Elektronischer Schutzschalter und Verfahren zu dessen Betrieb

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schutzschalter und ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Strombegrenzende elektronische Schutzschalter weisen typischerweise einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) als ein Halbleiterschalter, also einem Element mit variablem elektrischen Widerstand auf, um einen durch einen Verbraucher fließenden Strom (Verbraucherstrom) in einem Störfall, wie beispielsweise einem Kurzschluss oder einer Überlast, konstant zu halten.

Insbesondere wird dabei der MOSFET mit einer vergleichsweise schnell schaltenden Strombegrenzungsschaltung gekoppelt, um eine Konstantstromquelle zu realisieren. Insbesondere vergleicht die Strombegrenzungsschaltung den nachfolgend auch als Verbraucherstrom bezeichneten Laststrom, insbesondere dessen Stromstärke, mit einem vorgegebenen Soll-Wert, und ändert die Gate-Spannung des MOSFETS entsprechend, um den Stromfluss, insbesondere den Verbraucherstrom, konstant zu halten.

Typischerweise ist die Stromstärke des Verbraucherstroms geringer als der vorgegebene Soll-Wert. Aufgrund dessen nimmt die Gate-Spannung zu, so dass der MOSFET gesättigt ist. Im Störfall wird der Verbraucherstrom mittels der Strombegrenzungsschaltung begrenzt. Beispielsweise zeigt Fig. 1 einen zeitlichen Verlauf eines Verbraucherstroms gemäß diesem Stand der Technik, wobei zum Zeitpunkt t = 0 ein Kurzschluss stattfindet. Der Verbraucher-/Laststrom ist hier mit ld bezeichnet. Dabei vergeht, insbesondere bedingt durch die Bauart der Strombegrenzungsschaltung, eine endliche (Reaktions-)Zeit zwischen dem Einsetzen des, insbesondere in der Last auftretenden, Störfalls und der Ausgabe eines Schaltsignals bzw. eines Steuersignals. Diese Verzögerung äußert sich bei Einsetzen des Störfalls als eine Stromspitze des Verbraucherstroms. Dabei weist der Verbraucherstrom bei einem Kurzschluss beispielsweise eine Stromstärke von mehreren Hundert Ampere auf, wobei eine zeitliche Dauer der Stromspitze insbesondere von der Reaktionszeit der Strombegrenzungsschaltung abhängt. Beispielsweise fällt der MOSFET bei einer vergleichsweise langsamen Reaktionszeit der Strombegrenzungsschaltung aus, und es können wie in Fig. 2 dargestellt, zusätzlich Störungen der Versorgungsspannung der Stromquelle bzw. der Eingangsspannung hervorgerufen werden, welche in Fig. 2 als„Input Voltage" bezeichnet ist.

Insbesondere ist eine Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit der Strombegrenzungsschaltung mit der Verwendung vergleichsweise kostenaufwändiger Komponenten verbunden und reduziert eine Stabilität des Regelkreises (der Strombegrenzungsschaltung). Aufgrund dessen oszilliert beispielsweise das von der Strombegrenzungsschaltung ausgegebene Signal und somit der Laststrom bei einer sich ändernden Lastbedingung insbesondere unerwünscht.

Um strombegrenzende elektronische Schutzschalter bei vergleichsweise unterschiedlichen Lastbedingungen verwenden zu können, werden typischerweise eine Strombegrenzungsschaltung, insbesondere mit einer hinreichenden Reaktionszeit, sowie ein MOSFET verwendet, welcher den Stromspitzen ausreichend Rechnung trägt. Insbesondere tritt dabei jedoch weiterhin eine Instabilität im Regelkreis auf. Des Weiteren kann der MOSFET überdimensioniert ausgelegt werden, was nachteilig wiederum Kosten erhöht.

Der Erfindung liegt die Erfindung zugrunde, einen geeigneten elektronischen Schutzschalter anzugeben, mittels welchem eine Lastgegen eine Überklast oder einen Kurzschluss geschützt ist. Zudem soll ein Verfahren zudessen Betrieb angegeben werden. Diese Aufgabe wird bezüglich des elektronischen Schutzschalters erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem elektronischen Schutzschalter sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.

Hierzu umfasst der Schutzschalter einen ersten Halbleiterschalter, der in einem Strompfad zwischen einem Spannungseingang und einem Lastausgang geschaltet ist, und eine mit dem Steuereingang des ersten Halbleiterschalters verbundene Steuervorrichtung. Dabei ist der erste Halbleiterschalter in Abhängigkeit eines der Steuervorrichtung zugeführten Ist-Wertes des Laststroms angesteuert. Zudem ist die Steuervorrichtung dabei zur Strombegrenzung sowie zum Abschalten des ersten Halbleiterschalters, also zur stromsperrenden Schalten (Stromsperrung) des Halbleiterschalters, eingerichtet.

Vorzugsweise weist der elektronische Schutzschalter zur Erfassung des Laststroms, insbesondere dessen Stromstärke, und zur Bereitstellung des Ist-Wertes des Laststroms einen Stromsensor auf, der in den Strompfad geschaltet ist. geeigneterweise ist der Stromsensor dabei in Serie zum ersten Halbleiterschalter in den Strompfad geschaltet. Vorzugsweise gibt der Stromsensor den Ist-Wert, welcher insbesondere den Laststrom repräsentiert, der Steuervorrichtung als eine Spannung oder als einen Spannungswert zu.

