DE10039469A1 - Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stroms durch einen Verbraucher - Google Patents

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stroms durch einen Verbraucher 16, welcher zwischen den Ausgängen 14c, 15c von zwei Verstärkern 14, 15 angeordnet ist, welche zur Versorgung mit einer unipolaren Betriebsspannung VCC jeweils einen Versorgungsspannungsanschluß 14a, 15a und einen Masseanschluß 14b, 15b haben, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschluß 18a der Betriebsspannungsquelle und dem Versorgungsanschluß 14a, 15a und/oder zwischen dem Masseanschluß 14b, 15b und der Masse 18b ein Bürdenwiderstand 17 geschaltet ist, an dem eine dem zu erfassenden Strom proportionale Spannung U¶A¶ abfällt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen ei­ nes Stroms durch einen Verbraucher, welcher zwischen den Ausgän­ gen von zwei Verstärkern angeordnet ist, welche zur Versorgung mit einer unipolaren Betriebsspannung jeweils einen Versorgungs­ spannungsanschluß und einen Masseanschluß haben.

Zur Messung von Strömen verwendet man häufig Schaltungsanordnun­ gen, welche nach dem Kompensationsprinzip arbeiten. Hierbei wird eine zum zu messenden Strom proportionale Größe erfaßt und durch Erzeugung derselben Größe mit umgekehrten Vorzeichen die erfaßte Größe auf Null geregelt. Der zur Regelung der Größe auf Null er­ forderliche Strom stellt ein Maß für den zu messenden Strom dar. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, daß der Stromkreis, in dem der Strom gemessen werden soll, durch die Meßeinrichtung nicht beeinträchtigt wird.

So ist es beispielsweise zur Messung eines Stroms, der einem in einem Kraftfahrzeug angeordneten Akku entnommen wird oder dem Akku zugeführt wird, bekannt, diesen Strom mittels eines Kompen­ sationsstromsensors zu erfassen. Eine entsprechende Schaltungs­ anordnung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.

Wie Fig. 1 entnommen werden kann, ist um eine Zuleitung 1 bei­ spielsweise eines Akkus ein Ringkern 2 mit einem Luftspalt ange­ ordnet. Im Luftspalt des Ringkerns 2 ist ein Element 3 zur Mes­ sung der magnetischen Feldstärke, welche durch den Strom durch die Zuleitung 1 im Ringkern 2 erzeugt wird, angeordnet. Der Ringkern 2 ist des weiteren mit einer Spule 6 versehen, mittels welcher im Ringkern 2 ein magnetischer Fluß erzeugt werden kann.

Wird ein Strom durch die Spule 6 geschickt und die Größe des Stroms so gewählt, daß die magnetische Feldstärke im Luftspalt Null ist, so entspricht der Strom durch die Spule 6 dem Strom durch die Zuleitung 1, wobei die Anzahl der Windungen der Spule 6 zu berücksichtigen ist.

Zur Messung des Stroms, der durch die Spule 6 fließt, ist zur Spule 6 ein Bürdenwiderstand 7 in Reihe geschaltet. Die an dem Bürdenwiderstand 7 abfallende Spannung ist ein Maß für den Strom durch die Spule 6 und somit ein Maß für den durch die Zuleitung 1 fließenden Strom.

Um einen Strom wechselnder Polarität messen zu können, muß die Richtung des durch die Spule 6 fließenden Stroms veränderbar sein. Damit die Richtung des durch die Spule 6 fließenden Stroms verändert werden kann, ist die Spule 6 zwischen den Ausgängen von zwei Verstärkern 4, 5 geschaltet. Die Eingänge der Verstär­ ker 4, 5 sind mit dem Element 3 zur Erfassung der magnetischen Feldstärken im Luftspalt des Ringkerns 2 verbunden, so daß die Feldstärke im Luftspalt zu Null geregelt werden kann.

