DE4303990C1 - Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Insbesondere im Spannungsbordnetz von Kraftfahrzeugen treten häufig energiereiche Störimpulse auf, durch welche elektrische oder elektronische Einrichtungen gestört oder sogar zerstört werden können. Zu diesen energiereichen Störimpulsen zählen insbesondere sogenannte "Load-Dump-Impulse", die durch Belastungsänderungen im Spannungsnetz auftreten. Diese Störimpulse können dabei Spannungswerte von mehreren hundert Volt erreichen und zudem für relativ lange Zeiten (bis zur Größenordnung Sekunden) andauern. Elektrische und vor allem elektronische Einrichtungen müssen daher gegen solche energiereichen Impulse geschützt werden.

Hierzu ist es bekannt, eine Leistungsbegrenzerdiode parallel zur Bordnetzspannungsquelle zu schalten, wodurch die im Bordnetz auftretenden Spannungsspitzen auf die Durchbruchspannung der Leistungsbegrenzerdiode beschränkt werden. Ein Nachteil einer solchen Anordnung ist darin zu sehen, daß die energiereichen Load-Dump-Impulse auch eine Leistungsbegrenzerdiode zerstören können, zumindest sofern nicht eine besonders hoch belastbare und daher teure Leistungsbegrenzerdiode vorgesehen wird.

Aus der DE 32 46 672 A1 ist hierzu eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Leistungsbegrenzerdiode in Reihe mit einer Schmelzsicherung geschaltet ist und bei der beim Auftreten von energiereichen Störimpulsen sowohl die Zerstörung der Leistungsbegrenzerdiode als auch der Schmelzsicherung in Kauf genommen wird. Eine solche Lösung ist besonders aufwendig, dadurch daß beim Ansprechen dieser Schaltung sowohl die Kosten für den Ersatz der Leistungsbegrenzerdiode und der Schmelzsicherung als auch die weitaus größeren Montagekosten für die Erneuerung dieser Bauteile aufgebracht werden müssen.

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Steuerschaltung, welche über einen Relaistreiber die Relaisspule eines Relais ansteuert und mit zum Relais gehörenden Relaiskontakten zum Anschalten mindestens einer elektrischen Last an eine Spannungsquelle, wobei eine Überwachungsleitung, die an der elektrischen Last anliegende Spannung an die Steuerschaltung gibt.

In Kraftfahrzeugen werden häufig Schaltungen verwendet, bei denen eine Steuerschaltung eine insbesondere niederohmige Last steuert, wobei das Einschalten der Last über Relaiskontakte erfolgt und wobei zwischen Steuerschaltung und Relais ein Relaistreiber, häufig als Transistor ausgeführt, geschaltet ist.

Gattungsgemäße Schaltungsanordnungen, die eine Überwachungsleitung aufweisen, die die an der Last anliegende Spannung an die Steuerschaltung gibt, sind aus der DE 31 10 314 A1 und der DE 40 04 400 B1 bekannt.

Hierbei dient die Überwachung des Laststromkreises bei der DE 31 10 314 A1 dazu, das Relais zu den Zeitpunkten der Nulldurchgänge von Lastwechselstrom bzw. -wechselspannung aus- bzw. einzuschalten.

Die Überwachungsleitung bei der DE 40 04 400 A1 ist zur Funktionsüberwachung der geschalteten Lasten vorgesehen.

Darüber hinaus ist bei einer solchen Schaltungsanordnung der Relaistreiber durch energiereiche Störimpulse insbesondere aus dem Spannungsbordnetz gefährdet, sofern nicht ein besonders hoch belastbarer und damit auch teurer Retaistreiber vorgesehen wird oder eine andere aufwendige Schutzmaßnahme, wie eine der zuvor diskutierten, getroffen wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Schaltungsanordnung zu schaffen, bei der auf den Einsatz von hochbelastbaren und damit kostenaufwendigen Bauteilen verzichtet werden kann, die zudem einfach und kostengünstig aufgebaut ist und gut gegen energiereiche Störimpulse, insbesondere aus dem Spannungsbordnetz von Kraftfahrzeugen, geschützt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Reihe mit der Relaisspule eine Leistungsbegrenzerdiode geschaltet ist und daß, wenn die Überwachungsleitung der Steuerschaltung ein Spannungssignal zuführt, welches geschlossenen Relaiskontakten entspricht, und zwar ohne daß eine Ansteuerung der Relaisspule durch die Steuerschaltung und den Relaistreiber erfolgt, die Steuerschaltung die Relaisspule für eine vorgegebene Zeit ansteuert.