Mit anderen Worten weist die Steuervorrichtung eine Einrichtung und/oder eine Schaltung zur Strombegrenzung sowie eine Einrichtung und/oder eine Schaltung zum Abschalten bzw. zur Stromsperrung des ersten Halbleiterschalters auf. Mit anderen Worten wird insbesondere der Laststrom mittels der Einrichtung und/oder der Schaltung zur Strombegrenzung, insbesondere aktiv, d.h. mittels eines Steuervorgangs, beschränkt (begrenzt). Insbesondere wird des Weiteren mittels der Einrichtung und/oder der Schaltung zum Abschalten und/oder zur Stromsperrung des Laststroms bei Bedarf im Störfall der Laststrom, gesperrt, d.h. der Stromkreis wird unterbrochen, so dass ein Strom mittels des Abschaltens und/oder der Stromsperrung verhindert ist.

Der erste Halbleiterschalter wird also in Abhängigkeit eines den Laststrom repräsentierenden Ist-Wertes, welcher insbesondere vom Stromsensor bestimmt und ausgegeben wird, angesteuert. Dabei wird der Ist-Wert der Steuervorrichtung, der Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung und/oder der Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten zugeführt. Die Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung und/oder die Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten ist dabei zweckmäßigerweise ausgangsseitig mit dem Steuereingang des ersten Halbleiterschalters verbunden.

Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die Steuervorrichtung eine Steuereinheit auf. Beispielsweise ist die Steuereinheit als ein der Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung und der Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten gemeinsames Bauteil ausgeführt. Alternativ weist die Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung und die Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten jeweils eine Steuereinheit auf. Beispielsweise ist die Steuereinheit ein Mikrokontroller, vorzugsweise ein Mikroprozessor.

Vorzugsweise vergleicht die Steuervorrichtung bzw. die Steuereinheit den dieser zugeführten Ist-Wert mit einem vorgegebenen, vorgebbaren, eingestellten und/oder einstellbaren Maximalwert. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung gibt die Steuervorrichtung bzw. die Steuereinheit bei Überschreiten des Maximalwertes durch den Ist-Wert ein Signal, insbesondere ein Abschaltsignal, an die Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten des ersten Halbleiterschalters, im Folgenden kurz als„Abschaltschaltung" bezeichnet, und alternativ oder vorzugsweise zusätzlich an die Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung des ersten Halbleiterschalters, im Folgenden kurz als„Strombegrenzungsschaltung" bezeichnet, aus. Der Maximalwert repräsentiert dabei insbesondere einen Schwellenwert, bei dessen überschreiten ein Kurzschlussfall angenommen ist bzw. vorliegt. Mit anderen Worten repräsentiert der Maximalwert einen Kurzschlussstrom. In vorteilhafter Ausgestaltung wird der Steuervorrichtung bzw. der Strombegrenzungsschaltung eingangsseitig der Ist-Wert zugeführt. Zusätzlich wird der Strombegrenzungsschaltung eingangsseitig, insbesondere von der Steuereinheit, ein Nominal-Soll-Wert zugeführt, welcher der Steuervorrichtung, insbesondere der Steuereinheit, vorgegeben, vorgebbar und/oder an der Steuervorrichtung bzw. an der Steuereinheit, eingestellt und/oder einstellbar ist. Der Nominal-Soll-Wert repräsentiert dabei insbesondere einen Betrag einer Stromstärke, auf welche der Laststrom bei Strombegrenzung begrenzt ist bzw. wird.

In geeigneter Weiterbildung ist oder wird der erste Halbleiterschalter, insbesondere mittels der Strombegrenzungsschaltung, in Abhängigkeit des Ist-Wertes und des Nominal-Soll-Wertes strombegrenzend angesteuert. Insbesondere wird der erste Halbleiterschalter bei Überschreiten des Nominal-Soll-Wertes durch den Ist- Wert strombegrenzend angesteuert, auch sofern der Maximalwert l _sh0 rt nicht überschritten ist.

Hierzu weist die Strombegrenzungsschaltung ein Einsteilglied auf. Dabei wird bzw. ist insbesondere dem Einsteilglied eingangsseitig der Nominal-Soll-wert, insbesondere von der Steuervorrichtung, vorzugsweise von der Steuereinheit, zugeführt und/oder zuführbar. Des Weiteren gibt das Einsteilglied ausgangsseitig einen Soll- Wert aus. Mit anderen Worten wird hier mittels des Einstellglieds ein sich aus dem Nominal-Soll-Wert ergebender Soll-Wert ausgegeben. Insbesondere wird der erste Halbleiterschalter in Abhängigkeit dieses Soll-Werts und des Ist-Wertes, insbesondere einer Differenz des Soll-Wertes und des Ist-Wertes, strombegrenzend angesteuert.

In zweckmäßiger Ausgestaltung weist das Einsteilglied einen Kondensator auf, wobei beispielsweise die an diesem anliegende Spannung als Ausgangssignal des Einstellglieds dient. Dieser Kondensator ist über einem Schalter in einer ersten Schalterstellung mit der Steuervorrichtung insbesondere zur Zuführung des Nominal-Soll-Werts bzw. einen diesen repräsentierenden Spannungswert, gekoppelt. In einer zweiten Schalterstellung wird bzw. ist der Kondensator entladen, wo- zu der Kondensator mittels des Schalters in der zweiten Schalterstellung beispielsweise auf ein Bezugspotenzial, beispielsweise Ground, gelegt ist.

