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Dokumentenidentifikation DE102006021747A1 15.11.2007
Titel Schutzschaltung
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Rieger, Reinhard, 74336 Brackenheim, DE
DE-Anmeldedatum 10.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021747
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/04(2006.01)A, F, I, 20060510, B, H, DE
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschaltung (100) zum Schutz einer elektronischen Schaltung (200), insbesondere vor transienten Überspannungen, wobei zwischen einem ersten Anschluss (110a) und einem zweiten Anschluss (110b) eines Eingangs (110) der Schutzschaltung (11) eine Serienschaltung von mindestens zwei spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) vorgesehen ist, wobei jede der beiden spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) mindestens ein Halbleiterbauelement aufweist.
Erfindungsgemäß ist an einem Ausgang (130) zum Anschluss der zu schützenden elektronischen Schaltung (200) an die Schutzschaltung (100) mindestens ein Ausgangsanschluss (130a) vorgesehen, der mit einem zwischen den zwei spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) liegenden Schaltungsknoten (120) verbunden ist.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung zum Schutz einer elektronischen Schaltung, insbesondere vor transienten Überspannungen, wobei zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss eines Eingangs der Schutzschaltung eine Serienschaltung von mindestens zwei spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten vorgesehen ist, wobei jede der beiden spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten mindestens ein Halbleiterbauelement aufweist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektronische Schaltung mit einer derartigen Schutzschaltung sowie ein Steuergerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.

Schutzschaltungen der eingangs genannten Art besitzen üblicherweise als Zener-Dioden ausgebildete Halbleiterbauelemente in den spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten, wobei eine entsprechende Serienschaltung derartiger spannungsbegrenzender Schaltungskomponenten ihrerseits parallel geschaltet ist zu einem Eingang der zu schützenden elektronischen Schaltung. Bei einem Auftreten von transienten Überspannungen an dem Eingang der zu schützenden Schaltung wird eine bezüglich der Überspannung in Sperrrichtung gepolte Zener-Diode leitend, sobald die Überspannung eine Durchbruchspannung der Zener-Diode überschreitet. Dadurch wird die Überspannung auf einen Wert begrenzt, der etwa der Durchbruchspannung der betreffenden Zener-Diode entspricht, eventuell zuzüglich einer Durchlassspannung einer anderen, bezüglich der Überspannung in Durchlassrichtung gepolten Zener-Diode.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schutzschaltung der eingangs genannten Art anzugeben.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schutzschaltung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einem Ausgang zum Anschluss der zu schützenden elektronischen Schaltung an die Schutzschaltung mindestens ein Ausgangsanschluss vorgesehen ist, der mit einem zwischen den zwei spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten liegenden Schaltungsknoten verbunden ist.

Vorteilhafte Wirkungen

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Ausgangsanschlusses zwischen den beiden spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten ergibt sich sehr vorteilhaft eine geringere Spannungsbeanspruchung der zu schützenden elektronischen Schaltung im Falle einer Überspannung.

Im Unterschied zu herkömmlichen Schutzschaltungen ergibt sich bei der vorliegenden Erfindung im Überspannungsfalle nur dann ein Spannungsniveau im Bereich der Durchbruchspannung einer als spannungsbegrenzende Schaltungskomponente verwendeten Zener-Diode, wenn die Polarität der Überspannung einer Sperrrichtung der Zener-Diode entspricht.

Bei einer Überspannung anderer Polarität ist die betreffende Zener-Diode an dem Eingang der zu schützenden elektronischen Schaltung dementsprechend in Durchlassrichtung orientiert, so dass sich auf Grund der Überspannung lediglich ein der Durchlassspannung der Zener-Diode entsprechendes Spannungsniveau einstellt.

