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Stand der
Technik
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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.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektronische Schaltung
mit einer derartigen Schutzschaltung sowie ein Steuergerät, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug.
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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.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schutzschaltung
der eingangs genannten Art anzugeben.
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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.
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Vorteilhafte
Wirkungen
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1a zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schutzschaltung,
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1b zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schutzschaltung,
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1c zeigt
eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schutzschaltung,
und
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2 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Steuergerät.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
ist auch denkbar, die erste spannungsbegrenzende Schaltungskomponente 121 durch
einen Feldeffekttransistor mit einer integrierten herkömmlichen
Diode, die als Freilaufdiode verwendet wird, zu realisieren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Gleichzeitig
ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung
der Schaltungskomponente 210 eine erhöhte Betriebssicherheit gegenüber transienten Überspannungen
gegeben.
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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.
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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.