DE102012222895A1

DE102012222895A1 - Schutzschaltung

Info

Publication number: DE102012222895A1
Application number: DE102012222895.0A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kostorz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-12
Also published as: CN104838553A; US20150326002A1; WO2014090470A1

Abstract

Eine Schutzschaltung umfasst einen Eingang, einen Ausgang, einen Feldeffekttransistor vom p-Typ, dessen Drain-Anschluss mit dem Eingang und dessen Source-Anschluss mit dem Ausgang verbunden ist, einen Kondensator zwischen dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors und Masse, eine Zenerdiode, deren Kathode mit dem Ausgang verbunden ist, einen Widerstand zwischen der Anode der Zenerdiode und Masse, und eine Diode, deren Anode mit der Anode der Zenerdiode und deren Kathode mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schutzschaltung zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchers an Bord eines Kraftfahrzeugs.
Stand der Technik
An Bord eines Kraftfahrzeugs, wird üblicherweise ein Gleichspannungsnetz zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern verwendet. Eine Nennspannung eines solchen Gleichspannungsnetzes liegt üblicherweise bei 12 V in einem Personenkraftwagen oder 24 V in einem Lastkraftwagen. Ein elektrischer Verbraucher wird in der Regel zwischen einem Versorgungsanschluss und Masse mit dem Bordnetz verbunden, wobei die elektrische Masse und die Fahrzeugmasse gleich gesetzt sein können. Kommt es dabei zu einer Verpolung, so kann der elektrische Verbraucher Schaden nehmen. Außerdem kann ein hoher Strom fließen, der im einfachsten Fall das Auslösen einer Sicherung im Gleichspannungsnetz, im ungünstigsten Fall einen Schaden durch Überstrom am Verbraucher oder am Bordnetz des Kraftfahrzeugs verursachen kann. Insbesondere um einen vom Kraftfahrzeug entfernbaren elektrischen Verbraucher, beispielsweise einen Radioempfänger, ein Entertainment-System oder ein Navigationsgerät, elektrisch mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zu verbinden, kann daher eine Schutzschaltung verwendet werden, um derartigen Schäden vorzubeugen.
Eine besonders einfache Schutzschaltung umfasst lediglich eine Diode, die in Durchlassrichtung zwischen der Versorgungsleitung und dem Verbraucher eingefügt ist. Nachteilig hierbei ist, dass eine übliche Freilaufdiode eine signifikante Sperrspannung aufweist, so dass der elektrische Verbraucher unter Umständen mit einer nicht ausreichenden Spannung versorgt wird. Die Sperrspannung einer hierfür verwendbaren Siliziumdiode liegt bei ca. 0,7 V.
Es wurde auch vorgeschlagen, einen Feldeffekttransistor (FET) zwischen der Versorgungsleitung und dem Verbraucher oder in der Masseleitung des Verbrauchers anzuordnen und geeignet anzusteuern. Nachteilig hierbei ist, dass ein Feldeffekttransistor im Allgemeinen rückwärts leitend ist, das heißt, dass ein Strom vom Verbraucher in das Bordnetz fließen kann. Verfügt der elektrische Verbraucher beispielsweise über einen Pufferkondensator, so wird die Energie des Pufferkondensators an das Bordspannungsnetz abgegeben, wenn die Spannung des Bordspannungsnetzes abfällt. Ein elektrischer Verbraucher, der auf einen gewissen Nachlauf angewiesen ist, kann so nicht betrieben werden. Der Nachlauf kann beispielsweise genutzt werden, um einen programmierbaren Mikrocomputer des Verbrauchers in einen sicheren Zustand zu verbringen, bevor die im Pufferkondensator gespeicherte elektrische Energie aufgebraucht ist. Der Nachlauf kann auch vorteilhaft sein, wenn etwa ein elektrischer Motor betrieben wird, der bei Abfallen der Versorgungsspannung nicht abgebremst werden soll.
In der DE 10 2009 029 514 A1 wird vorgeschlagen, eine Schutzschaltung für ein Steuergerät vorzusehen, die zwei Feldeffekttransistoren umfasst und im Wesentlichen nach dem Prinzip eines Schaltreglers arbeitet, um eine oder mehrere der Einzelfunktionen Verpolschutz, Überspannungsschutz, Steckerkontaktschutz und Hauptrelais zu realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte Schaltung zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers an Bord eines Kraftfahrzeugs vor Verpolung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines mittels der Schutzschaltung geschützten elektrischen Verbrauchers.
Die Erfindung löst diese Aufgaben mittels einer Schutzschaltung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eines Verbrauchers mit den Merkmalen von Anspruch 2. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
Offenbarung der Erfindung