Das heißt, durch die Topologie der erfindungsgemäßen Schutzschaltung reduziert sich vorteilhaft die Anzahl derjenigen Überspannungssituationen an einem Eingang der zu schützenden elektronischen Schaltung, bei denen eine der Durchbruchspannung der Dioden entsprechende Spannung an der zu schützenden Schaltung anliegt. Anstelle der Durchbruchspannung liegt bei entsprechender Polarität der Überspannung vorteilhaft lediglich ein der Durchlassspannung entsprechendes Spannungsniveau an der zu schützenden Schaltung an.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung beziehungsweise Darstellung in der Beschreibung beziehungsweise in der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1a zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung,

1b zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung,

1c zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung, und

2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Steuergerät.

Ausführungsformen der Erfindung

1a zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Schutzschaltung 100 zum Schutz einer mit der Schutzschaltung 100 verbundenen elektronischen Schaltung, die nicht in 1a abgebildet und über den Ausgang 130 der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 mit dieser verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung 100 weist zwei spannungsbegrenzende Schaltungskomponenten 121, 122 auf, die bezüglich eines Eingangs 110 der Schutzschaltung 100 zueinander in Serie geschaltet sind. Vorliegend ist die erste spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 121 mit einem ersten Anschluss 110a und die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 122 mit einem zweiten Anschluss 110b des Eingangs 110 verbunden.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung 100 dient insbesondere zum Schutz einer an ihrem Ausgang 130 angeschlossenen Schaltung vor transienten Überspannungen, wie sie in elektrischen Systemen beispielsweise bei einem plötzlichen Deaktivieren induktiver Lasten oder auch auf Grund von elektrostatischen Entladungen auftreten können.

Wie aus 2 ersichtlich, ist die erfindungsgemäße Schutzschaltung 100 beispielsweise einer elektronischen Schaltung 200 zugeordnet, die ihrerseits in einem Steuergerät 300 zur Steuerung von Betriebsabläufen vorgesehen ist. Bei dem Steuergerät 300 handelt es sich beispielsweise um ein Getriebesteuergerät oder ein Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs.

Die Schutzschaltung 100 ist über ihre eingangsseitigen Anschlüsse 110a, 110b (1a) mit einer nicht gezeigten elektrischen Energieversorgung wie beispielsweise einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbindbar. Ausgangsseitig ist die zu schützende elektronische Schaltung 200, vergleiche 2, wie bereits beschrieben über die Anschlüsse 130a, 130b mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 verbunden, über die sie somit gleichzeitig mit elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs versorgt wird.

Die in 2 abgebildete Anordnung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 ermöglicht einen effizienten Schutz der elektronischen Schaltung 200 des Steuergeräts 300 vor transienten Überspannungen des Kraftfahrzeugbordnetzes.

1b zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 im Detail. Wie aus 1b ersichtlich ist, weisen die spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten 121, 122 jeweils eine Diode 121a, 122a auf. Die erste spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 121, die über den Anschluss 110a mit einer Versorgungsspannung eines Kraftfahrzeugbordnetzes von etwa 13,5 Volt verbunden ist, weist insbesondere eine herkömmliche Halbleiterdiode 121a auf, die die Funktion eines Verpolungsschutzes für die zu schützende elektronische Schaltung 200 (2) beziehungsweise deren mit dem Ausgangsanschluss 130a der Schutzschaltung 100 verbundenen Anschluss übernimmt.

Der zweite Anschluss 1106 der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 ist mit einem Masseanschluss des nicht abgebildeten Kraftfahrzeugbordnetzes verbunden. Das Massepotential des Kraftfahrzeugbordnetzes wird dementsprechend wie in 1b abgebildet mittels des Anschlusses 130b direkt an die zu schützende elektronische Schaltung 200 weitergeleitet.

Im Gegensatz zu der ersten spannungsbegrenzenden Schaltungskomponente 121 weist die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 122 keine herkömmliche Diode 121a, sondern eine als Zener-Diode ausgebildete Diode 122a auf. Da sich aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung der Schutzschaltung 100 die zweite Schaltungskomponente 122 beziehungsweise deren Zener-Diode 122a parallel angeordnet befindet zu dem Eingang der zu schützenden elektronischen Schaltung 200, kann die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 122 vorteilhaft eine doppelte Schutzfunktion realisieren.