Eine in Reihe mit der Relaisspule geschaltete Leistungsbegrenzerdiode ist bereits in der DE 28 54 248 B1 dargestellt worden. Hierbei soll aber die Leistungsbegrenzerdiode den Relaistreiber vor der Abschaltespannung der Relaisspule schützen. Ein Schutz des Relaistreibers vor energiereichen Störimpulsen des Bordnetzes wird nicht beschrieben.

Durch die Leistungsbegrenzerdiode, die in Reihe mit der Relaisspule geschaltet ist, wird bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erreicht, daß sowohl für den Relaistreiber als auch für die Leistungsbegrenzerdiode keine besonders hoch belastbaren Exemplare vorgesehen werden müssen und daher beide Bauteile besonders kostengünstig ausgeführt werden können.

Die Durchbruchspannung der Leistungsbegrenzerdiode wird dabei vorteilhafterweise zumindest geringfügig niedriger gewählt als die maximale Spannungsfestigkeit des Relaistreibers. Hierdurch schützt die Leistungsbegrenzerdiode den Relaistreiber gegen Spannungswerte, die diesen zerstören können. Somit können kostengünstige, weil nicht hoch belastbare Bauelemente als Relaistreiber Verwendung finden. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß bei mehreren anzusteuernden Relais zu Baugruppen integrierte Relaistreiber, z. B. in Form von sogenannten Transistorarrays, Verwendung finden können, die besonders kleinbauend und kostengünstig sind.

Vorteilhaft ist auch, daß durch die Reihenschaltung von Leistungsbegrenzerdiode und Relaisspule der Innenwiderstand der Relaisspule die Strombelastung der Leistungsbegrenzerdiode etwas reduziert.

Gleichwohl besteht bei der soweit beschriebenen Anordnung die Gefahr, daß länger andauernde Load-Dump-Impulse die nicht allzu hoch belastbare Leistungsbegrenzerdiode thermisch überlasten.

Des weiteren kann es zu einem wiederholten Anziehen und Abfallen des Relaisankers kommen, wobei es durch den geschalteten Laststrom und die hierdurch bewirkte Schaltfunkenbildung zu einer erheblichen Belastung der Relaiskontakte oder gar zu deren Zerstörung kommen kann.

Diese zwei nachteiligen Eigenschaften werden durch die Überwachungsleitung, die die an der elektrischen Last anliegende Spannung an die Steuerschaltung gibt, auf einfache und wirkungsvolle Weise vermieden. Durch diese Überwachungsleitung erkennt nämlich die Steuerschaltung, daß ein Einschalten des Relais erfolgt, und zwar ohne daß eine Ansteuerung durch die Steuerschaltung und den Relaistreiber erfolgt. In diesem Falle kann die Steuerschaltung auf geeignete Weise reagieren.

Erfindungsgemäß schaltet die Steuerschaltung beim Auftreten des durch energiereiche Störimpulse bewirkten "Relaisflatterns" das Relais über die Treiberschaltung für eine vorgegebene Zeit ein.

Die vorgegebene Zeit entspricht hierbei vorteilhafterweise der typischen Dauer der auf die Schaltungsanordnung einwirkenden Störimpulse.

Hierdurch befindet sich das Relais für die Dauer der Störimpulse in einem definierten Schaltzustand und kann durch die energiereichen Störimpulse nicht mehr negativ beeinflußt werden. Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß durch das Schließen der Relaiskontakte die Last an die Spannungsquelle angeschaltet wird, wodurch die Störimpulse in ihrer Intensität gedämpft oder gar unterdrückt werden können.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung soll im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert werden.

Die einzige Figur zeigt anhand eines Blockschaltbildes ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Eine Steuerschaltung (1), welche auf besonders einfache und vorteilhafte Weise als Mikrocomputer ausgeführt sein kann, steuert über einen Relaistreiber (2) die Relaisspule (3a) eines Relais (3) an. In Reihe mit der Relaisspule (3a) und einer Spannungsquelle (6) ist eine Leistungsbegrenzerdiode (4), und zwar in Sperrichtung geschaltet.