Eine erfindungsgemäße Schutzschaltung umfasst einen Eingang, einen Ausgang, einen Feldeffekttransistor vom P-Typ, dessen Drain-Anschluss mit dem Eingang und dessen Source-Anschluss mit dem Ausgang verbunden ist, einen Kondensator zwischen dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors und Masse, eine Zenerdiode, deren Kathode mit dem Ausgang verbunden ist, einen Widerstand zwischen der Anode der Zenerdiode und Masse, und eine Diode, deren Anode mit der Anode der Zenerdiode und deren Kathode mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist die Schutzschaltung nur geringfügig rückwärts leitend, so dass ein Nachlauf des Verbrauchers möglich ist, wenn die Spannung am Ausgang der Schutzschaltung die Spannung an ihrem Eingang übersteigt. Die Schaltung ist einfach aufzubauen und kann eine geringe Verlustleistung aufweisen, die zu einer geringen Eigenerwärmung führt. Die Schutzschaltung kann daher kompakt und preisgünstig realisiert werden, so dass sie für eine Vielzahl von Verbrauchern einsetzbar sein kann.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Verbraucher umfasst die beschriebene Schutzschaltung und darüber hinaus einen Pufferkondensator, der zwischen dem Ausgang der Schutzschaltung und Masse angeordnet ist.
Der Pufferkondensator kann einen Nachlauf des elektrischen Verbrauchers ermöglichen, wenn die Spannung am Eingang der Schutzschaltung abgeschaltet wird oder temporär einen geringeren Wert als die Spannung des Pufferkondensators aufweist. Der elektrische Verbraucher kann dadurch wenigstens für eine kurze Zeit betriebsfähig bleiben, auch wenn keine elektrische Energie aus dem elektrischen Bordnetz des Kraftfahrzeugs entnommen werden kann. Beispielsweise kann die Spannung des Bordnetzes kurzfristig einbrechen, wenn ein Verbrennungsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs mittels eines elektrischen Anlassers in Gang gesetzt wird. Während dieser Zeit verminderter Spannung kann der Nachlauf beispielsweise dazu genutzt werden, einen programmierbaren Mikrocomputer des Verbrauchers mit Spannung zu versorgen, so dass dieser keinen zeitraubenden Neustart wegen zu geringer Spannung durchlaufen muss.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Verbraucher ferner einen ohmschen Widerstand parallel zum Pufferkondensator. Der ohmsche Widerstand kann die Nutzschaltung des Verbrauchers widerspiegeln. Über den ohmschen Widerstand kann der Pufferkondensator entladen werden, wenn keine Energie aus dem elektrischen Bordnetz mehr dem elektrischen Verbraucher zufließt.
Bevorzugterweise ist der Verbraucher zum Einsatz an einem Bordspannungsnetz des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Insbesondere kann der Verbraucher zum Betrieb mit einer relativ geringen Gleichspannung von unter 50 V, vorzugsweise mit Nennwerten im Bereich von 12 V, 24 V, 36 V oder 48V, eingerichtet sein.
Kurze Beschreibung der Figur
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beigefügte Figur genauer beschrieben werden. Dabei zeigt die Figur ein System eines elektrischen Verbrauchers und einer Schutzschaltung an einem Bordspannungsnetz eines Kraftfahrzeugs.
Die Figur zeigt ein System 100 an Bord eines Kraftfahrzeugs. Das System 100 umfasst eine Schutzschaltung 105, um einen Verbraucher 110 an einem Bordspannungsnetz 115 zu betreiben. Das Bordspannungsnetz 115 stellt bevorzugterweise eine Gleichspannung mit einem Nennwert im Bereich von 12 V, 24 V, 36 V oder 48 V bereit. Eine mögliche Restwelligkeit der Gleichspannung des Bordspannungsnetzes 115 kann im gegebenen Zusammenhang vernachlässigt werden.
Der elektrische Verbraucher 110 kann als ohmscher Verbraucher mit einem Widerstand R2 modelliert werden. In einer Ausführungsform ist dem ohmschen Widerstand R2 ein Pufferkondensator C2 parallel geschaltet, der einen Betrieb des elektrischen Verbrauchers 110 erlaubt, wenn vom Bordspannungsnetz 115 kein elektrischer Strom dem elektrischen Verbraucher 110 zufließt.
Die Schutzschaltung 105 umfasst einen Feldeffekttransistor T1, eine Zenerdiode Z1, eine Diode D1, einen Widerstand R1, einen Eingang 120 und einen Ausgang 125. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Bordspannungsnetz 115 eine Spannung U1 führt.
Der Feldeffekttransistor T1 ist vom P-Typ, da heißt dass er leitet, wenn die Spannung an seinem Gate-Anschluss G positiv ist. Der Feldeffekttransistor T1 wird wie in einer bekannten Schutzschaltung als Schalter betrieben. Ein Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors T1 ist mit dem Eingang 120, ein Drain-Anschluss D mit dem Ausgang 125 verbunden. Steigt die Spannung zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S auf einen ausreichend hohen Wert an, so lässt der Feldeffekttransistor T1 einen Strom vom Eingang 120 über den Source-Anschluss S und den Drain-Anschluss D zum Ausgang 125 fließen. Sinkt die Spannung zwischen dem Gate-Anschluss G und dem Source-Anschluss S unter den vorbestimmten Wert ab, so sperrt der Feldeffekttransistor T1 und der Stromfluss zwischen dem Eingang 120 und dem Ausgang 125 ist unterbrochen.
