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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Leistungsendstufe mit
Kurzschlussschutz.
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Bei der Steuerung von vorzugsweise
Gleichstrommotoren mit Hilfe einer Leistungsendstufe ist es in der
Regel auch erforderlich, einen umfassenden Kurzschlussschutz vorzusehen.
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Stand der
Technik
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Eine einfache Möglichkeit, einen gewissen Schutz
vorzusehen, besteht darin, die Leistungsendstufe und damit das Steuergerät für den Gleichstrommotor
in ein thermisch widerstandsfähiges
Gehäuse einzubauen.
Dadurch wurde bislang weitestgehend vermieden, dass ein Kurzschluss
am Ausgang der Leistungsendstufe mit einer sich daraus ergebenden thermischen
Oxidation zu einem Schaden an anderen Teilen, die sich in der Nähe des Steuergerätes befinden,
führt.
Nachdem es durch einen Kurzschluss zur erwähnten thermischen Oxidation
gekommen ist, muss das Steuergerät
selbst ausgetauscht werden. Wird das Steuergerät in einem Kraftfahrzeug verwendet,
führt ein
solcher Schaden in vielen Fällen
zum Liegenbleiben des Fahrzeugs oder zumindest aber zu einer Beeinträchtigung
des Fahrkomforts.
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Beispiele für verschiedene mögliche Kurzschlüsse, die
in einem solchen Steuergerät
auftreten können,
sind in 1 gezeigt. Über eine
Batterie B und einen Pufferkondensator C, welcher zur Batterie B
parallel geschaltet ist, wird eine sogenannte H-Brücke
mit Spannung versorgt. Dabei ist die H-Brücke
einerseits mit dem positiven Betriebspotential UB und andererseits
mit dem Massepotential GND verbunden. Die H-Brücke selbst weist vier Transistoren
T1, T2 und T3, T4 auf, wobei jeweils zwei Transistoren T1 , T2,
T3 und T4 miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Widerstand R
bildet einen Shunt-Widerstand. Der erste Ausgang der H-Brücke wird
durch die Steuerausgänge
der beiden Transistoren T1 und T2 und der zweite Ausgang der H-Brücke durch
die beiden Steuerausgänge
der Transistoren T3 und T4 gebildet. An diesen beiden H-Brückenausgängen kann,
wie in 1 gezeigt ist,
beispielsweise ein Motor M angeschlossen sein.
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Im in 1 mit
A gekennzeichneten Kurzschlussfall ist der Transistor T3 dauerhaft
leitend. Dies führt
dazu, dass, falls die beiden Transistoren T1 und T4 zur Steuerung
des Motors leitend werden, die Batterie B über die beiden Transistoren
T3 und T4 kurzgeschlossen wird, so dass ein Kurzschlussstrom IKA über den
Transistor T4 fließt.
Mit dem Bezugszeichen B ist in 1 ein
zweiter Kurzschluss fall angedeutet, wobei hier der Motor M selbst
den Kurzschluss bildet. Falls die beiden Transistoren T1 und T4
leitend werden, fließt über diese
ein Kurzschlussstrom IKB. Der in 1 dargestellte
dritte Kurzschlussfall ist mit dem Bezugszeichen C gekennzeichnet.
In diesem Fall ist der Transistor T4 dauerhaft leitend. Über den
ersten Transistor T1 fließt
dann ein Kurzschlussstrom IKC.
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Darstellung
der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz
mit den in Patentanspruch 1 genannten Merkmalen bietet dem gegenüber den Vorteil,
dass ein Kurzschluss rechtzeitig erkannt wird und ohne die Gefahr
einer Zerstörung
der Endstufe bzw. des Steuergeräts
die gesamte Leistungsendstufe oder Teile davon rechtzeitig abgeschaltet
werden. Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe
mit Kurzschlussschutz weist dazu einen Leistungstransistor auf,
welcher wiederum einen Steuersignalausgang umfasst, an dem ein betriebstemperaturabhängiges Signal
abgreifbar ist. Zudem ist eine Erfassungs- und Steuereinheit vorgesehen,
die derart ausgebildet und betreibbar ist, dass ein Kurzschluss
erfasst werden kann und im Kurzschlussfall die Betriebstemperatur im
Leistungstransistor erhöht
wird. Des weiteren ist eine Endstufensteuerung zur Steuerung des
Leistungstransistors vorgesehen, welche eingangsseitig mit dem Steuersignalausgang
und ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Leistungstransistors verbunden
ist und derart ausgebildet und betreibbar ist, dass beim Überschreiten
einer bestimmten Betriebstemperatur der Leistungstransistor abgeschaltet
wird.
