle den Grenzwert, wird die Zenerdiode Z2 durchlässig und erhöht das Potential an dem Anschluß a1&min; so weit, daß über die Transistoren T1 und T2 der Transistor 1, durchgesteuert und damit der Verbraucher VB eingeschaltet wird.

In Fig. 2 ist parallel zu dem Spannungsteiler R1, R2, über den beim Auftreten einer über dem vorgegebenen Grenzwert liegenden Überspannung Strom fließt, ein Kondensator C1 angeschaltet. Die gestrichelt dargestellte Anschlußleitung symbolisiert, daß der Kondensator C1 nur in Sonderfällen vorhanden ist. Dieser Kondensator C1 bzw. die von der Kapazität dieses Kondensators und den ohmschen Widerständen R1, R2 abhängige Zeitkonstante beeinflußt die Einschaltdauer des Verbrauchers VB beim Auftreten kurzzeitiger Überspannungsspitzen. Durch die integrierende Wirkung dieses RC- Gliedes wird beim Auftreten einer Folge kurzer Überspannungssignale ein ständiges Ein- und Ausschalten des Verbrauchers verhindert.

Schließlich ist in Fig. 2 noch eine weitere Zenerdiode Z4 eingezeichnet, die im Bedarfsfall die restliche, durch das Einschalten des Verbrauchers VB nicht vollständig verbrauchte Energie aufnimmt. Die Funktion der Zenerdiode Z4 ist mit derjenigen einer herkömmlichen load-dump-Diode vergleichbar, doch genügt nunmehr infolge der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein leistungsarmes und daher billiges Bauelement zur Aufnahme dieser Restenergie. Die Zenerdiode Z4 wirkt vorwiegend im Einschaltaugenblick. Anstelle der Zenerdiode kann natürlich auch eine andere Suppressordiode oder ein Varistor verwendet werden.

Nach Fig. 3 wird ein Leistungsschalter bzw. Leistungstransistor 1&min;&min;, der wiederum zum Einschalten des Verbrauchers VB dient, über einen Differenzverstärker 4, einen monostabilen Multivibrator 6 mit vorgeschaltetem Verzögerungsglied 5, einem ODER-Gatter 7 und einem Treiber 8 angesteuert. Der monostabile Multivibrator 6 dient als Zeitglied und verlängert und definiert nach einer Überspannungseinschaltung die Einschaltzeit des Verbrauchers VB. Eine Ladungspumpe 9 übernimmt in bekannter Weise die Funktion der Hilfsspannungsquelle UH nach Fig. 2.

Der Differenzverstärker 4 wird über einen Spannungsteiler R3, R4 angesteuert. Er vergleicht die Überspannung mit einer Referenzspannung URef, wie dies bereits anhand der Fig. 1 beschrieben wurde.

Dem Zeitglied 6 mit dem vorgeschalteten Verzögerungsglied 5 liegt eine Signalleitung 10 parallel. Dies hat zur Folge, daß beim Auftreten einer Überspannung, die zu einem Ausgangs- Signal am Differenzverstärker 4 führt, der Schalter 1&min;&min; über die Signalleitung 10 und über das ODER-Gatter 7 sofort angesteuert und damit der Verbraucher VB eingeschaltet wird. Außerdem wird über das Verzögerungsglied 5, wenn die Überspannung für eine Mindestzeitspanne von z. B. 100 µsec ansteht, der monostabile Multivibrator 6 umgeschaltet. Das Ausgangssignal des Multivibrators 6 hat eine Dauer von z. B. 200 msec, wodurch, wenn die Überspannungen länger als 100 µsec anstehen, der Verbraucher für diese Zeitspanne angeschaltet bleibt. Dadurch wird ein häufiges Ein- und Ausschalten des Verbrauchers bei Überspannungen mit Spannungseinbrüchen verhindert. Sehr kurze Überspannungen, d. h. unter z. B. 100 µsec und damit unter der Ansprechzeit des Verzögerungsgliedes 5, gelangen zwar ebenfalls zum Verbraucher und werden gedämpft; sie führen allerdings in aller Regel zu einer kaum feststellbaren Reaktion.

Eine nicht dargestellte Variante der Schaltung nach Fig. 3 besteht darin, daß auf die parallele Signalleitung 10 verzichtet wird. In diesem Fall muß die für energiearme Überspannungen vorgesehene Suppressordiode, Zenerdiode Z4&min; oder dergl. die bis zum Ansprechen des Zeitgliedes 5 bzw. des Multivibrators 6 auftretende Energie aufnehmen.

Handelsübliche Dioden dieser Art sind hierzu in der Lage.

Erfindungsgemäß wird also auf sehr einfache Weise und mit minimalem Aufwand ein Schutz vor energiereichen Überspannungen erzielt. Der Aufwand wird deswegen sehr gering, weil über ohnehin vorhandene Leistungsschalter ohnehin vorhandene Verbraucher zur Energieaufnahme herangezogen werden können und weil der Verbraucher über eine sehr einfache, auf die Überspannung ansprechende Ansteuerschaltung eingeschaltet werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zum Schutz von elektronischen Schaltkreisen, Schaltungskomponenten, empfindlichen Verbrauchern etc. vor energiereichen Überspannungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese beim Auftreten einer Überspannung, die über einem vorgegebenen Grenzwert (URef) liegt, einen ohnehin vorhandenen, leistungsstarken bzw. niederohmigen Verbraucher (VB) für eine vorgegebene Zeitspanne oder für die Dauer der Überspannung einschaltet.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (VB) durch Ansteuerung eines ohnehin vorhandenen Leistungsschalters (1, 1&min;, 1&min;&min;), wie eines Relais, eines Leistungstransistors oder dergl., eingeschaltet wird.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Zeitglied (R1, C1, 6) enthält, das beim Auftreten einer Überspannung den Verbraucher (VB) für eine vorgegebene, über die Dauer der Überspannung hinausgehende Zeitspanne einschaltet.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied in Form eines RC- Gliedes (R1, C1) oder einer monostabilen Kippstufe (6) realisiert ist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (6) nur dann eingeschaltet wird, wenn das Auftreten der Überspannung eine vorgegebene Mindestdauer überschreitet.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zeitglied (6) ein Verzögerungsglied (5) vorgeschaltet ist, das nur dann ein Signal abgibt, wenn die Überspannung eine vorgegebene Mindestdauer überschreitet.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Einschalten des Verbrauchers (VB) über das Verzögerungsglied (5) und das Zeitglied (6) eine Signalleitung (10) vorgesehen ist, über die der Verbraucher (VB) direkt für die Dauer der Überspannung angesteuert wird.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Schaltkreis (Z4, Z4&min;) zum Schutz vor energiearmer Überspannung oder vor einer Restenergie, die der zum Überspannungsschutz eingeschaltete Verbraucher (VB) nicht aufnimmt, vorgesehen ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor energiearmer Überspannung eine Zenerdiode (Z4, Z4&min;), ein Varistor oder dergl. vorgesehen ist.
  10. 10. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 zum Schutz einer elektronischen Schaltung und/oder eines empfindlichen Verbrauchers eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung beim Auftreten der Überspannungen (auf dem Bordnetz) eine oder mehrere leistungsstarke Verbraucher (VB), wie Elektromotoren, Heizelemente, Lampen oder dergl., einschaltet.
  11. 11. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 zum Schutz der elektronische Schaltung eines Kraftfahrzeug- Regelungssystems, das eine elektromotorisch angetriebene Hydraulikpumpe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung beim Auftreten der Überspannung den Antriebsmotor der Hydraulikpumpe als Verbraucher (VB) einschaltet.






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