DE2805018B2

DE2805018B2 - Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Gerätes gegen Überlastung

Info

Publication number: DE2805018B2
Application number: DE19782805018
Authority: DE
Inventors: Walter 4770 Soest Knittel
Original assignee: Westfaelische Metall Industrie KG Hueck and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1978-02-06
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE2805018C3; FR2416581B1; GB2014002A; DE2805018A1; FR2416581A1; GB2014002B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Gerätes gegen Überlastung mit einem unter Wirmebelastung seinen Widerstand verändernden Halbleiter-Bauelement, das in engem thermischem Kontakt zu einem anderen Bauelement dessen Erwärmung für die des elektrischen Gerätes kennzeichnend ist, angeordnet ist und dessen Widerstandsänderung zu einer Abschaltung des Gerätes führt

Aus der DE-AS 1513057 ist ein derartiges Gerät bekanntgeworden. Dort ist zwischen dem zu schützenden Gerät und der Betriebsspannungsquelle eine *o elektronische Sicherung eingeschaltet, die beim Auftreten eines Überstroms in dem Gerat die Betriebsspannung ohne Potentialtrennung selbsttätig abschaltet. Diese elektronische Sicherung enthält einen Steuertransistor mit einem ausgeprägten Schwellwert in der Basis-Emitterkennlinie sowie einen Stelltransistor, der mit einem Kaltleiter gut wärmeleitend verbunden ist. Eine derartige elektronische Sicherung weist einen verhältnismäßig aufwendigen Aufbau auf und hat weiter den Nachteil, daß sie nur auf den Überstrom des gesamten zu schützenden Gerätes anspricht und die eigentliche Fehlerursache, z.B. ein einzelnes Bauelement in der Schaltungsanordnung des Gerätes, nicht zu berücksichtigen vermag.

Ferner ist aus der DE-AS 24 58 880 eine ÜberstromschutzschaJtungssaordnung für zwei Transistoren eines Verstärkers bekanntgeworden, bei der RichtleTier zur Temperaturerfassiing verwendet sind, und bei der ein Schutz vor Überströmen durch Strombegrenzung vorgesehen ist Eine (zumindest zeitweilig wirksame) Stromabschaltung ist nicht vorgesehen.

Auch die Verwendung von temperaturabhängigen Halbleiterelementen, insbesondere solche mit negativen Temperaturkoeffizienten zur Temperaturüberwachung in elektrischen Geräten, ist an sich bekannt so z. B. aus der DE-AS11 92316.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art und hat zum Ziel, derartige Vorrichtungen insbesondere zu vereinfachen und eine Lösung der Aufgabe zu schaffen, ausgehend von einem besonders gefährdeten Bauelement gezielt dieses Bauelement und damit das gesamte Gerät zu schützen.

Dementsprechend ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet daß als Halbleiterbauelement ein Richtleiter verwendet ist daß der Richtleiter so eingefügt und bemessen ist, daß er bei normaler Beanspruchung des zu schützenden Gerätes einen normalen Sperrstrom führt und daß der Anstieg des Sperrstromes infolge Erwärmung des zu schützenden Gerätes die Abschaltung bewirkt Vorzugsweise ist als Richtleiter eine Siliziumdiode vorgesehen. Bei der Abschaltung kann es sich sowohl um eine Dauerabschaitung als auch um eine kurzzeitige Abschaltung handeln.

Bei dem zu schützenden Bauelement kann es sich um einen Widerstand, beispielsweise einen Meßwiderstand handeln oder z. B. um einen Leistungstransistor, einen Thyristor oder dergleichen. Ais Rieht fei »er im Sinne der Erfindung ist praktisch jedes Halbleiter-Bauelement insbesondere jedes einkristalline Festkörper-Halbleiter-Bauelement geeignet das einen Sperrstrom zu führen vermag. Vorzugsweise ist eine Siliziumdiode vorgesehen. Es sind aber auch andere Dioden geeignet oder z. B. als Diode geschaltete Transistoren und dergleichen.

In den Zeichnungen sind in F i g. 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt aus denen weitere Einzelheiten und Vortei'e hervorgehen.

F i g. 1 zeigt einen elektronischen Blinkgeber für Kraftfahrzeuge in der Art eines astabilen Multivibrators mit einem Relais, das den Blinklampenstromkreis schaltet Der Blinkgeber besteht aus den drei Transistoren Tt, T2und T3,den Kondensatoren Cl und C2und den Widerständen Al, R 2, R4, R5, R7 und R8. Das Retais liegt im Kollektorstromkreis des Transistoren Tt. Sein Kontakt a schaltet den Blinklampenstromkreis, der den Fahrtrichtungsschalter 5und die Blinklampen B enthält die mit Masse, also dein negativen Pol des Bordnetzes verbunden sind.