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Vorteilhafter Weise erfolgt bei der
erfindungsgemäßen Lösung die
Erkennung und Abschaltung der gesamten Leistungsendstufe oder Teilen
davon, ohne dass es dafür
einer speziellen Software und damit eines Mikrocontrollers bedarf.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Bei einer möglichen Ausführungsform
der Erfindung ist die Erfassungs- und Steuereinheit der Leistungsendstufe
derart ausgebildet und betreibbar, dass im Kurzschlussfall eine
definierte Spannung am Steuereingang des Leistungstransistors erzeugt wird,
die niedriger als die Spannung ist, die von der Endstufensteuerung
erzeugt wird. Damit kann auf einfache Art und Weise dafür gesorgt
werden, dass der Spannungsabfall zwischen dem Drain-, und dem Sourceanschluss
des Leistungstransistors vergrößert wird,
weil der Einschaltwiderstand im Leistungstransistor steigt. Durch
die sich dadurch ergebende erhöhte
Verlustleistung erwärmt
sich der Leistungstransistor, was am Steuersignalausgang des Leistungstransistors
detektiert werden kann.
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Bei einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
weist die Erfassungs- und Steuereinheit einen mit einer ersten Diode
in Reihe geschalteten Widerstand auf, welche zwischen dem Steuereingang
und einem Steuerausgang des Leis tungstransistors geschaltet sind.
Die Erfassungs- und
Steuereinheit weist zudem einen mit einer zweiten Diode in Reihe
geschalteten Transistor auf, wobei die zweite Diode mit dem Steuereingang des
Leistungstransistors und der Steuereingang des Transistors mit einem
Kondensator und der ersten Diode verbunden ist. Damit kann mit wenigen
zusätzlichen
Bauelementen auf einfache Art und Weise ein Kurzschluss erkannt
und entsprechend zügig
darauf reagiert werden, indem die Steuerspannung am Steuereingang
des Leistungstransistors herabgesetzt wird.
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Vorteilhafter Weise ist bei der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
die zweite Diode als Z-Diode oder Zener-Diode oder Lawinen-Diode
ausgebildet. Mit Hilfe dieser Z-Diode kann die Spannung eingestellt
werden, die am Steuereingang des Leistungstransistors anliegen soll,
falls die Erfassungs- und Steuereinheit einen Kurzschluss detektiert.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn bei
der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
mit Kurzschlussschutz der Transistor als Metal-oxide Semiconductor Field
Effect Transistor (MOSFET) ausgebildet ist.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Leistungsendstufe
mit Kurzschlussschutz auch einen zweiten Leistungstransistor und
eine mit diesem verbundene zweite Erfassungs- und Steuereinheit
aufweisen. Der zweite Leistungstransistor wird ebenfalls über die
Endstufensteuerung gesteuert. Damit kann eine einfache Brückenschaltung
beispielsweise für die
Ansteuerung eines. Gleichstrommotors realisiert wer den, bei der
sowohl der erste als auch der zweite Leistungstransistor auf mögliche Kurzschlussfälle hin überwacht
werden.
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Die erfindungsgemäße Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz
kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung einen dritten und
einen vierten Leistungstransistor aufweisen, welche mit einer dritten
und einer vierten Erfassungs- und Steuereinheit verbunden sind.
Der dritte und der vierte Leistungstransistor werden ebenfalls über die
Endstufensteuerung gesteuert. Damit ist eine Brückenschaltung realisierbar,
bei der sämtliche
Leistungstransistoren auf Kurzschlussfälle hin überprüfbar sind.
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Vorteilhafter Weise bilden die vier
Leistungstransistoren der Leistungsendstufe eine H-Brücke.
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Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
können
die Leistungstransistoren als Speed-TEMPFET ausgebildet sein.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann
die Leistungsendstufe noch weiter verbessert werden, indem ein Mikrocontroller
vorgesehen ist, der eingangsseitig mit den Steuerausgängen der Leistungstransistoren
verbunden ist. Der Mikrocontroller wiederum kann abhängig von
den Steuersignalen, die von den Leistungstransistoren geliefert
werden, Einfluss auf die Endstufensteuerung nehmen.
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Schließlich kann die erfindungsgemäße Leistungsendstufe
mit Kurzschlussschutz zur Steuerung eines Mo tors und insbesondere
eines Gleichstrommotors verwendet werden.
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Im folgenden wird die Erfindung mit
mehreren Ausführungsbeispielen
anhand von Figuren weiter erläutert.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer H-Brücke und
der möglichen
Kurzschlussfälle.
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2 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
mit Kurzschlussschutz.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Auf die Beschreibung der H-Brücke, wie
sie in 1 gezeigt ist,
wird hier nicht weiter eingegangen, sondern auf die Beschreibungseinleitung
verwiesen.
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In 2 ist
der prinzipielle Aufbau der Leistungsendstufe mit Kurzschlussschutz
gezeigt. Die Leistungsendstufe wird über die beiden Klemmen 1 und 2 mit
der Batteriespannung UB bzw. dem Massepotential GND verbunden. Über einen
Brückentreiber BT
mit Bootstrap-Schaltung werden zwei Leistungstransistoren TH und
TL gesteuert. Der erste Leistungstransistor TH ist dazu mit seinem
Steuereingang G über
einen Vorwiderstand RGH mit Steuerausgang GH des Brückentreibers
BT verbunden. Der zweite Leistungstransistor TL ist über seinen
Steuereingang G und einen Vorwiderstand RGL mit dem Steuerausgang
GL des Brückentreibers
BT verbunden. Der Sourceausgang S des ersten Leistungstransistors
TH und der Drainausgang D des zweiten Leistungstransistors TL bilden
gemeinsam den Ausgang bzw. die Ausgangsklemme zum Anschließen des
zu steuernden Verbrauchers, beispielsweise eines Elektromotors M.
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Im normalen Betriebsfall, d. h. in
einem Betriebszustand, in dem keine Kurzschlüsse vorhanden sind, wird über den
Brückentreiber
BT entweder der erste Leistungstransistor TH oder der zweite Leistungstransistor
TL leitend geschaltet, d. h. geschlossen, um den Motor M mit der
Batteriespannung UB bzw. dem Massepotential GND zu verbinden. Die Steuerung
der beiden Leistungstransistoren TH und TL erfolgt jeweils über eine
Steuerspannung, die an den Ausgängen
GH bzw. GL des Brückentreibers
BT abgreifbar ist und beispielsweise 0 Volt oder 10 Volt beträgt. Für den Fall,
dass beispielsweise der erste Leistungstransistor TH leitend sein
soll, wird am Ausgang GH des Brückentreibers
BT eine Spannung in Höhe
von 10 Volt angelegt.
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Der Vorwiderstand RGH, welcher auch
als Gate-Widerstand
bezeichnet wird, ist ein Widerstand, dessen Wert beispielsweise
zwischen 5 und 10 Ohm liegt. Über
den Gate-Widerstand RGH wird der Anstieg der Spannung am Gate oder
Steuereingang G des ersten Leistungstransistors TH eingestellt.
Zudem können
mit Hilfe des Gate-Widerstands RGH die Vorschriften bezüglich der
elektromagnetischen Verträglichkeit
(EMV) erfüllt
werden. Sinngemäß gilt für den Gate-Widerstand
RGL, der sich zwischen dem Steuerausgang GL und dem Gate-Anschluss
G des zweiten Leistungstransistors TL befindet, das gleiche.
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Während
des normalen Betriebszustands fällt,
falls der erste Leistungstransistor TH leitend ist, zwischen dessen
Drain- und Sourceanschlüssen eine
Drain-Source-Spannung UDSH ab, die im Bereich von wenigen Millivolt
liegt.
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Der Widerstand RSH, die Diode DSH,
die Z-Diode DKH, der Transistor TKH und der Kondensator CKH bilden
zusammen eine Erfassungs- und Steuereinheit, mit der ein Kurzschluss
detektiert werden kann, bei dem der erste Leistungstransistor TH involviert
ist. Der Kurzschlussstrom, der durch den ersten Leistungstransistor
TH fließt,
wird mit IKH bezeichnet. Mit Hilfe des Widerstands RSL, der Diode DSL,
der Z-Diode DKL, dem Transistor TKL und dem Kondensator CKL wird
eine zweite Erfassungs- und Steuereinheit realisiert, mit deren
Hilfe ein Kurzschluss detektierbar ist, bei dem der zweite Leistungstransistor
TL involviert ist. Der Kurzschlussstrom, der durch den zweiten Leistungstransistor
TL fließt,
wird mit IKL bezeichnet.
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Im folgenden wird am Beispiel des
zweiten Leistungstransistors TL die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
mit Kurzschlussschutz für
den Fall eines sogenannten harten Kurzschlusses beschrieben.
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Als harter Kurzschluss wird im Gegensatz
zu einem sogenannten weichen Kurzschluss nicht ein kurzzeitiger Überlastungszustand
oder ein länger
anhalten der, nicht tolerierbarer Belastungszustand bezeichnet, sondern
ein tatsächlicher
Kurzschluss. Tritt nun ein harter Kurzschluss auf, steigt die Drain-Source-Spannung UDSL
am zweiten Leistungstransistor TL schnell auf einen Wert über 1 Volt
an, weil der durch den zweiten Leistungstransistor TL fließende Strom,
nämlich
der Kurzschlussstrom IKL sich erhöht hat. Die Drain-Source-Spannung
UDSL ergibt sich aus der Gleichung: UDSL = RDSon × IKLwobei
RDSon der Einschaltwiderstand des Leistungstransistors TL ist.
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Eine sich über dem Kondensator CKL aufbauende
Spannung sorgt nun dafür,
dass der Transistor TKL durchschaltet, d. h. leitend wird, und die Zener-Diode DKL den Gate-Anschluss
G des zweiten Leistungstransistors TL auf eine definierte Gate-Spannung, welche
ursprünglich
10 V betragen hat, nunmehr beispielsweise auf 3 Volt einstellt.
Die Höhe
der Gate-Spannung ergibt sich aus der Dimensionierung der Zener-Diode
DKL. Damit wird der Strom durch den zweiten Leistungstransistor
TL innerhalb kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von 10 Mikrosekunden
auf einen neuen Drain-Strom IDL, welcher kleiner als der Kurzschlussstrom
IKL ist, reduziert. Aufgrund des höheren Einschaltwiderstands RDSon
steigt jedoch die Drain-Source-Spannung UDSL weiter an und die am
zweiten Leistungstransistor TL abfallende Verlustleistung PV, welche
sich zu PV = UDSL × IDL
ergibt, erwärmt den
zweiten Leistungstransistor TL. Sobald der zweite Leistungstransistor
TL eine Junction-Temperatur von ca. 150°C bis 170°C erreicht hat, schaltet der
Thyristor des Leistungstransistors TL durch. Dies hat zur Folge,
dass am Steuerausgang A des Leistungstransistors TL das durch den Leistungstransistor
TL erzeugte Steuersignal seinen Pegel wechselt und dies über den
Enabel-Eingang ENL des Brückentreibers
BT diesem mitteilt. Der Brückentreiber
BT legt dann an seinem Ausgang GL die Gate-Spannung auf 0 Volt.
Dieser Zustand bleibt bis zur Löschung
des Thyristors erhalten.
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Durch eine zusätzliche Verbindung des Steuerausgangs
A, welcher gleichzeitig der Thyristor-Ausgang ist, zu einem Mikrocontroller μC kann das
System über
den Fehlerzustand informiert werden. Weiterhin kann damit der Thyristor
durch ein Massesignal wieder zurückgesetzt
werden.
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Die Diode DSL kann je nach Anwendungsfall und
technischen Erfordernissen als Schottky- oder als Silizium-Diode
ausgebildet sein. Über
die Dimensionierung des Kondensators CKL kann das Ansprechverhalten
der Erfassungs- und Steuereinheit eingestellt werden. In einer möglichen
Ausführungsform
liegt der Wert des Widerstands RSL in einem Bereich von ca. 10 – 30 kΩ. Sinngemäß gilt dies
auch für
die Diode DSH, den Kondensator CKH und den Widerstand RSH.
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Im folgenden wird die Funktionsweise
der Schaltung für
den Fall eines weichen Kurzschlusses beschrieben.
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Beim Auftreten eines weichen Kurzschlusses,
also immer dann, wenn ein länger
anhaltender, nicht tolerierbarer Belastungszustand auftritt, verharrt
die Drain-Source-Spannung UDSL bei ca. 1 Volt. Die Gate-Spannung
am Steuereingang G des Leistungstransistors TL wird eventuell schon
etwas eingeschnürt.
Dies führt
dazu, dass aufgrund der sich dadurch ergebenden erhöhten Verlustleistung
PV die Temperatur im Leistungstransistor TL steigt. Erreicht die
Junction-Temperatur den kritischen Wert, der im Bereich von 150°C bis 170°C liegt,
wird der zweite Leistungstransistor TL mit Hilfe des Brückentreibers BT
abgeschaltet, indem der Ausgang GL des Brückentreibers BT auf 0 Volt
gelegt wird. Dem Brückentreiber
BT wird der Befehl zum Abschalten des Leistungstransistors TL dadurch
mitgeteilt, dass das Steuersignal am Steuerausgang A des Leistungstransistors
TL seinen Pegel wechselt.
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Bei der Bestimmung des maximalen
Kurzschlusswiderstands an den Klemmen, bei dem gerade noch ein Kurzschluss
erkannt wird, gehen der Verlauf des Einschaltwiderstands RDSon über der
Temperatur, die Wärmeübergangswiderstände und
die Übergangswiderstände mit
ein.
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Die Beschreibung der Funktionsweise
im Betriebsmodus harter Kurzschluss und im Betriebsmodus weicher
Kurzschluss gilt analog auch für
die erste Erfas sungs- und Steuereinheit und den ersten Leistungstransistor
TH.
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Die in 2 gezeigte
Schaltungsanordnung ist ohne weiteres auch auf eine H-Brücke, wie
sie in 1 gezeigt ist,
erweiterbar. Dabei ist es von Vorteil, für jeden Leistungstransistor
eine eigene Erfassungs- und Steuereinheit vorzusehen. Um das Steuersignal
am Steuerausgang A der Leistungstransistoren zu stabilisieren, können Pull-up-Widerstände RPL
und RPH vorgesehen sein, die mit einer definierten Spannung VCC
verbunden sind.
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Die Steuerausgänge A der Leistungstransistoren
können
auch zuerst zusammengefasst und dann als gemeinsames Steuersignal
auf den Brückentreiber
geführt
werden.
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Als Brückentreiber BT können konventionelle
handelsübliche
Bauelemente verwendet werden. So sind für die erfindungsgemäße Leistungsendstufe als
Brückentreiber
beispielsweise die Bausteine L 9903 oder L 9904, welche von ST-Microelectronics hergestellt
werden, verwendbar.
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Als Leistungstransistoren werden
vorteilhafter Weise Speed-TempFETs verwendet.
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Mit der erfindungsgemäßen Leistungsendstufe
kann somit auf einfache Art und Weise ein Kurzschluss zuverlässig erkannt
und die Leistungsendstufe insgesamt oder aber Teile davon rasch
abgeschaltet werden. Ein kurzzeitiger Überlastungszustand, welcher
beispielsweise beim Anlaufen eines Motors ent steht, führt nicht
dazu, dass dies als Kurzschluss gewertet wird. Gleichwohl werden
jedoch länger
anhaltende Belastungszustände
im Bereich des maximalen Motorstroms als sogenannter weicher Kurzschluss
erkannt und die Leistungstransistoren abgeschaltet, bevor die einzelnen
Transistoren bzw. der Motor thermisch überlastet werden.
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Die vorhergehende Beschreibung der
Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.