Über seine Relaiskontakte (3b) kann das Relais (3) eine insbesondere niederohmige Last (5) an die Spannungsquelle (6) anschalten. Über eine Überwachungsleitung (7) wird die an der Last (5) anliegende Spannung der Steuerschaltung (1) zugeführt. Für den Relaistreiber (2) und die Leistungsbegrenzerdiode (4) ist aufgrund der nachfolgend dargestellten Funktionsweise der Schaltungsanordnung eine Auslegung für geringe bis mittlere Verlustleistung ausreichend.

Die Spannungsfestigkeit des Relaistreibers (2) sollte dabei zumindest geringfügig oberhalb der Durchbruchspannung der Leistungsbegrenzerdiode (4) liegen. So kann beispielsweise bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug, bei welchem die normale Bordnetzspannung (symbolisiert durch die Spannungsquelle [6]) 12 Volt beträgt, die Höhe von energiereichen Störimpulsen (Load-Dump-Impulse) mehrere hundert Volt betragen. Für den Relaistreiber (2) kann beispielsweise eine maximale Spannungsfestigkeit von 50 Volt vorgesehen werden, die Durchbruchspannung der Leistungsbegrenzerdiode sollte geringfügig unter diesem Wert liegen, beispielsweise bei ca. 47 Volt.

Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Im "normalen" Betrieb, das heißt, solange keine energiereichen Störimpulse auf die Schaltungsanordnung einwirken, steuert die Steuerschaltung (1) über den Relaistreiber (2) die Relaisspule (3a) an. Das Relais (3) schaltet dementsprechend die Last (5) über die Relaiskontakte (3b) an die Spannungsquelle (6) an bzw. von dieser ab.

Über die Überwachungsleitung (7) kann die Steuerschaltung (1) den Schaltzustand des Relais (3) überprüfen oder auch prüfen, ob ein Verbraucher (5) mit der Schaltungsanordnung verbunden ist. Für den normalen Betrieb ist die Überwachungsleitung (7) jedoch nicht zwingend notwendig.

Die Leistungsbegrenzerdiode (4) hat während einer "normalen" Ansteuerung des Relais (3) keine Wirkung, da sie in Sperrichtung gepolt ist und ihre Durchbruchspannung deutlich über der Nennspannung der Spannungsquelle (6) liegt.

Bei Beendigung der Ansteuerung des Relais (3) leitet die Leistungsbegrenzerdiode (4) den in der Relaisspule (3a) entstehenden Induktionsspannungsimpuls ab und schützt so den Relaistreiber (2) vor diesem Abschaltimpuls.

Vorteilhafterweise wird keine zusätzliche, parallel zur Relaisspule (3a) geschaltete Freilaufdiode benötigt.

Gehen nun von der Spannungsquelle (6) hochgespannte Störimpulse aus, deren Spannungshöhe über dem Wert der Durchbruchspannung der Leistungsbegrenzerdiode (4) liegen, so wird die Leistungsbegrenzerdiode (4) leitend. An der Leistungsbegrenzerdiode (4) und damit auch an dem mit der Leistungsbegrenzerdiode (4) verbundenen Anschluß des Relaistreibers (2) liegt dabei die Durchbruchspannung der Leistungsbegrenzerdiode (4) an, wodurch die am Relaistreiber (2) anliegende Spannung auf einen für den Relaistreiber (2) unschädlichen Wert begrenzt wird und dieser vor Zerstörung geschützt ist.

Da der durch die Leistungsbegrenzerdiode (4) fließende Strom im wesentlichen auch durch die Relaisspule (3a) fließt, könnte es nun ohne eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme zu einem wiederholten Anziehen und Abfallen des Relaisankers kommen:

Der die Relaisspule (3a) durchfließende Strom führt zu einem Anziehen des Relais (3). Über die Relaiskontakte (3b) wird nun die Last (5) an die Spannungsquelle (6) angeschaltet. Durch die erhöhte Belastung der Spannungsquelle (6) werden aber nun die energiereichen Störimpulse, die das Anziehen des Relais (3) bewirken, stark abgeschwächt, so daß das Relais (3) abfällt. Gehen von der Spannungsquelle (6) weiterhin energiereiche Störimpulse aus, so erfolgt ein erneutes Anziehen des Relais (3) und so weiter.