Einerseits stellt die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 122 die Funktionalität einer herkömmlichen Verpolungssicherung bereit. D.h., für den Fall, dass das an dem als Masseanschluss vorgesehenen Anschluss 110b anliegende elektrische Potential größer ist, als das Potential an dem zwischen den spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten 121, 122 liegenden Schaltungsknoten 120, ist die Zener-Diode 122a der zweiten spannungsbegrenzenden Schaltungskomponente 122 in Durchlassrichtung gepolt und wird dementsprechend leitend, um das Potential an dem Masseanschluss 110b abzubauen.

Andererseits stellt die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 122 vermöge ihrer Zener-Diode 122a gleichzeitig eine Schutzvorrichtung der Schaltung 200 vor insbesondere transienten Überspannungen positiver Polarität dar.

Solche transienten Überspannungen positiver Polarität sind beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass sich für einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum, der vorzugsweise im Mikrosekundenbereich liegt, das üblicherweise auf einem Spannungsniveau von etwa 13,5 Volt befindliche Potential an dem Anschluss 110a auf 100 Volt oder mehr erhöht. In diesem Fall liegt nahezu das gesamte Potential beziehungsweise eine der Potentialdifferenz zu dem Massepotential entsprechende Überspannung an der zweiten spannungsbegrenzenden Schaltungskomponente 122 an, die aufgrund des Überschreitens der Durchbruchspannung der in ihr enthaltenen Zener-Diode 122a die Überspannung abbaut. In diesem Fall wird die zu schützende elektronische Schaltung 200 also lediglich einem solchen Überspannungsniveau ausgesetzt, das etwa der Durchbruchspannung der Zener-Diode 122a entspricht.

Bei einer entsprechenden negativen Überspannung sperrt die Diode 121a, und die Zener-Diode 122a wird leitend, so dass die elektronische Schaltung 200 keiner Überspannung ausgesetzt wird, sondern wie bereits beschrieben nur einem der Durchlassspannung der Zener-Diode 122a entsprechenden Spannungsniveau.

D.h., neben der doppelten Schutzfunktion durch die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 122 wird gleichzeitig vorteilhaft die Spannungsbelastung der Schaltung 200 in Fehlerfällen reduziert, weil zumindest für Überspannungen, deren Polarität derjenigen der Zener-Diode 122a entspricht, nicht einmal die Durchbruchspannung der Zener-Diode 122a an der Schaltung 200 anliegt, sondern nur deren üblicherweise deutlich niedrigere Durchlassspannung.

Bei herkömmlichen Schutzschaltungen, die parallel zu dem Eingang der zu schützenden Schaltung 200 z.B. eine Serienschaltung von antiparallel angeordneten Zener-Dioden vorsehen, liegt nachteilig in jedem Fehlerfall mindestens die Durchbruchspannung einer der Zener-Dioden an, nie aber allein deren viel niedrigere Durchlassspannung.

Bei einer weiteren ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100, die in 1c näher dargestellt ist, weisen beide spannungsbegrenzende Schaltungskomponenten 121, 122 jeweils eine Zener-Diode 121a', 122a auf. Dadurch ist ein effektiver Schutz der elektronischen Schaltung 200 vor transienten Überspannungen beider Polaritäten gegeben.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 kann vorzugsweise in der ersten spannungsbegrenzenden Schaltungskomponente 121 auch ein steuerbarer Widerstand vorgesehen sein, der vorliegend als Feldeffekttransistor 121b ausgebildet ist. Der Feldeffekttransistor 121b ist parallel geschaltet zu der Zener-Diode 121a' und ermöglicht somit durch eine entsprechende Ansteuerung seiner Gateelektrode G beispielsweise eine sehr niederohmige Verbindung des Anschlusses 110a mit dem Anschluss 130a. Das heißt, ein der Durchlassspannung der Zener-Diode 121a' entsprechender Spannungsabfall an der Zener-Diode 121a' kann durch den Einsatz des Feldeffekttransistors 121b vermieden werden. Der Feldeffekttransistor 121b ist vorzugsweise so gewählt, dass sein Drain-Source-Widerstand im eingeschalteten Zustand weitaus geringer ist, als der differentielle Widerstand der Zener-Diode 121a' in Durchlassrichtung.