Zusammenfassend ist mittels des Schalters eine am Kondensator anliegende Spannung entsprechend geändert oder änderbar, welche als das Ausgangssignal des Einsteilglieds herangezogen wird.

Des Weiteren weist die Strombegrenzungsschaltung in vorteilhafter Weiterbildung einen Operationsverstärker auf. Dabei ist an dessen ersten Eingang das Einsteilglied zum Zuführen des Soll-Werts angeschlossen und an dessen zweiten Eingang, beispielsweise dessen invertierenden Eingang, ist der Ist-Wert zugeführt. Alternativ ist am zweiten Eingang der Nominal-Soll-Wert zugeführt, insbesondere sofern die Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung kein Einsteilglied aufweist. Mittels des Operationsverstärkers wird in geeigneter Ausgestaltung ein Steuersignal Steuersignal zum Ansteuern des Halbleiterschalters, insbesondere eine Differenz aus dem Soll-Wert und dem Ist-Wert gebildet, welches insbesondere zur Strombegrenzung dient. Beispielsweise kann zusätzlich ein gegenkoppelnder Kondensator an den Operationsverstärker unter Bildung eines Integrators (Integrierers) geschaltet sein, wobei dann insbesondere ein Steuersignal aus einem Integral der Differenz über die Zeit gebildet wird.

Vorzugsweise wird der Steuervorrichtung bzw. der Steuereinheit eine an der Last anliegende Spannung (Lastspannung), oder alternativ ein die Lastspannung repräsentierendes Lastspannungssignal, zugeführt. Beispielsweise kann mittels der Lastspannung bzw. dem Lastspannungssignal und dem der Steuervorrichtung bzw. der Steuereinheit zugeführten Ist-Wert eine der Last zugeführte Leistung bestimmt werden.

Vorzugsweise weist die Steuervorrichtung, die Strombegrenzungsschaltung und/oder die Abschaltschaltung einen zweiten Halbleiterschalter auf. Beispielsweise ist der zweite Halbleiterschalter als ein der Strombegrenzungsschaltung und der Abschaltschaltung gemeinsames Bauteil ausgebildet. Vorzugsweise ist dieser zweite Halbleiterschalter dabei als ein pnp-Bipolartransistor ausgeführt. Vorzugweise ist der zweite Halbleiterschalter des Weiteren ausgangsseitig der Steuervorrichtung, der Strombegrenzungsschaltung und/oder der Abschaltschaltung angeordnet und an den Steuereingang des ersten Halbleiterschalters angeschlossen. Beispielsweise ist der zweite Halbleiterschalter emitterseitig (ausgangsseitig) an den Steuereingang des ersten Halbleiterschalters angeschlossen. Insbesondere bildet der Ausgang des zweiten Halbleiterschalters somit einen Ausgang der Strombegrenzungsschaltung bzw. der Abschaltschaltung. Sofern der zweite Halbleiterschalter als ein der Strombegrenzungsschaltung und/oder der Abschaltschaltung gemeinsames Bauteil ausgebildet ist, dient der zweite Halbleiterschalter vorzugsweise sowohl zur abschaltenden bzw. stromsperrenden als auch zur strombegrenzenden Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters.

Vorzugsweise ist dabei dessen Basis, d.h. eingangsseitig des zweiten Halbleiterschalters, an weitere Komponenten der Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung und an die Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten angeschlossen, wobei die Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung und die Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten beispielsweise parallel an der Basis angeschlossen sind.

Vorzugsweise ist der erste Halbleiterschalter ein N-Kanal-MOS-Transistor (NMOS, NMOSFET). Vorzugsweise ist dieser dabei drain-seitig am Spannungseingang, source-seitig am Lastausgang und gate-seitig, d.h. mit dessen Steuereingang, an der Steuervorrichtung angeschlossen. Insbesondere ist der erste Halbleiterschalter unter Bildung einer spannungsgesteuerten Stromquelle verschaltet, d.h. in eine entsprechende spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung integriert, wobei deren Ausgangsstrom (Laststrom) mittels der Steuervorrichtung eingestellt wird.

Sofern eine Last an den Schutzschalter angeschlossen ist, wird die Last mit deren ersten Anschluss mit dem Lastanschluss verbunden, wobei deren zweiter An- schluss beispielsweise gegen ein Bezugspotential, wie Ground (GND) geführt ist. Erfindungsgemäß wird in einem Verfahren zum Betrieb eines elektronischen Schutzschalters, welcher gemäß einer der oben dargestellten Varianten ausgeführt ist und entsprechend einen zwischen dem Spannungseingang und dem Lastausgang geschalteten ersten Halbleiterschalter aufweist, ein Ist-Wert des Laststroms bzw. der Laststrom als Ist-Wert erfasst. Des Weiteren wird in einem Kurzschlussfall bzw. bei Überschreiten eines Maximalwertes durch den Ist-Wert der Halbleiterschalter, insbesondere mittels der Abschaltschaltung (Einrichtung bzw. Schaltung zum Abschalten bzw. Stromsperren), abgeschaltet bzw. stromsperrend geschaltet. Im Überlastfall bzw. bei Überschreiten eines Soll-Wertes durch den Ist-Wert der Halbleiterschalter, insbesondere mittels der Strombegrenzungsschaltung (Einrichtung bzw. Schaltung zur Strombegrenzung), strombegrenzend geschaltet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird im Kurzschlussfall der Sollwert des Laststroms auf einen Minimalwert, insbesondere Null, eingestellt. Beispielsweise wird hierzu der Kondensator des Einsteilglieds entladen und anschließend insbesondere mittels Laden des Kondensators vorzugsweise kontinuierlich (graduell) auf den Nominal-Soll-Wert erhöht. Beispielsweise wird hierzu das Einsteilglied herangezogen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein Differenzwert aus dem Ist-Wert und dem Sollwert gebildet. Dieser Differenzwert, insbesondere im Überlastfall, als ein Steuersignal zur strombegrenzenden Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters herangezogen. Zweckmäßigerweise wird hierzu der Operationsverstärker herangezogen.

