Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz elektrischer Verbraucher vor Überspannungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In elektrischen Kfz-Bordnetzen können durch das Abschalten großer elektrischer Verbraucher hohe Überspannungen auftreten. Diese Überspannungen können bei einer Unterbrechung der Verbindung zwischen Batterie und Generator eine Größenordnung von bis zu 100V im Falle eines 12 V-Bordnetzes annehmen. Empfindliche elektronische Schaltungen, wie z.B. Steuergeräte oder Spannungsregler, etc. müssen daher gegen solche Überspannungen geschützt werden. Zu diesem Zweck werden üblicherweise hochbelastbare Zenerdioden-Anordnungen eingesetzt, die im Falle einer Überspannung durchbrechen und die überschüssige Leistung gegen Masse ableiten. Zenerdioden-Anordnungen, die Verlustleistungen von mehreren tausend Watt aufnehmen können, sind jedoch relativ teuer und benötigen wegen der großen Wärmedissipation relativ viel Bauraum. Bekannte Zenerdioden-Anordnungen haben außerdem den Nachteil, dass sie nur wenige Male mit der maximalen Überspannung beaufschlagt werden können, bevor sie zerstört werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Schutz elektrischer Verbraucher vor Überspannungen zu schaffen, die stärker und insbesondere auch häufiger belastbar ist und außerdem weniger Bauraum benötigt.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, die in einem elektrischen Netz auftretenden Überspannungen mittels einer Sensorik zu detektieren und einen spannungsempfindlichen elektrischen Verbraucher, insbesondere ein Steuergerät, mittels eines Schalters, z.B. eines Relais, im Falle einer Überspannung von seiner Spannungsversorgung zu trennen. Eine entsprechend ausgelegte Schaltungsanordnung umfasst daher eine Sensorik zur Detektion von Überspannungen und einen in einer Versorgungsleitung des Verbrauchers angeordneten Schalter (Hauptschalter), der von der Sensorik im Falle einer Überspannung angesteuert wird. Diese Schaltungsanordnung hat den wesentlichen Vorteil, dass sie sehr einfach zu realisieren ist und relativ wenig Bauraum benötigt. Darüber hinaus kann das Relais im Grunde beliebig oft belastet werden.

Die erfindungsgemäße Sensorik umfasst vorzugsweise einen Hauptschalter mit einem Steuereingang und einen mit dem Hauptschalter verbundenen zweiten Schalter, der mit dem Steuereingang des Hauptschalters verbunden ist. Der zweite Schalter dient dabei zum Steuern des Hauptschalters. Bei Vorliegen einer Überspannung erzeugt der zweite Schalter ein Steuersignal, mit dem der Hauptschalter ausgeschaltet wird.

Der Hauptschalter und/oder der zweite Schalter sind vorzugsweise als Transistoren, insbesondere MOS-Transistoren, realisiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Schalter derart mit dem Hauptschalter verschaltet, dass er im Falle einer Überspannung den Steueranschluss und einen Leistungsanschluss des Hauptschalters kurzschließt. Der Hauptschalter wird dadurch nicht-leitend.

Die erfindungsgemäße Sensorik umfasst neben dem zweiten Schalter vorzugsweise auch einen weiteren Schalter (ersten Schalter), der vorzugsweise ebenfalls als Transistor realisiert ist. Der Steuereingang des ersten Schalters ist vorzugsweise mit einer Zenerdioden-Anordnung verbunden, die bei Überschreiten einer vorgegebenen Durchbruchspannung leitend wird. Dadurch ändert sich der Zustand des ersten Schalters z.B. von „leitend" zu „nicht-leitend". Mit dem ersten Schalter können somit Überspannungen, die eine vorgegebene Spannungsschwelle überschreiten, detektiert werden.

Der erste Schalter ist vorzugsweise mit einem Steueranschluss des zweiten Schalters verbunden, so dass auch der zweite Schalter seinen Zustand ändert, wenn der erste Schalter umschaltet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Schalter als ein n-Kanal MOS-Transistor, der zweite Schalter als p-Kanal MOS-Transistor und der Hauptschalter als n-Kanal MOS-Transistor realisiert.

Am Steuereingang des Hauptschalters ist vorzugsweise eine Ladungspumpe angeschlossen, die dazu dient, im eingeschalteten Zustand des MOS-Transistors wenigstens eine Mindestspannung (Gate-Source-Spannung) bereitzustellen.

Am Eingang des elektrischen Verbrauchers kann außerdem eine Hilfs-Energiequelle, wie z.B. ein Kondensator, angeschlossen sein, die den elektrischen Verbraucher vorübergehend mit Leistung versorgt, während der elektrische Verbraucher von eigentlichen Spannungsversorgung abgekoppelt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Schutz elektrischer Verbraucher vor Überspannungen.

1 zeigt einen Teil eines elektrischen Kfz-Bordnetzes mit einer Schaltungsanordnung 2, 3 zum Schutz eines elektrischen Verbrauchers 5 vor Überspannungen. Der elektrische Verbraucher 5, wie z.B. ein Steuergerät oder ein Regler, wird von einer Batterie und einem Generator über eine Versorgungsleitung 7 mit elektrischer Leistung versorgt. Die Batterie-Generator-Anordnung 1 ist hier als eine Spannungsquelle 8 mit einer vorgegebenen Spannung U_B und einem Innenwiderstand 9 (R_i) dargestellt.