Besonders vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, dass die Zener-Diode 121a' in den Feldeffekttransistor 121b integriert ist. In diesem Fall wird die erste spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 121 vollständig durch den Feldeffekttransistor 121b mit der integrierten Zener-Diode 121a' realisiert.

Es ist auch denkbar, die erste spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 121 durch einen Feldeffekttransistor mit einer integrierten herkömmlichen Diode, die als Freilaufdiode verwendet wird, zu realisieren.

Neben dem Einsatz eines Halbleiterschalters wie des Feldeffekttransistors 121b ist es auch möglich, andere steuerbare Widerstände zur Umgehung der Diodenstrecke 121a, 121a' der ersten spannungsbegrenzenden Schaltungskomponente 121 vorzusehen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Schutzschaltungen, bei denen üblicherweise die ganze Serienschaltung aus spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten 121, 122 parallel zu den Anschlüssen 130a, 130b, das heißt zu dem Eingang der zu schützenden Schaltung 200, geschaltet ist, befindet sich bei der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 vorteilhaft nur eine der beiden spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten in Parallelschaltung zu der elektronischen Schaltung 200. Dadurch wird im vorliegenden Fall gemäß 1c bei einer transienten Überspannung negativer Polarität nur ein der Durchlassspannung der Zener-Diode 122a entsprechendes Spannungsniveau an dem Eingang der zu schützenden elektronischen Schaltung 200 anliegen, und nicht wie bei den herkömmlichen Schutzschaltungen in jedem Fall ein Spannungsniveau, das der Durchbruchspannung einer der in Serie geschalteten Zener-Dioden entspricht.

Anstelle der vorstehend beschriebenen Zener-Dioden 121a', 122a können zur Spannungsbegrenzung auch alle anderen geeigneten elektronischen Bauelemente beziehungsweise Halbleiterbauelemente verwendet werden, die eine vergleichbare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen. Es ist auch denkbar, komplexere aktive Schaltungen zur Realisierung der spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten 121, 122 zu verwenden.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine mit dem Versorgungsspannungseingang 110a (1a) beziehungsweise 130a verbundene Schaltungskomponente 210 (2) der elektronischen Schaltung 200 so ausgebildet ist, dass sie gegen eine transiente Überspannung geschützt ist. Dadurch ergibt sich für den Fall eines Versagens der Schutzschaltung 100 eine gesteigerte Betriebssicherheit der elektronischen Schaltung 200.

Insbesondere ist es dadurch auch möglich, für die Durchbruchspannung der in der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 verwendeten Zener-Dioden 121a', 122a solche Spannungswerte auszuwählen, die möglichst nahe an einer maximal zulässigen Überspannung liegen.

Herkömmlich werden in bekannten Schutzschaltungen verwendete Zener-Dioden so dimensioniert, dass sie bei einer maximal zulässigen Überspannung von 40 Volt beispielsweise eine Durchbruchspannung von etwa 27 Volt aufweisen, um auch bei fertigungs- bzw. temperaturbedingten Schwankungen der tatsächlichen Durchbruchspannung leitend zu werden, bevor die Überspannung den Grenzwert von 40 Volt erreicht. Dadurch kann wegen des geringen differentiellen Widerstands der Zener-Diode in dem Durchbruchbereich ein erheblicher Strom fließen, wobei die betreffende Zener-Diode eine erhebliche Verlustleistung umsetzen muss.