Vorzugsweise wird der strombegrenzend gesteuerte erste Halbleiterschalter nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer bzw. eines vorgegebenen Zeitglieds stromsperrend geschaltet bzw. abgeschaltet und/oder entsprechend gesteuert. Mit anderen Worten wird der erste Halbleiterschalterschalter vorzugsweise stromsperrend geschaltet und/oder angesteuert, wenn die Strombegrenzung die vorgegebene Zeitdauer bzw. das Zeitglied seit Beginn der strombegrenzenden Ansteuerung, insbesondere ununterbrochen, angedauert hat. Zusammenfassend liegen die Vorteile der Erfindung insbesondere darin, dass der elektronische Schutzschalter mittels der Steuervorrichtung, insbesondere mittel deren Abschaltschaltung im Kurzschlussfall vergleichsweise schnell erfolgt. Auf diese Weise sind Stromspitzen des Laststroms in Kurzschlussfall lediglich vergleichsweise gering, d.h. weisen eine vergleichsweise niedrige maximale Stromstärke auf, so dass eine Beschädigung einer an den Strompfad angeschlossene Last und/oder Spannungs- oder Stromquelle vermieden ist. Zudem ist aufgrund der vorteilhaft vergleichsweise geringen Stromspitzen im Kurzschlussfall eine Verwendung von überdimensionierten MOSFETs nicht notwendig, was kostensparend wirkt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in einem Strom-Zeit-Diagramm den zeitlichen Verlauf den Ausgangsstrom (Laststrom) eines elektronischen Schutzschalters gemäß dem Stand der Technik bei einem Kurzschluss,

Fig. 2 in einem mit Fig. 1 korrespondierenden Spannungs-Zeit-Diagramm den

Verlauf einer Versorgungsspannung einer Stromquelle bei einem Kurzschluss gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 schematisch einen zwischen einem Spannungseingang und einem

Lastausgang geschalteten elektronischen Schutzschalter, welcher an dessen Steuereingang mit einer Steuervorrichtung verbunden ist, wobei die Steuervorrichtung eine Einrichtung zum Abschalten und eine Einrichtung zur Strombegrenzung aufweist,

Fig. 4 in einem Blockschaltbild den elektronischen Schutzschalter mit einem in einen Strompfad geschalteten steuerbaren Halbleiterschalter sowie eine zu dessen Steuerung vorgesehenen und eingerichteten Steuervorrichtung,

Fig. 5 in einem Flussdiagramm den Verfahrensablauf des Verfahrens zum

Betrieb des elektronischen Schutzschalters, Fig. 6 in einem Strom-Zeit-Diagramm den zeitlichen Verlauf eines Ausgangsstroms (Laststroms) im Strompfad, in welchen der erfindungsgemäß ausgebildete elektronische Schutzschalter geschaltet ist, bei einem Kurzschluss, wobei der Laststrom mittels des erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschalters zunächst stromsperrend und anschließend strombegrenzend geschaltet ist,

Fig. 7 in einem mit Fig. 6 korrespondierendem Spannungs-Zeit-Diagramm den Verlauf der Versorgungsspannung der Stromquelle, wobei der erfindungsgemäße elektronische Schutzschalter zunächst stromsperrend und anschließend strombegrenzend geschaltet ist, und

Fig. 8 in einem Strom-Zeit-Diagramm zeitliche Verläufe eines Ausgangsstroms (Laststroms) im Strompfad eines erfindungsgemäß ausgebildeten elektronischen Schutzschalters bei einem Kurzschluss für unterschiedlich ausgebildete Einsteilglieder des elektrischen Schutzschalters, wobei der Laststrom, anschließend an ein Abschalten des elektronischen Halbleiterschalters strombegrenzend angesteuert ist, dass der Laststrom kontinuierlich erhöht wird.

Fig. 3 zeigt einen zwischen einen elektronischen Schutzschalter 2 mit einem ersten Halbleiterschalter Q3, welcher in einem Strompfad 3 zwischen einem Spannungseingang 4 und einem Lastausgang 6 geschaltet ist. Der erste Halbleiterschalter Q3 ist an dessen Steuereingang 8 mit einer Steuervorrichtung 10 verbunden, wobei die Steuervorrichtung 10 eine Abschaltschaltung 12, auch als Einrichtung 12 zum Abschalten bezeichnet, und eine Strombegrenzungsschaltung 14, auch als Einrichtung 14 zur Strombegrenzung (Current limiting) aufweist. Die Abschaltschaltung 12 schaltet dabei den als einen MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistor, MOS-Transistor) ausgeführten ersten Halbleiterschalter Q3, insbesondere im Kurzschlussfall bzw. bei Bedarf ab, wobei das Abschalten vergleichsweise schnell zu einer Reaktionszeit einer herkömmlichen Strombegrenzungsschaltung erfolgt.