Zwischen dem Ausgang 125 und Masse 130 ist ein Spannungsteiler vorgesehen, der die Zenerdiode Z1 in Sperrrichtung und den Widerstand R1 gegen Masse umfasst. Dabei ist die Kathode der Zenerdiode Z1 mit dem Ausgang 125 verbunden und von ihrer Anode führt der Widerstand R1 nach Masse 130. Die Masse 130 ist die elektrische Masse des dargestellten Systems. In einer üblichen Ausführungsform ist eine mechanische Masse des Kraftfahrzeugs in Form einer Karosserie mit der elektrischen Masse 130 verbunden.
Mit der Anode der Zenerdiode Z1 und dem Widerstand R1 ist die Anode der Diode D1 verbunden. Die Kathode der Diode D1 führt zum Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T1. Außerdem ist der Kondensator C1 zwischen dem Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T1 und Masse 130 verbunden.
Ist die Schutzschaltung 105 in korrekter Polung mit dem Bordspannungsnetz 115 verbunden, wie in 1 dargestellt ist, wobei die Spannung U1 vom Eingang 120 nach Masse 130 positiv ist, so fließt ein geringer Strom über eine parasitäre Diode, die zwischen dem Drain-Anschluss D und dem Source-Anschluss S des Feldeffekttransistors T1 besteht, und weiter durch die Zenerdiode Z1 und die Diode D1 zum Kondensator C1 und zum Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T1, wodurch dieser leitend wird und einen Strom vom Eingang 120 zum Ausgang 125 erlaubt, der ausreicht, um den Verbraucher 110 zu betreiben.
Bricht die am Eingang 120 anliegende Spannung zusammen, wie es beispielsweise beim Abschalten des Bordspannungsnetzes 115 oder während eines vorübergehenden Spannungseinbruchs der Fall sein kann, so bleibt die am Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T1 anliegende Spannung durch den Kondensator C1 zunächst erhalten, da ein Abfließen der Ladung des Kondensators C1 durch die Diode D1 verhindert wird. Die am Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T1 anliegende Spannung ist daher größer als die am Drain-Anschluss D anliegende Spannung, so dass der Feldeffekttransistor T1 sperrt. Dadurch wird verhindert, dass ein nennenswerter Strom vom Ausgang 125 zum Eingang 120 der Schutzschaltung 105 fließt. Verfügt der Verbraucher 110 über den Pufferkondensator C2, so wird die Ladung des Pufferkondensators C2 nicht oder kaum über die Schutzschaltung 105 entladen und der Verbraucher kann auf der Basis der Ladung des Pufferkondensators C2 weiter betrieben werden bzw. nachlaufen.
Umfasst der elektrische Verbraucher 110 einen Elektromotor, der sich noch in Bewegung befindet, so kann die elektrische Energie, die er bei Abschalten der Versorgungsspannung bereit stellt nicht ins Bordspannungsnetz 115 abfließen. Der Elektromotor wird daher nicht elektrisch gebremst und kann eine verlängerte Zeitdauer nachlaufen.
Sollte der elektrische Verbraucher 110 zusammen mit der Schutzschaltung 105 in falscher Polung mit dem Bordspannungsnetz 115 verbunden werden, so dass die Spannung zwischen dem Eingang 120 der Schutzschaltung 105 und Masse 130 negativ ist, so fließt ein Strom über den Widerstand R1 und die Diode D1 zum Gate-Anschluss G und lädt den Kondensator C1 auf. Die Spannung am Gate-Anschluss G des Feldeffekttransistors T1 ist dann größer als die Spannung am Drain-Anschluss D, so dass der Feldeffekttransistor T1 sperrt. Zwischen dem Eingang 120 und dem Ausgang 125 kann dann kein nennenswerter Strom mehr fließen, so dass der elektrische Verbraucher 110 nicht in umgekehrter Polung betrieben werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009029514 A1 [0005]

Claims

Schutzschaltung (105), umfassend: – einen Eingang (120); – einen Ausgang (125); – einen Feldeffekttransistor (T1) vom p-Typ, dessen Drain-Anschluss (D) mit dem Eingang (120) und dessen Source-Anschluss (S) mit dem Ausgang (125) verbunden ist; – einen Kondensator (C1) zwischen dem Gate-Anschluss (G) des Feldeffekttransistors (T1) und Masse (130); – eine Zenerdiode (Z1), deren Kathode mit dem Ausgang (125) verbunden ist; – einen Widerstand (R1) zwischen der Anode der Zenerdiode (Z1) und Masse (130); – eine Diode (D1), deren Anode mit der Anode der Zenerdiode (Z1) und deren Kathode mit dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors (T1) verbunden ist.
Elektrischer Verbraucher (100) mit einer Schutzschaltung (105) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Pufferkondensator (C2), der zwischen dem Ausgang (125) der Schutzschaltung (105) und Masse (130) angeordnet ist.
Verbraucher (100) nach Anspruch 2, ferner umfassend einen ohmschen Widerstand (R2) parallel zum Pufferkondensator (C2).
Verbraucher (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der Verbraucher (100) zum Einsatz an einem Bordspannungsnetz (115) eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist.