Vorrichtung zum Schalten eines Verbrauchers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten eines Verbrauchers, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer zwischen Pluspol und Minuspol einer Spannungsquelle liegenden Reihenschaltung aus einem ersten Schalter und dem Verbraucher, sowie mit einer dem Verbraucher parallel geschalteten Freilaufdiode, und mit einer Schutzschaltung gegen Verpolung der Spannungsquelle

Stand der Technik

Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Schaltungsteile, die in einem Kraftfahrzeug an eine Batteriespannung angeschlossen sind, müssen gegen Überspannungspulse geschützt werden. Werden über ein Steuergerät Verbraucher versorgt, so sind die zur Ansteuerung verwendeten Schaltelemente normalerweise über einen zentralen Überspannungsschutz, wie zum Beispiel mittels einer Freilaufdiode geschützt. Werden Verbraucher von einer nicht-geschützten Spannung versorgt, muss der entsprechende erste Schalter separat geschützt sein oder entsprechend spannungsfest ausgeführt werden. Eine spannungsfeste Ausführung eines Schalters ist jedoch teuer und bedeutet einen höheren elektrischen Widerstand, der oft schaltungstechnisch nicht akzeptabel ist.

Aus der Offenlegungsschrift DE 198 06 31 1 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zum Schalten induktiver Verbraucher bekannt, bei der einem Verbraucher eine Freilaufdiode als Supressordiode parallel geschaltet ist. Dabei ist eine Schutzschaltung gegen eine Verpolung der Spannungsquelle vorgesehen.

Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass parallel zu dem ersten Schalter und der Freilaufdiode eine Halbleiterdiode als Überspannungsschutz geschaltet ist. Die Halbleiterdiode ist somit ebenfalls zwischen Pluspol und Minuspol der Spannungsquelle geschaltet und liegt dabei parallel zu dem ersten Schalter und der Freilaufdiode. Hierdurch wird gewährleistet, dass die den zentralen Überspannungsschutz bildende Halbleiterdiode als Schutzelement wirken kann.

Bevorzugt ist die Halbleiterdiode als Z-Diode oder als Suppressordiode ausgebildet. Die Z-Diode weist einen scharf ausgeprägten Knick und einen steilen Verlauf der Durchbruchkennlinie auf. Z-Dioden sind als Silizium-Dioden ausgebildet, deren gewünschte Kennliniencharakteristik durch eine spezielle Dotierung mit der Zonenfolge n ⁺ np ⁺ erreicht wird. Die Durchbruchspannung und der Leckstrom der Suppressordiode haben - außer bei einem Überspannungsereignis - idealer Weise keinen Einfluss auf die zu schützende Schaltung. Zeckmäßigerweise ist die Freilaufdiode ebenfalls als Halbleiterdiode ausgebildet.

Zweckmäßigerweise ist der erste Schalter als Feldeffekttransistor, insbesondere als MOSFET ausgebildet, der ein einfaches und schnelles Schalten des Verbrauchers zulässt.

Weiterhin ist vorgehsehen, dass der erste Schalter vorteilhafterweise als Low- Side-Schalter ausgebildet ist. Somit schaltet der erste Schalter die negative Betriebsspannung des Verbrauchers. Zusätzlich kann natürlich auch noch ein High- Side-Schalter dem Verbraucher zugeordnet sein, um die positive Betriebsspannung zu schalten.

Schließlich ist vorgesehen, dass die Spannungsquelle als Energiespeicher, insbesondere als wiederaufladbarer Energiespeicher ausgebildet ist. Bei Kraftfahrzeugen wird die Spannungsquelle zweckmäßigerweise von der wiederaufladba- ren Autobatterie gebildet. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Spannungsquelle in Form einer generatorisch arbeitenden elektrischen Maschine einer Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs denkbar.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläu- tert werden. Dazu zeigt die Figur ein vereinfachtes Schaltbild einer vorteilhaften Vorrichtung zum Schalten eines Verbrauchers.

Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild einer vorteilhaften Vorrichtung 1 zum Schalten ei- nes Verbrauchers 2. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Spannungsquelle 3, die von einem wiederaufladbaren Energiespeicher 3 in Form einer Autobatterie 5 gebildet ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine zwischen Pluspol und Minuspol der Spannungsquelle 3 geschaltete Reihenschaltung 6, die von dem Verbraucher 2 und einem ersten Schalter 7 zum Schalten des Verbrauchers 2 gebildet ist. Der Schalter 7 ist vorliegend als Feldeffekttransistor 8, insbesondere als MOSFET 9 ausgebildet. Parallel zu dem Verbraucher 2 ist eine Freilaufdiode 10 geschaltet. In Reihe mit der Freilaufdiode 10 ist weiterhin eine Schutzschaltung 12 geschaltet, die gegen Verpolung der Spannungsquelle 3 wirkt. Insbesondere bewirkt die Schutzschaltung 12, dass bei verpolter Spannungsquelle ein Stromfluss unter- bunden wird. Zwischen Pluspol und Minuspol der Spannungsquelle 3 ist weiterhin eine Halbleiterdiode 13 als Überspannungsschutz angeordnet. Letztendlich ist die Halbleiterdiode 13 somit parallel zu der Freilaufdiode 10 und dem Schalter 7 geschaltet. Der Schalter 7 bildet vorteilhafterweise einen Low-Side-Sch alter 14 für den Verbraucher 2. Zusätzlich kann, wie dargestellt, ein High-Side-Schalter 15 vorgesehen sein, der beispielsweise ebenfalls als Feldeffekttransistor, insbesondere als MOSFET ausgebildet ist. Bevorzugt sind die Schutzschaltung 12, die Dioden 13, 10 sowie der Schalter 7 in ein Steuergerät 16 eines Kraftfahrzeugs integriert ausgebildet, wie durch einen gestrichelten Rahmen angedeutet.

Die Halbleiterdiode 13, die bevorzugt als Suppressordiode 1 1 oder als Z-Diode 17 - wie dargestellt - ausgebildet ist, gewährleistet, dass die Freilaufdiode 10 als Schutzelement in dem Steuergerät 16 wirken kann. Durch die vorteilhafte Schaltung liegt an dem Schalter 7 maximal die Spannung U ₇ = Ui ₃ + Ui ₀ an, wobei Ui ₃ der Spannung der Halbleiterdiode 13 und Ui ₀ der Spannung an der Freilaufdiode 10 entspricht.

Bei einem Nutz-Kraftfahrzeug, das eine Bordnetzspannung von 24V aufweist, ergibt dies typischerweise 58V + 1 V = 59V. Dadurch ist zum Beispiel der Einsatz eines 75V-MOSFET als Schalter 7 über den gesamten zu erwartenden Tempera- turbereich möglich. Die Durchschlagspannung ist bei tiefen Temperaturen niedriger.