Wenngleich mit der dargestellten Schaltungsanordnung auch ein Strom wechselnder Polarität meßbar ist, so hat sie doch den Nachteil, daß die am Bürdenwiderstand 7 abfallende Spannung kei­ nen Massebezug hat. Dies ist insbesondere deshalb nachteilig, da die Spannung in der Regel in einem Mikrocontroller verarbeitet wird, dessen integrierte AD-Umsetzer nur dazu geeignet sind, ei­ ne Spannung zwischen Null Volt und U_ref zu messen. Dies bedingt eine entsprechende Spannungsanpassung mit den daraus entstehen­ den Kosten und Ungenauigkeiten.

Dieses Problem kann zwar durch die Verwendung eines Verstärkers, welcher eine positive und einen negative Ausgangsspannung lie­ fern kann, behoben werden, jedoch sind zum Betrieb eines derar­ tigen Verstärkers eine positive und eine negative Versorgungs­ spannung erforderlich. Da eine positive und eine negative Ver­ sorgungsspannung in erforderlicher Größe in einem Kraftfahrzeug nicht vorhanden sind, scheidet eine derartige Schaltungsanord­ nung jedoch zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug aus.

Eine Vorrichtung zur Messung eines in einem Leiter fließenden Stromes, bei der ein vom durch den Leiter fließenden Strom er­ zeugtes Magnetfeld zur Bestimmung des Stromes ausgewertet wird, ist aus der DE 195 49 181 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrich­ tung ist der Leiter so ausgestaltet, daß er zwei Teile umfaßt, die parallel zueinander angeordnet sind, und den Strom in unter­ schiedliche Richtungen führen. Zwischen den beiden Teilen des Leiters ist ein Sensor angeordnet, der ein vom erzeugten Magnet­ feld abhängiges Ausgangssignal liefert, das repräsentativ ist für die Stärke des fließenden Stromes. Der bekannten Anordnung lassen sich jedoch keine Hinweise auf die Verwendung in einer Kompensationsstromanordnung und den damit verbundenen Problemen entnehmen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Schaltungs­ anordnung derart auszubilden, daß sie beim Betrieb mit einer niedrigen Versorgungsspannung ein massebezogenes Ausgangssignal liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteile der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stroms durch einen Verbraucher, welcher zwischen den Aus­ gängen von zwei Verstärkern angeordnet ist, welche zur Versor­ gung mit einer unipolaren Betriebsspannung jeweils einen Versor­ gungsspannungsanschluß und einen Masseanschluß haben, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschluß der Betriebsspannungs­ quelle und dem Versorgungsspannungsanschluß und/oder zwischen dem Masseanschluß und der Masse ein Bürdenwiderstand geschaltet ist, an dem eine dem zu erfassenden Strom proportionale Spannung abfällt.

Dadurch, daß zwischen dem Anschluß der Betriebsspannungsquelle und dem Versorgungsspannungsanschluß und/oder zwischen dem Mas­ seanschluß und der Masse ein Bürdenwiderstand geschaltet ist, an dem eine dem zu erfassenden Strom proportionale Spannung ab­ fällt, läßt sich auf einfache Weise eine auf Massepotential be­ zogene Spannung erzeugen, die dem Kompensationsstrom proportio­ nal ist.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß der von den Verstärkern gelieferte Ausgangsstrom im wesentlichen dem der Be­ triebsspannungsquelle zur Versorgung der Verstärker entnommenen Strom entspricht. Hierbei ist selbstverständlich wichtig, daß der Querstrom der Verstärker sehr gering ist. Bei derartigen Verstärkern fließt der der Betriebsspannungsquelle entnommene Strom nahezu vollständig durch den Verbraucher, so daß der durch den Verbraucher fließende Strom nicht unmittelbar in dem Strompfad gemessen werden muß, in dem der Verbraucher angeordnet ist, sondern in der Versorgungsspannungs-Zuleitung oder -Ableitung der Verstärker gemessen werden kann.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Masseanschlüsse der Verstärker miteinander verbunden sind und der Bürdenwiderstand zwischen den verbundenen Massean­ schlüssen und der Masse angeordnet ist. Da bei einer derartigen Schaltungsanordnung nur ein Bürdenwiderstand verwendet wird, un­ geachtet dessen, in welcher Richtung Strom durch den Verbraucher fließt, läßt sich der Strom sehr genau erfassen. Dies insbeson­ dere deshalb, da Ungenauigkeiten bezüglich der Toleranz von Bau­ elementen, wie sie bei der Verwendung von mehreren Bürdenwider­ ständen zur Erfassung des Stroms auftreten können, entfallen. Durch die Verwendung eines einzigen Bürdenwiderstands weist die Kennlinie in besonders vorteilhafter Weise keinen Knick im Null­ punkt auf.