Bei nach links oder rechts eingeschaltetem Fahrtrichtungsschalter 5 wird also die jeweilige Blinklampengruppe durch den Relaiskontakt a pulsierend mit dem positiven Pol des Bordnetzes verbunden. In der Verbindungsleitung vom Pluspol zu den Blinklampcn liegt zwischen Pluspol und dem Relaiskontakt a ein Meßwiderstand R 6, dessen Spannungsabfall in bekannter Weise zur Kontrolle der Blinklampenfunktion

benutzt werden kann. Bei Belastung mit zwei Blinklampen zeigt der Spannungsabfall eine bestimmte Größe, die ein normales Arbeiten des Biinkgebers bewirkt, während bei vermindertem Strom, beispielsweise bei Belastung mit nur einer Blinklampe, der entsprechend verminderte Spannungsabfall dafür sorgt, daß der Blinkgeber beispielsweise mit etwa doppelt so hoher Frequenz schwingt und damit dem Kraftfahrzeugführer anzeigt, daß eine Blinklampe ausgefallen ist

Ein derartiger Meß widerstand muß so bemessen sein, ι ο daß er die Blinklampenfunktion nicht behindert Sein Spannungsabfall muß ;also sehr gering sein, das heißt, er muß sehr niederchmig ausgelegt sein. Ferner ist er häufig so ausgelegt, daß er in der Wärmebelastung den pulsierenden Strom der Blinklampen verträgt, bei Dauerbelastung mit dem Blinklampenstrom oder einem höheren Strom zerstört werden würde. Insbesondere auch ein Kurzschluß im Blinklampenstromkreis kann zur Zerstörung des Meßwiderstandes R 6 führen, und dies selbst dann, wenn durch das Ansprechen von Schmelzsicherungen andereJTefle der übrigen Schaltungsanordnung unbeointräch tigt bleiben würden.

Wie aus Fig.1 heivorgeht, ist eine Diode GrI so angeordnet, daß sie in Sperrichtung belastet ist Sie liegt mit ihrer Kathode aim PIuspoL Der normal fließende Sperrstrom beeinflußt die Blinkgeberanordnung nicht

Die Diode Gr2, bei der es sich um eine Siliziumdiode handeln kann, befindet sich in engem thermischem Kontakt mit dem Widerstand R 6, was durch die gemeinsame Umrahmung gekennzeichnet werden soll. Der für gewöhnlich sehr niederohmig ausgeführte Meßwiderstand kann z. B. in der Form eines Bandwiderstandes ausgebildet sein, der gewellt ist In einer der Wellen des Blechbandes kann dann die Diode angebracht sein, z. B. mit Hilfe eines wärmeleitenden J5 Kittes eingekittet sein. Die Diode kann selbstverständlich auch in jeder anderen geeigneten Weise gut wärmeleitend mit dem Meßwiderstand R 6 verbunden sein.

Wie aus F i n. 1 hervorgeht, ist die Diode Gr 2 in der Schaltungsanordnung so angeordnet, daß bei einem merklichen Anstieg des Sperrstromes unter dem Einfluß der Erwärmung des Meßwiderstandes RS die Basis des Transistors Ti mit dem Pulspol verbunden wird, weil der Anstieg des Sperrstromes wie ein Kurzschluß wirkt Der Widerstand R2 wird vollständig überbrückt Man kann die Schaltungsanordnung leicht so auslegen, daß zwischen Raumtemperatur und einer vorgewählten Temperaturgrenze von etwa 100⁰C der Sperrstrom keine Wirkung auf die Schaltung ausübt, während so infolge der exponentiell Abhängigkeit des Sperrstromes von der Temperatur bei einer erhöhten Temperatur von etwa 150⁰C ein um den Faktor 10⁴ gegenüber Raumtemperatur erhöhter Sperrstrom auftritt, der die gewünschte Wirkung hat

Die Verbindung der Basis des Transistors Vl durch den erhöhten Sperrstrom mit dem positiven Pol des ICraftfahrzeugbordnetzes hat zur Folge, daß der Multivibrator in der Dunkelphase stehenbleibt daß also das Relais nicht mehr anzieht und der Kontakt a nicht mehr geschlossen wird. Bevor der Meßwiderstand R 6 infolge Stromanstieg zerstört werden kann, wird also infolge der ansteigenden Temperatur des Meßwiderstandes und der mit ihm im Wärmekontakt befindlichen Diode Gr2 die elektrische und damit die Wärmebela- ^ stung des Widerstandes R 6 beseitigt.