Da mit jedem An- und Abschalten des Relais (3) auch die Last (5) an die Spannungsquelle (6) an- bzw. abgeschaltet wird, kommt es dabei jedesmal zu einer Schaltfunkenbildung oder gar zur Ausbildung eines Lichtbogens, welcher die Relaiskontakte (3b) schädigen oder sogar zerstören kann. Die Ursachen hierfür sind also erstens die Störimpulse und zweitens das durch die Störimpulse bewirkte wiederholte Schalten des Relais (3).

Dieses wird auf einfache, erfindungsgemäße Weise dadurch vermieden, daß die Überwachungsleitung (7) die an der Last (5) anliegende Spannung an die Steuerschaltung (1) gibt.

Stellt die Steuerschaltung (1) aufgrund dieses Spannungswertes fest, daß die Last (5) eingeschaltet ist, ohne daß eine Ansteuerung der Relaisspule (3a) über den Relaistreiber (2) vorliegt, so gibt die Steuerschaltung (1) ein Ansteuerungssignal an den Relaistreiber (2) und schaltet die Relaiskontakte (3b) für eine vorgegebene Zeit ein.

Hierdurch wird für diese vorgegebene Zeit das Relais (3) in einen definierten, nämlich den betätigten Zustand gebracht und so ein "Relaisflattern" wirkungsvoll vermieden.

Gleichzeitig werden die energiereichen Impulse durch das Anschalten der Last (5) an die Spannungsquelle (6) soweit abgeschwächt, daß die Durchbruchspannung an der Leistungsbegrenzerdiode (4) unterschritten wird. Somit wird durch diese Maßnahme auch die Leistungsbegrenzerdiode (4) wirkungsvoll gegen thermische Überlastung geschützt.

Wie groß die vorzugebende Einschaltzeit des Relais (3) gewählt werden kann, hängt selbstverständlich von der Art der Last (5) ab, da die Last (5) beim Auftreten von Störimpulsen kurzzeitig eingeschaltet wird. Sind als Last (5) beispielsweise Glühkerzen in einem Heizungssteuerungsgerät vorgesehen, so dürfte eine solche außerordentliche Ansteuerung der Glühkerzen für ca. eine halbe bis eine Sekunde für die Funktion eines solchen Gerätes unkritisch sein, zumal auch ein wiederholtes Ein- und Ausschalten der Last (5) deren Funktionsfähigkeit negativ beeinflussen kann.

Durch die erfindungsgemäße Schaltungsordnung werden somit beim Auftreten von energiereichen Störimpulsen auf besonders einfache und kostengünstig Weise sowohl der Relaistreiber (2), die Leistungsbegrenzerdiode (4) und auch das Relais (3) sowie dessen Kontakte (3b) wirkungsvoll gegen Zerstörung geschützt.

Bezugszeichenliste

Schaltungsanordnung

1 Steuerschaltung
2 Relaistreiber
3 Relais
3a Relaisspule
3b Relaiskontakte
4 Leistungsbegrenzerdiode
5 Elektrische Last
6 Spannungsquelle (Bordnetz)
7 Überwachungsleitung

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung mit einer Steuerschaltung (1), welche über einen Relaistreiber (2) die Relaisspule (3a) eines Relais (3) ansteuert, mit zum Relais (3) gehörenden Relaiskontakten (3b) zum Anschalten mindestens einer elektrischen Last (5) an eine Spannungsquelle (6), wobei eine Überwachungsleitung (7), die an der elektrischen Last (5) anliegende Spannung an die Steuerschaltung (1) gibt, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Relaisspule (3a) eine Leistungsbegrenzerdiode (4) geschaltet ist, und daß, wenn die Überwachungsleitung (7) der Steuerschaltung (1) ein Spannungssignal zuführt, welches geschlossenen Relaiskontakten (3b) entspricht, und zwar ohne daß eine Ansteuerung der Relaisspule (3a) durch die Steuerschaltung (1) und den Relaistreiber (2) erfolgt, die Steuerschaltung (1) die Relaisspule (3a) für eine vorgegebene Zeit ansteuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (1) als Mikroprozessor ausgeführt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit der typischen Dauer von auf die Schaltungsanordnung einwirkenden Störimpulsen entspricht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeit in der Größenordnung von 0,1 bis 1 Sekunde liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung in einem Kraftfahrzeug Verwendung findet.