Des Weiteren ist beispielsweise die Strombegrenzungsschaltung 14 aus vergleichsweise kostensparenden Komponenten hergestellt und weist einen ver- gleichsweise stabile Regelung, insbesondere des Laststroms, auf. Wie insbesondere in den Figuren 6 und 8 erkennbar ist, treten aufgrund des vergleichsweise schnellen Abschaltens des ersten Halbleiterschalters Q3 lediglich vergleichsweise kleine Stromspitzen auf. So ist aufgrund der Steuervorrichtung 10 die Verwendung von solchen MOSFETS ermöglicht, welche lediglich vergleichsweise kleine Stromspitzen Rechnung tragen müssen, wodurch Kosten verringert und eine Zuverlässigkeit, beispielsweise bezüglich der Regelstabilität, erhöht sind.

Hierbei wird der erste Halbleiterschalter Q3 abgeschaltet (strombegrenzend geschaltet), sobald dessen Laststrom (Ausgangsstrom) einen, insbesondere einen Kurzschlussstrom repräsentierenden, Maximalwert hort überschreitet. Anschließend wird der erste Halleiterschalter Q3 strombegrenzend betrieben, wobei die Strombegrenzungsschaltung 14 den Laststrom l| _0a d, insbesondere dessen Stromstärke, derart begrenzt, dass der Laststrom l| _0ad , insbesondere dessen Stromstärke, graduell (kontinuierlich, vergleichsweise langsam ansteigend) von einem Minimalwert l _m in, insbesondere Null, auf eine Stromstärke bis zu einem Nominal- Sollwert l _se t, _m ax erhöht wird (Fig. 6). Dabei ist in der Fig. 6 der Laststrom l| _0a d als ld bezeichnet.

Wie in Fig. 6 und 7 dargestellt, sind Störungen der Versorgungsspannung, und somit insbesondere der Eingangsspannung, welche in Fig. 7als Input Voltage bezeichnet ist, sowie die Stromspitze bei Verwendung des erfindungsgemäßen elektronischen Schutzschalters 2 vergleichsweise klein zu Störungen der Versorgungsspannung und der Stromspitze bei Verwendung eines elektronischen Schutzschalters gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1 und 2).

In Fig.4 ist ein Blockschaltbild des elektronischen Schutzschalters 2 dargestellt. Der Laststrom l| _0ad wird mittels eines in den Strompfad 3 geschalteten Stromsensors H1 erfasst und als ein diesen Laststrom l| _0a d repräsentierender Ist-Wert li _St an die Steuervorrichtung 10, insbesondere an einen ersten Eingang (Pin) 16 einer Steuereinheit μθ der Steuervorrichtung 10 ausgegeben. Der Ist-Wert li _St ist dabei als eine Spannung oder ein Spannungssignal ausgebildet. Dabei weist der Stromsensor H1 zweckmäßigerweise eine Schaltgeschwindigkeit derart auf, dass ver- gleichsweise schnelle Änderungen, beispielsweise im Kurzschlussfall, des mittels diesem erfassten Stroms erfasst (aufgelöst) werden. Bei einem Kurzschluss, übersteigt der Ist-Wert li _St den, insbesondere einem zweiten Eingang (Pin) 18 der Steuereinheit μθ zugeführten, Maximalwert l _sh0 rt, so dass beispielsweise eine Unterbrechung in der Steuereinheit μθ ausgelöst wird, und so dass die als ein Mikro- controller ausgebildete Steuereinheit μθ ein Signal Off, beispielswiese eine Spannung, an dessen ersten Ausgang 20 ausgibt, welches vorzugsweise bis zu einem Abschalten des Signals Off am Ausgang ausgegeben (angelegt) bleibt.

Alternativ ist in einer nicht weiter dargestellten Variante der Ist-Wert l _ist einem ersten Eingang eines zweiten, als Komparator ausgebildeten, Operationsverstärkers und der Maximalwert l _sh0 rt dem zweiten Eingang des zweiten Operationsverstärkers zugeführt. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ist dann mit einem Eingang der Steuereinheit μθ verbunden. So wird bei Überschreiten des Maximalwert hort durch den Ist-Wert li _St ein entsprechendes (Steuer- oder Span- nungs) Signal an diesen Eingang der Steuereinheit μθ gegeben.

Der erste Ausgang 20 ist über einen vierten Halbleiterschalter Q4 mit einem zweiten Halbleiterschalter Q2 und parallel an einen Schalter S1 eines Einsteilglieds 22 verbunden. Das Einsteilglied 22 weist dabei einen Kondensator C2 auf, welcher in einer ersten Schalterstellung des Schalters S1 über einen Widerstand R9 an einem den Nominal-Soll-Wert l _set , _m ax ausgebenden zweiten Ausgang 24 der Steuereinheit μθ angeschlossen und in einer zweiten Schalterstellung des Schalter S2 über einen Widerstand R10 gegen Bezugspotential geführt ist.

Des Weiteren ist ein Spannungseingang V _gate über die Widerstände R7 und R3 an den Steuereingang 8 (das Gate) des ersten Halbleiterschalters Q3 verbunden. Mittels einer an diesem Spannungseingang V _gate anliegenden Spannung und der elektrischen Widerstände R7 und R3 ist der Arbeitspunkt des ersten Halbleiterschalters Q3 eingestellt.

Mittels einer Diode D1 , welche in einen Strompfad, welcher zwischen dem Gate (Steuereingang 8) und der Source des ersten Halbleiterschalters Q3 verläuft, ver- bunden ist, wird die Spannung zwischen Gate und Source des ersten Halbleiterschalters Q3 begrenzt. Mittels des parallel zur Diode D1 geschalteten Widerstands R12 wird das Gate des ersten Halbleiterschalters Q3 entladen, wenn im Stromkreis keine Spannung anliegt.

Aufgrund des Signals Off wird der zweite Halbleiterschalter Q2 leitend geschaltet, dessen Ausgang 26 mit dem Steuereingang 8 des ersten Halbleiterschalters Q3 gekoppelt ist, so dass folglich der als Gate ausgebildete Steuereingang 8 des ersten Halbleiterschalter Q3 entladen wird. Der Laststrom l| _0a d ist mittels des ersten Halbleiterschalter Q3 unterbrochen. Dieser Prozess ist innerhalb einer vergleichsweise kurzen Dauer realisiert, typischerweise 1 -10 με (Fig. 6). Zusätzlich, insbesondere gleichzeitig, wird das Signal an einen Schalter S1 ausgegeben. Dieser ist folglich derart geschaltet, dass der Kondensator C2 über den Widerstand R10 entladen wird.

Zusammenfassend wird der erste Halbleiterschalter Q3 mittels des zweiten Halbleiterschalters Q2 angesteuert. Die Widerstände R3, R5, R7, R1 1 und R12 dienen dabei zur Einstellung des Betrags der am Steuereingang 8 ersten Halbleiterschalter Q3 anliegenden Spannung.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des elektronischen Schutzschalters 2 weist dieser zusätzlich einen Strompfad zwischen dem Spannungseingang V _gate und dem Steuereingang (der Basis) des zweiten Halbleiterschalters Q2 auf. In diesen Strompfad ist ein Widerstand R13 geschaltet. Dieser Strompfad ist in der Fig. 4 strichpunktiert dargestellt. Bei Ausgabe des Signals Off wird der vierte Halbleiterschalter Q4 derart, insbesondere leitend geschaltet, dass der erste Halbleiterschalter Q3 sperrend geschaltet wird. Insbesondere wird hierzu der vierte Halbleiterschalter Q4 leitend geschaltet, so dass die am Steuereingang 8 des ersten Halbleiterschalter Q3 anliegende Spannung entsprechend verringert ist.

Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer, welche vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass der Kondensator C2 sich gerade vollständig (komplett) entlädt, also einer Entladezeit des Kondensators C2 über den Widerstand R10 entspricht, wird das Signal Off abgeschaltet, so dass der Schalter S1 erneut in der ersten Schalterstellung ist und folglich der Kondensator C2 über den Wiederstand R9 geladen wird.

Das Einsteilglied 22 ist an einen ersten Eingang 28 eines Operationsverstärkers OP1 geschaltet und gibt einen Soll-Wert l _set , welcher mittels der am Kondensator C2 anliegenden Spannung repräsentiert ist, an diesen ersten Eingang 28 aus. An einen, insbesondere invertierenden, zweiten Eingang 30 des Operationsverstärkers ist der Ist-Wert li _St zugeführt.

Dabei wird mittels der Operationsverstärkers OP1 eine Differenz aus Ist-Wert li _St und Soll-Wert l _set gebildet. Diese Differenz wird als Steuersignal D vom Operationsverstärker OP1 ausgegeben. Mittels eines dritten Halbleiterschalters Q1 sowie mittels der Widerstände R4 und R8 ist ein Verstärker für das vom Operationsverstärker OP1 ausgegebene (Spannungs-) Signal D gebildet. Die Amplitude (der Betrag) des Signals D wird auf diese Weise auf eine zum Betrieb des zweiten Halbleiterschalters Q2, und somit für eine zur Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters Q3, geeignete Amplitude geändert bzw. angepasst (verstärkt).

Beim Laden des Kondensators C2 über einen elektrischen Widerstand R 10 ändert sich entsprechend des Ladezustands des Kondensators C2 der an den ersten Eingang 28 geführte Soll-Wert l _set . Dies bewirkt eine entsprechende, insbesondere graduelle, Änderung des Signals D. Der zweite Halbleiterschalter Q2 wird somit derart, insbesondere graduell weniger leitend (stromsperrend), angesteuert, dass der erste Halbleiterschalter Q3, graduell (kontinuierlich), leitend geschaltet wird. Auf diese Weise steigt der Laststrom l| _0a d graduell an, bis der an den ersten Eingang 16 der Steuereinheit μθ zugeführte Ist-Wert In dern Nominal-Soll-Wert Iset.max entspricht. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist es ermöglicht, die Zeitdauer, in welcher Laststrom l| _0a d steigt, mittels einer geeigneten Wahl des Widerstandswertes (Betrag des Widerstandes) des elektrischen Widerstands R9 und der Kapazität des Kondensators C2, also durch eine geeignete Ausbildung des Einsteilglieds 22, zu bestimmen (vorzugeben). Hierbei ist der Laststrom mit l _d bezeichnet. Ferner ist ein Kondensator C1 in einem zwischen den zweiten Eingang 30 des Operationsverstärkers OP1 und dessen Ausgang verlaufenden Strompfad geschaltet. Der Kondensator C1 weist dabei eine Kapazität auf, die geeignet ist, um eine Oszillation des Ausgangssignals des Operationsverstärkers OP1 und folglich im Strompfad 3 zu vermeiden.

Gemäß der Fig.4 umfasst die Abschaltschaltung 12 zusammenfassend einen elektrischen Widerstand R1 und den elektrischen Widerstand R10, den vierten Halbleiterschalter Q4, den Schalter S1 , die Steuereinheit μθ sowie gegebenenfalls den zweiten Operationsverstärker. Insbesondere wird der Laststrom l| _0ad vorteilhaft unter Bildung einer Konstantstromquelle bei einer am Strompfad 3 angelegten Spannung mittels der elektrischen Widerstände R2 bis R5 und den elektrischen Widerständen R7 bis R9, R1 1 und R12, mittels der Kondensatoren C1 und C2, mittels des Operationsverstärkers OP1 , mittels der Halbleiterschalter Q1 , Q2 und Q3, mittels der Diode D1 sowie mittels des Stromsensors H1 geregelt, insbesondere konstant gehalten.

Zusätzlich wird das als Steuersignal D ausgeführte Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP1 , welches insbesondere als Ausgangsspannung ausgebildet ist, einem dritten Eingang 32 der Steuereinheit μθ zugeführt, so dass die Steuereinheit μθ mittels dieses Signals feststellt, ob noch eine Strombegrenzung des Laststroms l| _0a d mittels des ersten Halbleiterschalters Q3 stattfindet. Um eine thermische Beschädigung, insbesondere des ersten Halbleiterschalters Q3, zu verhindern, wird der erste Halbleiterschalter Q3 stromsperrend geschaltet (abgeschaltet), wenn die Strombegrenzung eine vorgegebenen Zeitdauer seit Beginn der strombegrenzenden Ansteuerung, insbesondere ununterbrochen, angedauert hat.

Des Weiteren ist eine an der Last (Load) anliegende Spannung V| _0a d an einen vierten Eingang 34 der Steuereinheit μθ zugeführt.

Der oben beschriebene Verfahrensablauf des Verfahrens zum Betrieb des elektronischen Schutzschalters 2 ist zusammenfassend im Flussdiagramm der Fig. 5 dargestellt. Des Weiteren ist zu erkennen, dass der erste Halbleiterschalter Q3 ebenfalls bei Überschreiten des Nominal-Soll-Wertes l _set , _m ax durch den Ist-Wert l _ist strombegrenzend angesteuert wird, der Maximalwert l _sr ,ort allerdings nicht überschritten wird.

Zusammenfassend weist der elektronische Schutzschalter 2 einen ersten Halbleiterschalter Q3, vorzugsweise einen N-Kanal-MOS-Transistor, auf, der in einen Strompfad 3 zwischen einem Spannungseingang 4 und einem Lastausgang 6 geschaltet ist. Des Weiteren weist der elektronische Schutzschalter 2 eine mit dem Steuereingang 8 des ersten Halbleiterschalters Q3 verbundene Steuervorrichtung 10 auf, wobei der erste Halbleiterschalter Q3 in Abhängigkeit eines der Steuervorrichtung 10 zugeführten Ist-Wertes l _ist des Laststroms l| _0a d angesteuert ist. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die Steuervorrichtung 10 eine Steuereinheit μθ aufweist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung weist der elektronische Schutzschalter fernen einen Stromsensor H1 auf, der vorzugsweise in den Strompfad 3 geschaltet ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung 10 eine Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung sowie eine Einrichtung bzw. Schaltung 12 zum Abschalten bzw. zur Stromsperrung des ersten Halbleiterschalters Q3 auf.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist der erste Halbleiterschalter Q3 in Abhängigkeit eines der Steuervorrichtung 10, der Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung und/oder der Einrichtung bzw. Schaltung 12 zum Abschalten zugeführten Ist-Wertes l _ist des Laststroms oad angesteuert.

Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung des elektronischen Schutzschalters gibt die Steuervorrichtung 10 bzw. die Steuereinheit μθ im Kurzschlussfall und/oder bei Überschreiten eines Maximalwertes hort durch den Ist-Wert l _ist ein Signal Off, insbesondere ein Abschaltsignal, an die Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung und/oder vorzugsweise an die Einrichtung bzw. Schaltung 12 zum Abschalten zum Sperren und/oder Abschalten des ersten Halbleiterschalters Q3 aus.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des elektronischen Schutzschalters ist der Steuervorrichtung 10 bzw. der Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung eingangsseitig der Ist-Wert l _ist und/oder der Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung eingangsseitig insbesondere von der Steuereinheit μθ, ein Nominal-Soll-Wert l _set , _m ax zugeführt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist oder wird in Abhängigkeit des Ist-Werts list und/oder des Nominal-Soll-Werts l _se t, _m ax der erste Halbleiterschalter Q3 strombegrenzend angesteuert.