Da die zerstörenden Wirkungen für das zu schützende Bauelement im allgemeinen nur von der Wärmewirkung des elektrischen Stromes ausgehen, genügt häufig eine zeitliche Abschaltung der Schaltungsanordnung. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung einer Schutzvorrichtung mit Hilfe eines in Sperrichtung gepolten Richtleiters, der in wärmeleitendem Kontakt mit dem zu schützenden Bauelement ist, tritt die zeitweise Abschaltung nahezu selbsttätig ein, da bei einer Abkühlung des zu schützenden Bauelements auch der Richtleiter abkühlt, womit sein Sperrstrom sinkt und die abschaltende Wirkung nicht mehr aufrechterhalten kann. Dies ist besonders wichtig bei nur kurzzeitig auftretenden Kurzschlüssen, also z. B. einem Kurzschluß In der Glühlampenfassung bei zufälliger Berührung durch den Glühlampensockel beim Einsetzen einer Glühlampe, da in diesem Fall nach der selbsttätigen Wiedereinschaltung das Gerät vollkommen in Ordnung ist und eine dauernde Abschaltung deshalb vollkommen unerwünscht ist

Beim Ausführuiigsbeispiel gemäß Fig. 1, das heißt einem elektronischen Blinkgeber, besteht die Möglichkeit, die Siliziumdiode Gr 2 und die «öderen Teile der Schaltung so zu dimensionieren, daß kein dauerndes Stehenbleiben des Blinkgebers in der Dunkelphase bewirkt wird, sondern lediglich eine starke Verlängerung der Dunkelphase, also der Blinkpause. Für gewöhnlich wird das Verhältnis von Hellphase zu Dunkelphase etwa 1 :1 gewählt, wodurch bei der üblichen Blinkfrequenz eine für das Auge deutlich unterscheidbare Blinkfolge erkennbar wird. Durch die abschaltende Wirkung des Richtleiters im Falle einer Erwärmung über das vorgesehene Maß hinaus wurde bei durchgeführten Versuchen bewirkt, daß die Dunkelphase nicht etwa 50% einer Blinkphase, sondern mehr als 90% einer Blinkphase einnahm, während die Hellzeit erheblich verkürzt wurde. Hierdurch wird eine derartige Abkühlung des Meßwiderstandes erreicht daß dieser unzerstört bleibt, obgleich er dennoch kurzzeitig mit dem Kurzschlußstrom beaufschlagt wird. Nach mehreren Blinkfolgen ist ein gewisses Gleichgewicht zwischen der Wärmeerzeugung und der Wärmeabführung hergestellt, die zu einem stabilen Verhältnis zwischen Dunkelphase und Hellphase trotz jeweiliger Abschaltung durch den Richtleiter Gr 2 führt, solange die Störung bestehenbleibt

Fig.2 zeigt ein anderes Ausführungrsbeispie! der Erfindung, bei dem mit besonderem Vorteil von den Vorzügen der Erfindung Gebrauch gemacht werden kann. Es handelt sich ebenfalls um einen elektronischen Blinkgeber, der im wesentlichen aus einem astabilen Multivibrator MV besteht, der ein Relais A steuert das zwei Schaltkontakte al und a2 besitzt Auch hier dienen ein Fahrtrichtungsschalter 5 und Blinklampen BL zur Vervollständigung des Blinksystems. Ein Me3witiei*siand RM ist in den Blinklampenstromkreis gelegt Der Spannungsabfall an diesem Meßwiderstznd RM kann in bekannter Weise zum Eingriff in den Multivibrator MV dienen, z. B. damit durch schnelleres Blinken der Ausfall einer Blinklampe angezeigt wird.

Wie in der deutschen Patentschrift 22 46 490 dargestellt, sind die zwei Kontakte a 1 und a 2 des Relais A so aufgebaut, daß der Relaiskontakt al kurzzeitig nach dem Relaiskontakt a 1 schließt, wenn das Realis A anzieht Dies hat zur Folge, daß der Meßwiderstand RM jeweils nur kurzzeitig mit dem Blinklampenstrom belastet wird, und drß umgekehrt der Blinklampenstromkreis nur kurzzeitig mit dem Meßwiderstand belastet ist. Dies führt dazu, daß der Meßwiderstand RM höher dimensioniert werden kann, da bei seiner

Dimensionierung nicht auf den ßlinklampenstromkreis Rücksicht genommen werden muQ.

Da dieser besonders kurzzeitig belastete Meßwiderstand RM entsprechend dimensioniert ist, also nur sehr kurzzeitig die an ihm auftretende Belastung vertragen kann, ist er besonders durch Überlastung gefährdet. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 wird deshalb in engem thermischem Kontakt mit dem Meßwiderstand ÄMeine in Sperrichtung gepolte Diode D, zweckmäßig eine Siliziumdiode, angebracht, die in den Multivibratorstromkreis MV eingreifen kann. Zwecks deutlicherer Darstellung ist ein Widerstand R 2 des Multivibratorstromkreises gesondert herausgezeichnet. Ein Kondensator C dient zur Glättung der Spannung des Kraftfahrzeugbordnetzes.