Zur Bestimmung der Stromrichtung durch den Verbraucher kann bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Spannungsabfall am Verbraucher mittels eines Verstärkers gemessen werden, wobei die Ausgangsspannung des Verstärkers zur Bestimmung der Strom­ richtung verwendet wird, wie dies bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist. Besonders vorteil­ haft ist es, wenn der Verstärker als Komparator ausgebildet ist. Am Ausgang des Verstärkers beziehungsweise Komparators läßt sich dann eine der Stromrichtung durch den Verbraucher entsprechende Spannungspolarität abnehmen.

Will man auf den Verstärker zur Bestimmung der Stromrichtung durch den Verbraucher verzichten, kann zwischen dem Massenan­ schluß eines jeden Verstärkers und der Masse ein separater Bür­ denwiderstand angeordnet sein, wie dies bei einer weiteren be­ sonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist. Die Größe der an einem Bürdenwiderstand abfallenden Spannung entspricht der Größe des Stroms durch den Verbraucher. Je nachdem an wel­ chem Bürdenwiderstand ein Spannungsabfall auftritt ist die Rich­ tung des durch den Verbraucher fließenden Stroms, so daß hier­ durch die Richtung des Stroms durch den Verbraucher festgelegt ist. Zu beachten ist bei einer derartigen Ausführungsform je­ doch, daß sich die Bürdenwiderstände in ihrem elektrischen Ver­ halten nahezu nicht unterscheiden sollen.

Als sehr vorteilhaft hat sich auch eine Ausführungsform der Er­ findung herausgestellt, bei der die Endstufen der Verstärker aus MOS-Fet bestehen, welche im Gegentakt B-Betrieb arbeiten. Hier­ bei ist es sehr vorteilhaft, wenn die Endstufen der Verstärker jeweils mittels eines Operationsverstärkers angesteuert werden, auf welchen der Ausgang der betreffenden Endstufe zurückgekop­ pelt ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es sehr zweckmäßig, daß die Versorgungsspannung der Operationsverstärker höher ist als die Betriebsspannung der Schaltungsanordnung, wo­ durch die Endstufen-Transistoren vollständig durchgesteuert wer­ den können. In vorteilhafter Weise kann die Versorgungsspannung der Operationsverstärker mittels einer Ladungspumpe erzeugt wer­ den, wie dies bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist.

Durch die Verwendung von MOS-Fet-Endstufen wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß keine Querströme fließen. Da die Gates der Transistoren isoliert sind, fließt der Strom durch die Last zwingend auch durch den betreffenden Bürdenwiderstand. Durch die höhere Versorgungsspannung der Operationsverstärker wird in vor­ teilhafter Weise erreicht, daß die Endstufen-Transistoren voll­ ständig durchgesteuert werden können. Durch die Verwendung einer Ladungspumpe kann die höhere Versorgungsspannung der Operations­ verstärker auf einfache Weise erzeugt werden.