Durch die erfindungsgemäße Auslegung der mit dem Versorgungsspannungseingang 110a beziehungsweise 130a verbundenen Schaltungskomponente 210 mit eigener Widerstandsfähigkeit gegen insbesondere transiente Überspannungen müssen die in der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 100 zum Einsatz kommenden Zener-Dioden 121a', 122a nicht mehr derart stark überdimensioniert werden, womit eine Kostenreduktion der Schutzschaltung 100 verbunden ist.

Gleichzeitig ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltungskomponente 210 eine erhöhte Betriebssicherheit gegenüber transienten Überspannungen gegeben.

Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Ableitung einer Überspannung in der spannungsbegrenzenden Schaltungskomponente 121, 122 auch durch den Einsatz eines steuerbaren Widerstands wie beispielsweise eines Feldeffekttransistors 121b bewirkt werden, der in dem Fall einer transienten Überspannung von einer Steuerlogik entsprechend angesteuert werden muss, um die an ihm abfallende Überspannung abzubauen.

Insgesamt können durch die erfindungsgemäße Schutzschaltung 100 elektronische Schaltungen 200 sowie Steuergeräte 300 jeglicher Bauart effektiv vor transienten Überspannungen geschützt werden, ohne dass sich ein unverhältnismäßig hoher Mehraufwand hinsichtlich elektronischer Bauelemente ergibt.


Anspruch[de]
Schutzschaltung (100) zum Schutz einer elektronischen Schaltung (200), insbesondere vor transienten Überspannungen, wobei zwischen einem ersten Anschluss (110a) und einem zweiten Anschluss (110b) eines Eingangs (110) der Schutzschaltung (100) eine Serienschaltung von mindestens zwei spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) vorgesehen ist, wobei jede der beiden spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) mindestens ein Halbleiterbauelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ausgang (130) zum Anschluss der zu schützenden elektronischen Schaltung (200) an die Schutzschaltung (100) mindestens ein Ausgangsanschluss (130a) vorgesehen ist, der mit einem zwischen den zwei spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) liegenden Schaltungsknoten (120) verbunden ist. Schutzschaltung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite spannungsbegrenzende Schaltungskomponente (121, 122) jeweils eine Diode (121a, 121a', 122a) aufweisen, wobei die Dioden (121a, 121a', 122a) an ihren Kathoden miteinander verbunden sind und den Schaltungsknoten (120) bilden, und wobei mindestens eine der Dioden (121a, 121a', 122a) als Zener-Diode (121a', 122a) ausgebildet ist. Schutzschaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der spannungsbegrenzenden Schaltungskomponenten (121, 122) einen steuerbaren Widerstand, insbesondere einen Feldeffekttransistor (121b) aufweist. Schutzschaltung (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der steuerbare Widerstand (121b) parallel geschaltet ist zu dem mindestens einen Halbleiterbauelement beziehungsweise der Zener-Diode (121a', 122a). Schutzschaltung (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement beziehungsweise die Zener-Diode (121a', 122a) in den steuerbaren Widerstand (121b) integriert ist. Elektronische Schaltung (200) mit einer Schutzschaltung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsanschluss (130a) der Schutzschaltung (100) mit einem Versorgungsspannungseingang der elektronischen Schaltung (200) verbunden ist. Elektronische Schaltung (200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Masseanschluss der elektronischen Schaltung (200) mit einem der beiden Anschlüsse (110b) an dem Eingang (110) der Schutzschaltung (100) verbunden ist. Elektronische Schaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine mit dem Versorgungsspannungseingang verbundene Schaltungskomponente (210) der elektronischen Schaltung (200) so ausgebildet ist, dass sie gegen eine transiente Überspannung geschützt ist. Steuergerät (300), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Schutzschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder mit einer elektronischen Schaltung (200) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.






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