Beim Arbeiten des Blinkgebers zieht das Relais A abwechselnd an und fällt ab, wobei jeweils beim Anziehen der Relaiskontakt a 1 eher schließt als der Relaiskonlakl a 2. Kurzzeitig liegt also der Meßwider-Stand RM im Blinklampenstromkreis und wird dann durch den Kontakt a 2 überbrückt Der Blinklampenstrom wird also nur kurzzeitig geschwächt, bei jedem Blinktakt tritt aber dennoch ein der jeweiligen Lampenlast entsprechender Spannungsabfall am Meßwiderstand RM auf und zur geeigneten Beeinflussung der Blinkgeberanordnung genutzt werden. Bei einem Kurzschluß im Biinkiampenstromkreis hingegen, oder auch in dem Falle, daß der Relaiskontakt a 2 nicht schließt, der Meßwiderstand also den vollen Blinklampenstrom während der gesamten Hellzeit des Blinkgebers führen müßte, bewirkt die Erwärmung des Meßwiderstandes Rb Ieine Abschaltung des Multivibrators MV über den erhöhten Sperrstrom des Richtleiters D.

s Die Erfindung ist nicht nur auf elektronische Blinkgeber, wie in den Ausführung.sbeispielen dargestellt, beschränkt. Sie kann auch z. B. bei Steuerungen für Kraftfahrzeug-Zusatzheizungen angewendet werden oder bei Steuerungen für Streuscheibenwaschanlagen für Kraftfahrzeuge. In beiden Fällen liegen mit den darin enthaltenen oder dadurch gesteuerten Elektromotoren empfindliche Geräte vor, die z. B. bei ihrem Festbremsen durch erhöhte Stromaufnahme zerstört werden. Auch hier können Meßwiderstände in der Stromzuführung angeordnet und mit in Sperrichtung betriebenen Richtleitern in Wärmekontakt gebracht werden, über die dann ein entsprechender Eingriff in die Steuerung vorgenommen werden kann, die eine Abschaltung Her gesamten .Schaltungsanordnung bewirkt. Die Abschaltung kann vollständig sein, so daß eine Neueinschaltung nur von Hand erfolgen kann, oder es kann auch eine kurzzeitige Abschaltung vorgesehen sein. Insbesondere bei nur für Kurzzeitbetrieb vorgesehenen Motoren, wie in einer Streuscheibenwascheinrichtung, kann bereits eine Dauerbelastung infolge einer Fehlschaltung zn Dauerschäden führen. Hier genügt dann häufig eine kurzzeitige Abschaltung zur Vermeidung v»n Zerstörungen. Selbstverständlich können auch gesonderte Triggerschaltungen zur dauernden Abschal-

jo tung vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

ι Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Schutz eines elektrischen Glerätes gegen Überlastung mit einem unter Wärmebelastung seinen Widerstand verändernden Halbleiterbauelement, das in engem thermischem Kontakt zu einem anderen Bauelement, dessen Erwärmung für die des elektrischen Gerätes kennzeichnend ist, angeordnet ist und dessen ι ο Widerstandsänderung zu einer Abschaltung des Gerätes führt, dadurch gekennzeichnet,

daß als Halbleiterbauelement ein Richtleiter (Gr 2 bzw. D) verwendet ist,

daß der Richtleiter (Gr 2 bzw. D) so eingefügt und bemessen ist, daß er bei normaler Beanspruchung des zu schützenden Gerätes einen normalen

Sperrstrom führt, und

daß der Anstieg des Sperrstroms infolge Erwärmung des zu schützenden Gerätes die Abschaltung

bewirkt (..)

2. Vorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Richtleiter eine Siliziumdiode vorgesehen ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, verwendet bei einem elektronischen Blinkgeber für Kraftfahrzeuge, bei dem ein MeßwiderstanJ (R 6) im Blinklampenstromkreis vorgesehen ist, dessen Spannungsabfall zur Frequenzumschaltung des Blinkgebers dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtleiter (Gr 2) w in thermischem Kontakt mit dem Meßwidersiand (R 6) angebracht und so geschaltet ist, daß er den Blinkgeber in der Duntolphasc 'esthält

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstan?" (R 6 bzw. RM) als Bandwiderstand ausgebildet ist und daß der Richtleiter (Gr 2 bzw. D) in einer Falte des Bandwiderstandes angebracht ist

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtleiter auf den Meßwiderstand *o aufgekittet ist

6. Vorrichtung n*ch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtleiter so in die Schaltung des Blinkgebers eingefügt ist daß die Dunkelphase verlängert und die Heüphase verkürzt ist «