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Lampentreiber mit adaptiver Ueberlasterkennung

IP.com Disclosure Number: IPCOM000125685D
Original Publication Date: 2005-Jul-10
Included in the Prior Art Database: 2005-Jul-10
Document File: 5 page(s) / 721K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Bei Ueberlastung von Ausgangsstufen, bzw. Leistungstransistoren, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses kann es zur Schaedigung der Bauteile kommen, da sich die Sperrschicht im Halbleiter erwaermt. Zum Schutz der Leistungstransistoren wird daher meistens der Strom der Ausgangsstufe begrenzt. Sollen jedoch Lasten, wie z.B. Gluehlampen, Motoren oder Heizelemente, deren Spitzenstrom beim Anschalten ein Vielfaches des Betriebsstroms betraegt, betrieben werden, so bedingt die Strombegrenzung eine Limitierung dieses Spitzenstroms bei jedem Einschaltvorgang. Dadurch ergeben sich jedoch weitere Einschraenkungen beim Betreiben der Last. Andererseits fuehrt eine Dimensionierung der Strombegrenzung auf Grundlage des maximalen Einschaltstroms der Last zu dem Problem, dass der Leistungstransistor auf diesen maximalen Strom ausgelegt werden muss und damit fuer den eigentlichen Betriebsfall ueberdimensioniert ist. Es ist daher notwendig, eine moegliche Ueberlastung zu erkennen, um die Bauteile vor einer Zerstoerung zu schuetzen, jedoch gleichzeitig eine Ueberdimensionierung der Ausgangsstufe zu vermeiden. Im Folgenden wird diese Problematik fuer das Betreiben von Gluehlampen naeher betrachtet. In Abb. 1 ist schematisch der Strom- und Spannungsverlauf einer Gluehlampe mit und ohne Strombegrenzung dargestellt. Zu Beginn des Schaltvorgangs ohne Begrenzung ist die Lampe kalt und der Einschaltstrom ist nur durch den Kaltwiderstand der Gluehwendel begrenzt. Die zugefuehrte Energie erwaermt die Wendel und ihr Widerstand nimmt zu, wodurch der Strom sinkt, bis der Betriebsstrom (ungefaehr zehn Prozent des Einschaltstroms) erreicht ist. Wird der Einschaltstrom jedoch begrenzt (gestrichelte Linie), benoetigt die Wendel mehr Zeit, um sich zu erwaermen. Fuer den Spannungsabfall ueber der Lampe ergibt sich in dem Fall (gestrichelter Verlauf) ein verzoegertes Ansteigen auf die Betriebsspannung.

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S

Lampentreiber mit adaptiver Ueberlasterkennung

Idee: Harald Panhofer, Axel Reithofer, AT-Graz

Bei Ueberlastung von Ausgangsstufen, bzw. Leistungstransistoren, beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses kann es zur Schaedigung der Bauteile kommen, da sich die Sperrschicht im Halbleiter erwaermt. Zum Schutz der Leistungstransistoren wird daher meistens der Strom der Ausgangsstufe begrenzt. Sollen jedoch Lasten, wie z.B. Gluehlampen, Motoren oder Heizelemente, deren Spitzenstrom beim Anschalten ein Vielfaches des Betriebsstroms betraegt, betrieben werden, so bedingt die Strombegrenzung eine Limitierung dieses Spitzenstroms bei jedem Einschaltvorgang. Dadurch ergeben sich jedoch weitere Einschraenkungen beim Betreiben der Last. Andererseits fuehrt eine Dimensionierung der Strombegrenzung auf Grundlage des maximalen Einschaltstroms der Last zu dem Problem, dass der Leistungstransistor auf diesen maximalen Strom ausgelegt werden muss und damit fuer den eigentlichen Betriebsfall ueberdimensioniert ist. Es ist daher notwendig, eine moegliche Ueberlastung zu erkennen, um die Bauteile vor einer Zerstoerung zu schuetzen, jedoch gleichzeitig eine Ueberdimensionierung der Ausgangsstufe zu vermeiden.

Im Folgenden wird diese Problematik fuer das Betreiben von Gluehlampen naeher betrachtet. In Abb. 1 ist schematisch der Strom- und Spannungsverlauf einer Gluehlampe mit und ohne Strombegrenzung dargestellt. Zu Beginn des Schaltvorgangs ohne Begrenzung ist die Lampe kalt und der Einschaltstrom ist nur durch den Kaltwiderstand der Gluehwendel begrenzt. Die zugefuehrte Energie erwaermt die Wendel und ihr Widerstand nimmt zu, wodurch der Strom sinkt, bis der Betriebsstrom (ungefaehr zehn Prozent des Einschaltstroms) erreicht ist. Wird der Einschaltstrom jedoch begrenzt (gestrichelte Linie), benoetigt die Wendel mehr Zeit, um sich zu erwaermen. Fuer den Spannungsabfall ueber der Lampe ergibt sich in dem Fall (gestrichelter Verlauf) ein verzoegertes Ansteigen auf die Betriebsspannung.

Fuer die Entwicklung eines Lampentreibers besteht das Hauptproblem in der Unterscheidung zwischen dem hohen Einschaltstrom einer nicht linearen Last und einem Kurzschluss. In beiden Faellen tritt eine Strombegrenzung in Kraft. Im Falle des Einschaltvorgangs sinkt der Lampenstrom nach einigen Millisekunden unter die Schwelle der Strombegrenzung, bei einem Kurzschluss befindet sich der Treiber jedoch staendig in der Limitierung. Hinzu kommt, dass bei einem Kurzschluss der Ausgangstransistor bereits nach einigen 100 Mikrosekunden die kritische Sperrschichttemperatur erreicht, der interne Temperatursensor jedoch aufgrund seiner thermischen Anbindung einige Millisekunden benoetigt, um darauf zu reagieren. Die thermische Belastung, bis zum Ausloesen des Sensors und dem Abschalten durch den Treiber, schaedigt den Ausgangtransistor und verkuerzt seine Lebensdauer. Es entstehen daher erhebliche Nachteile, wenn wie bei bisherigen Lampentreibern ueblich, lediglich der Verlauf des St...