Gemäß einer geeigneten Weiterbildung weist die Steuervorrichtung 10 bzw. der Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung ein Einsteilglied 22 aufweist. Dem Einsteilglied 22 ist geeigneter Weise der Nominal-Soll-Wert l _set , _m ax eingangsseitig zugeführt, und es gibt ausgangsseitig einen Soll-Wert l _set aus.

In geeigneter Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung 10 bzw. das Einsteilglied 22 einen Kondensator C2 auf. Der Kondensator C2 ist zweckmäßigerweise mittels eines Schalters S1 mit der Steuervorrichtung 10, insbesondere mit der Steuereinheit μθ, gekoppelt oder wird mittels des Schalters S1 entladen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung 10 bzw. die Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung 14 einen Operationsverstärker OP1 auf. Zweckmäßigerweise ist an einem ersten Eingang 28 des Operationsverstärkers OP1 das Einsteilglied 22 zum Zuführen des Soll-Wertes l _set angeschlossen, und an einem zweiten Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist der Ist- Wert li _S t zugeführt. Vorteilhafterweise wird mittels des Operationsverstärkers OP1 ein Steuersignal D zum Ansteuern des ersten Halbleiterschalters Q3, insbesondere eine Differenz aus Sollwert l _se t und Ist-Wert list, gebildet. Zudem ist geeigneter Weise der Steuervorrichtung 10 bzw. der Steuereinheit μθ eine Lastspannung Vioad zugeführt. In zweckmäßiger Ausgestaltung weist die Steuervorrichtung 10, die Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung und/oder die Einrichtung bzw. Schaltung 12 zum Abschalten einen zweiten Halbleiterschalter Q2, vorzugsweise einen pnp- Bipolartransistor, auf. In zweckmäßiger Ausgestaltung ist der zweite Halbleiterschalter Q2 an den Steuereingang 8 des ersten Halbleiterschalters Q3 angeschlossen. In weiterer geeigneter Ausgestaltung bildet der Ausgang 26 des zweiten Halbleiterschalters Q2 vorzugsweise einen Ausgang der Einrichtung bzw. Schaltung 14 zur Strombegrenzung und/oder der Einrichtung bzw. Schaltung 12 zum Abschalten.

In geeigneter Ausgestaltung liegt der erste Halbleiterschalter Q3 drain-seitig vorzugsweise am Spannungseingang 4, source-seitig vorzugsweise am Lastausgang 6 und gate-seitig an der Steuervorrichtung 10.

Bei dem Verfahren zum Betrieb des elektronischen Schutzschalters 2 in einer der oben beschriebenen Varianten mit einem zwischen einen Spannungseingang 4 und einen Lastausgang 6 geschalteten ersten Halbleiterschalter Q3, wird verfahrensgemäß ein Ist-Wert li _St des Laststroms l| _0a d bzw. dieser als Ist-Wert li _St erfasst, im Kurzschlussfall bei Überschreiten eines Maximalwertes l _sh0 rt durch den Ist-Wert list der erste Halbleiterschalter Q3 stromsperrend geschaltet, und/oder im Überlastfall bei Überschreiten eines Sollwertes l _set durch den Ist-Wert l _ist der erste Halbleiterschalter Q3 strombegrenzend geschaltet.

In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird im Kurzschlussfall der Sollwert l _set des Laststroms l| _0a d auf einen Minimalwert \ _mm eingestellt und anschließend kontinuierlich auf einen Nominal-Soll-Wert l _se t, _m ax erhöht. Zweckmäßigerweise wird eine Differenz (ein Differenzwert) aus dem Ist-Wert l _ist und dem Soll-Wert l _set gebildet. Vorteilhafterweise wird die Differenz (der Differenzwert) als Steuersignal D zur strombegrenzenden Ansteuerung des ersten Halbleiterschalters Q3 herangezogen. Der strombegrenzend gesteuerte erste Halbleiterschalter Q3 wird geeigneter Weise nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer und/oder eines vorgegebenen Zeitglieds stromsperrend geschaltet und/oder gesteuert. Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlas- sen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

2 elektronischer Schutzschalter

3 Strompfad

4 Spannungseingang

6 Lastausgang

8 Steuereingang

10 Steuervorrichtung

12 Einrichtung zum Abschalten

14 Einrichtung zur Strombegrenzung

16 erster Eingang der Steuereinheit

18 zweiter Eingang der Steuereinheit

20 erster Ausgang der Steuereinheit

22 Einsteilglied

24 zweiter Ausgang der Steuereinheit

26 Ausgang des zweiten Halbleiterschalters

28 erster Eingang des Operationsverstärkers

30 zweiter Eingang des Operationsverstärkers

32 dritter Eingang der Steuereinheit

34 vierter Eingang der Steuereinheit

C1 Kondensator

C2 Kondensator

D Steuersignal/Differenz

D1 Diode

H1 Stromsensor

l _ist Ist-Wert

oad Laststrom

Imin Minimalwert

l _set Soll-Wert

et.max Nominal-Soll-Wert

hort Maximalwert

μθ Steuereinheit Off Signal zum Abschalten

OP1 Operationsverstärker Q1 dritter Halbleiterschalter

Q2 zweiter Halbleiterschalter Q3 erster Halbleiterschalter

Q4 vierter Halbleiterschalter

R1 bis R13 elektrische Widerstände Vioad Lastspannung

Vgate Spannungseingang