In einer integrierten Schaltung (ASIC) gibt es entsprechende Möglichkeiten, die Endstufen ohne eine Ladungspumpe zu realisie­ ren. Dabei werden dann als Leistungstransistoren Bipolartypen eingesetzt. Alternativ ist es denkbar, einen herkömmlichen inte­ grierten Kopfhörer zu benutzen, da die Spulen eines Kopfhörers ähnliche Werte wie eine Spule zur Kompensation des elektrischen Feldes des Ringkerns haben.

Zur Vorzeichenerkennung kann die Spannung zwischen den beiden Zweigen des Brückentreibers ausgewertet werden. Hierzu wird im ASIC die Spannung an den beiden Basen des NPN- oder des PNP- Paares über einen Komparator verglichen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist, daß bei entsprechen­ der Dimensionierung ausschließlich die Toleranz des Bürdenwider­ stands in die Meßgenauigkeit eingeht. Durch den Massebezug der Ausgangsspannung kann diese direkt auf einen regelmäßig in einem zur Auswertung verwendeten Controller angeordneten Analog- Digital-Wandler gegeben werden, was sich sehr vorteilhaft auf die Kosten auswirkt. Es ist auch kein Präzisionsverstärker not­ wendig, wodurch ebenfalls die Kosten gesenkt werden können.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung.

Es zeigt

Fig. 1 eine herkömmliche Schaltungsanordnung eines Kompensa­ tionsstromsensors,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung und

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Wie Fig. 2 entnommen werden kann, ist ein als Kompensationsspu­ le ausgebildeter Verbraucher 16 zwischen den Ausgängen 14c, 15c von zwei Verstärkern 14, 15 geschaltet. Die Verstärker 14, 15 weisen zur Versorgung mit einer unipolaren Betriebsspannung V_CC einen Versorgungsspannungsanschluß 14a, 15a sowie einen Massean­ schluß 14b, 15b auf. Die Versorgungsanschlüsse 14a, 15a sind di­ rekt mit dem Anschluß 18a der Betriebsspannungsquelle V_CC verbun­ den. Die Masseanschlüsse 14b, 15b sind direkt miteinander ver­ bunden. Zwischen den verbundenen Masseanschlüssen 14b, 15b und der Masse 18b ist ein Bürdenwiderstand 17 geschaltet. Die am Bürdenwiderstand 17 abfallende Spannung U_A ist ein Maß für den durch den Verbraucher 16 fließenden Strom.

Die am Verbraucher 16 abfallende Spannung wird auf den Eingang eines Komparators 19 gegeben. Die Ausgangsspannung des Kompara­ tors 19 läßt sich zur Auswertung der Richtung des Stromflusses durch den Verbraucher 16 verwenden.

Die Verstärkungen der Verstärker 14, 15 sind so eingestellt, daß der erste Verstärker 14 eine Verstärkung von minus 1 und der zweite Verstärker 15 eine Verstärkung von 1 hat.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen der Schaltungsanordnung von Fig. 2. Zur Unter­ scheidung der Bauelemente beginnen die Bezugszeichen jedoch mit einer 2 statt mit einer 1.

Im Unterschied zur Schaltungsanordnung nach Fig. 2 sind bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 die Massenanschlüsse 24b, 25b der Verstärker 24, 25 nicht direkt miteinander verbunden. Die Masseanschlüsse 24b, 25b sind jeweils über einen separaten Bür­ denwiderstand 27, 27' mit der Masse 28b verbunden.

Der Spannungsabfall U_A1 am ersten Bürdenwiderstand 27 entspricht der Größe des Stromes durch den Verbraucher 26 bei einem Strom­ fluß vom Ausgang 25c des zweiten Verstärkers 25 zum Ausgang 24c des ersten Verstärkers 24. Der Spannungsabfall am zweiten Bür­ denwiderstand 27' entspricht der Größe des Stroms durch den Ver­ braucher 26 vom Ausgang 24c des ersten Verstärkers 24 zum Aus­ gang 25c des zweiten Verstärkers 25. Der Spannungsabfall an den Bürdenwiderständen 27, 27' dient somit gleichzeitig zur Detekti­ on der Stromrichtung durch den Verbraucher 26.