Die Schaltungsanordnung 2, 3 zum Schutz des elektrischen Verbrauchers 5 umfasst im Wesentlichen eine Sensorik 2 zur Detektion von Überspannungen auf der Versorgungsleitung 7 und eine Relaisanordnung 3 mit einem Schalter 20 (Hauptschalter), mittels dessen der Verbraucher 5 im Falle einer Überspannung von der Spannungsversorgung 1 getrennt werden kann.

Die Sensorik 2 umfasst einen ersten Schalter 14, der hier als n-Kanal MOS-Transistor, sowie einen damit verbundenen zweiten Schalter 17, der als p-Kanal MOS-Transistor realisiert ist. Der Drain-Anschluss des ersten Schalters 14 ist mit dem Gate-Anschluss G des zweiten Schalters 17 verbunden. Am Gate-Anschluss G des ersten Schalters 14 ist eine Zenerdioden-Anordnung angeordnet, die aus einer Zenerdiode 10 (Z₁) und einem Spannungsteiler 11, 12 (R₁, R₂) besteht. Wenn die Netzspannung U_e eine vorgegebene Spannungsschwelle überschreitet, bricht die Zenerdiode 10 durch und wird in Rückwärtsrichtung leitend. Dies bewirkt, dass der MOS-Transistor 14, der zuvor ausgeschaltet war, ebenfalls in den leitenden Zustand übergeht. Zum Schutz des MOS-Transistors 14 ist zwischen dessen Gate-Anschluss (G) und Source-Anschluss (S) eine weitere Zenerdiode 15 (Z₂) angeordnet. Wenn der MOS-Transistor 14 leitend wird, fällt das Drain-Potential auf das Referenzpotential (Masse), so dass auch der zweite Schalter 17 in den leitenden Zustand übergeht.

Um den elektrischen Verbraucher 5 vor Überspannungen schützen zu können, muss die Zenerdiode 10 entsprechend der Spannungsfestigkeit des angeschlossenen Verbrauchers 5 dimensioniert sein.

Der Source-Anschluss des zweiten Schalters 17 ist mit dem Gate-Anschluss (G), und der Drain-Anschluss (D) mit dem Source-Anschluss (S) des Hauptschalters 20 verbunden. Sobald der zweite Schalter 17 in den leitenden Zustand übergeht, wird die Gate-Source-Strecke des Hauptschalters 20 kurzgeschlossen, wodurch dieser sperrt und somit den elektrischen Verbraucher 5 von der Spannungsversorgung 1 abkoppelt.

Der zweite Schalter 17 bleibt so lange leitend, bis die Energie der kurzgeschlossenen Gate-Source-Strecke des Hauptschalters 20 abgebaut ist.

Danach geht der zweite Schalter 17 wieder in den nicht-leitenden Zustand über. Der Hauptschalter 20 bleibt jedoch weiterhin im gesperrten Zustand, da das Gate des Hauptschalters 20 über einen niederohmigen Pfad mit einem Widerstand 10 (R₃) und dem ersten Schalter 14 weiterhin auf Referenzpotential (Masse) liegt. Dadurch wird verhindert, dass der Hauptschalter 20 wieder in den leitenden Zustand übergeht. Erst wenn die Überspannung auf der Versorgungsleitung 7 die Durchbruchspannung U_Z der Zenerdiode 10 wieder unterschritten hat, geht der Hauptschalter 20 wieder in den leitenden Zustand über.

Die Relaisanordnung 3 umfasst ferner eine Ladungspumpe 18, 19, die im leitenden Zustand des Hauptschalters 20 die notwendige Gate-Source-Spannung bereitstellt, um den Hauptschalter 20 im Normalbetrieb im leitenden Zustand zu halten. Die Spannungspumpe ist dabei als Spannungsquelle 18 (U_G) mit einem Innenwiderstand 19 (R₄) dargestellt.

Um den elektrischen Verbraucher 5 während der Zeit, in der der Hauptschalter 20 ausgeschaltet ist, weiterhin mit elektrischer Leistung zu versorgen, ist eine Hilfs-Spannungsquelle 4 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Speicherkondensator 22 realisiert ist. Der Kondensator 22 versorgt den Verbraucher 5 während der Abschaltzeit des Hauptschalters 20 mit elektrischer Energie.

Als zusätzliche Maßnahme zur Vermeidung eines Ausfalls des Verbrauchers 5 kann beispielsweise auch der Betrieb des Verbrauchers 5 vorübergehend eingeschränkt werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Verbraucher 5, wie z.B. ein Steuergerät, nur in begrenztem Funktionsumfang arbeitet oder z.B. gar kein Zugriff mehr auf den Verbraucher von außen vorgenommen werden kann.

Die dargestellte Schaltungsanordnung 2, 3 hat insbesondere den Vorteil, dass sie sehr zuverlässig arbeitet und im Grunde beliebig oft belastbar ist.