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen der Schaltungsanordnung von Fig. 3. Zur Unter­ scheidung der Bauelemente beginnen die Bezugszeichen jedoch mit einer 3 statt mit einer 2.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung bestehen die Verstärker 34, 35 aus einer Endstufe, welche aus MOS-Fet be­ stehen, welche im Gegentakt B-Betrieb arbeiten und von Operati­ onsverstärkern 40, 41 angesteuert werden. Bei jeder Endstufe ist ein Bürdenwiderstand 37, 37' zwischen dem Masseanschluß 34b, 35b und der Masse 38b geschaltet. Der Masseanschluß 34b, 35b ent­ spricht dem Drain des P-Kanal-Transistors. Der Vorteil der Schaltungsanordnung besteht darin, das systembedingt kein Quer­ strom fließt. Da die Gates der Transistoren isoliert sind, fließt der durch den Verbraucher 36 fließende Strom zwingend auch durch den entsprechenden Bürdenwiderstand 37, 37'.

Damit die Endstufen von den Operationsverstärkern 40, 41 voll­ ständig durchgesteuert werden können, haben die Operationsver­ stärker 40, 41 ihre höhere Versorgungsspannung, welche sie aus einer Ladungspumpe 42 beziehen. Die Ladungspumpe 42 arbeitet auf herkömmliche Weise, so daß auf eine Beschreibung der Funktions­ weise der Ladungspumpe 42 verzichtet werden kann.

Die Operationsverstärker 40, 41 sind so geschaltet, daß der er­ ste Verstärker 34 eine Verstärkung von minus 1 und der zweite Verstärker 35 eine Verstärkung von 1 hat.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stroms durch einen Verbraucher (16; 26; 36), welcher zwischen den Ausgängen (14c, 15c; 24c, 25c; 34c, 35c) von zwei Verstärkern (14, 15; 24, 25; 34, 35) angeordnet ist, welche zur Versorgung mit einer unipola­ ren Betriebsspannung (V_CC) jeweils einen Versorgungsspannungsan­ schluß (14a, 15a; 24a, 25a; 34a, 35a) und einen Masseanschluß (14b, 15b; 24b, 25b; 34b, 35b) haben, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anschluß (18a; 28a; 38a) der Betriebsspannungs­ quelle und dem Versorgungsspannungsanschluß (14a, 15a; 24a, 25a; 34a, 35a) und/oder zwischen dem Masseanschluß (14b, 15b; 24b, 25b; 34b, 35b) und der Masse (18b; 28b; 38b) ein Bürdenwider­ stand (17; 27, 27'; 37, 37') geschaltet ist, an dem eine dem zu erfassenden Strom proportionale Spannung abfällt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Massenanschlüsse (14b, 15b) miteinander verbunden sind und der Bürdenwiderstand (17) zwischen den verbundenen Massean­ schlüssen (14b, 15b) und der Masse (18b) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die am Verbraucher (16) abfallende Spannung auf einen Ver­ stärker (19) gegeben wird und die Ausgangsspannung des Verstär­ kers (19) zur Bestimmung der Stromrichtung verwendet wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (19) ein Komparator ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Massenanschluß (24b, 25b; 34b, 35b) und der Masse (28b) ein separater Bürdenwiderstand (27, 27'; 37, 37') angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufen der Verstärker (34, 35) aus MOS-Fet bestehen, welche im Gegentakt B-Betrieb arbeiten.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufen der Verstärker (34, 35) jeweils mittels eines Operationsverstärkers (40, 41) angesteuert werden, auf welche der Ausgang der betreffenden Endstufe zurückgekoppelt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung (U_H) der Operationsverstärker (40, 41) höher ist als die Betriebsspannung (V_CC).

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung (U_H)der Operationsverstärker mittels einer Ladungspumpe (42) erzeugt wird.