Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines durch ein elektrisches Bauteil fließenden zeitlich gemittelten Stroms, wobei das Bauteil in einen Strompfad einer elektrischen Schaltung geschaltet ist und die Schaltung in Betrieb ist. Die Erfindung findet Anwendung in der elektrischen Messtechnik, insbesondere zur Bestimmung der genannten Größen an oberflächenmontierten, bspw. auf einer Leiterplatte montierten, elektrischen Bauelementen, sogenannten SMD-Bauteilen (engl. für: „surface-mounted device”).The invention relates to a method and a device for determining a time-average current flowing through an electrical component, wherein the component is connected in a current path of an electrical circuit and the circuit is in operation. The invention finds application in electrical measuring technology, in particular for determining the stated quantities of surface-mounted, for example, on a printed circuit board mounted, electrical components, so-called SMD components (English: "surface-mounted device").
Häufig stehen Entwickler von elektronischen Schaltungen vor dem Problem den Ausgangsstrom eines Netzteiles bzw. generell Ströme in Stromkreisen zu messen. Wenn eine solche Strommessung beim Design einer elektrischen Schaltung vorgesehen ist, wird üblicherweise ein ohmscher Nebenschlusswiderstand (Shunt) in der Schaltung vorgesehen. Allerdings wird diese Variante der Strommessung aus Gründen einer Kostenreduktion, eines unerwünschten zusätzlichen Spannungsabfalls oder einer Platzersparnis, häufig nicht umgesetzt.Frequently, developers of electronic circuits are faced with the problem of measuring the output current of a power supply unit or, in general, currents in circuits. When such a current measurement is provided in the design of an electrical circuit, an ohmic shunt resistor is usually provided in the circuit. However, this variant of the current measurement for reasons of cost reduction, an undesirable additional voltage drop or a space saving, often not implemented.
Eine weitere Methode der Strommessung ist die konventionelle Strommessung, bei der ein Strommesser in Serie mit dem interessierenden Bauteil geschaltet wird. Hierzu muss der Stromkreis unterbrochen werden, was sich speziell bei reinen Leiterplattendesigns als aufwendig darstellt.Another method of current measurement is the conventional current measurement, in which an ammeter is connected in series with the component of interest. For this purpose, the circuit must be interrupted, which is particularly complicated in pure circuit board designs.
Eine weitere bekannte Methode zur Ausnutzung von bereits in der Schaltung vorhandenen Bauteilen zur Strommessung wird häufig bei ein- oder mehrphasigen Schaltreglern eingesetzt. Dabei wird der Innenwiderstand der Speicherdrossel (Induktivität) als Shunt für eine Strommessung verwendet. Allerdings muss der Serienwiderstand der Induktivität aus dem Datenblatt bekannt sein bzw. vor dem Einbau vermessen werden, zudem ist die Messung dem Temperaturdrift und der Serientoleranz des Widerstandes unterlegen.Another known method for utilizing already existing in the circuit components for current measurement is often used in single- or multi-phase switching regulators. In this case, the internal resistance of the storage inductor (inductance) is used as a shunt for a current measurement. However, the series resistance of the inductance must be known from the data sheet or measured before installation; moreover, the measurement is inferior to the temperature drift and the series tolerance of the resistance.
Aus der DE 23 40 343 A1 ist ein Verfahren zu Strommessung in einem Stromkreis bekannt, bei dem: zwei in gegenseitigem Abstand an den Leiter angelegten Prüfspitzen ein einstellbarer Hilfsstrom über ein Strommessgerät zugeführt wird, an zwei weitere zwischen den ersten Prüfspitzen angelegte Prüfspitzen ein Galvanometer angeschlossen wird und der Hilfsstrom so eingestellt wird, dass das Galvanometer keinen Ausschlag zeigt. Der zu bestimmende Strom kann dann am Strommessgerät im Hilfsstromkreis abgelesen werden.From the DE 23 40 343 A1 A method is known for current measurement in a circuit, in which: an adjustable auxiliary current is supplied via an ammeter to two test probes applied at a mutual distance to the conductor, a galvanometer is connected to two further test probes applied between the first test probes and the auxiliary current is set in this way in that the galvanometer shows no deflection. The current to be determined can then be read on the ammeter in the auxiliary circuit.
Die Verwendung von vier Prüfspitzen bringt den Vorteil, dass die Messung durch wechselnde Kontaktwiderstände an den Prüfspitzen nicht beeinflusst wird. Dies wäre dann der Fall, wenn nur zwei Prüfspitzen zum Anschluss des Hilfsstromkreises und des Galvanometers verwendet würden. Die Spannungsabfälle an den Übergangswiderständen würden das Messergebnis fälschen. Da der Kreis, in dem das Galvanometer liegt, hochohmig ist im Verhältnis zu den Kontaktwiderständen und eine Nullmethode angewendet wird, beeinflussen diese die Messung nicht. Im Hilfsstromkreis wird ein Kompensationsstrom eingestellt, der von der Hilfsstromquelle geliefert wird, auch hier sind die Kontaktwiderstände ohne Einfluss.The use of four probes has the advantage that the measurement is not affected by changing contact resistance at the probes. This would be the case if only two probes were used to connect the auxiliary circuit and the galvanometer. The voltage drops at the contact resistors would falsify the measurement result. Since the circle in which the galvanometer is located has a high impedance in relation to the contact resistances and a zero method is used, these do not affect the measurement. In the auxiliary circuit, a compensation current is set, which is supplied by the auxiliary power source, again, the contact resistances have no influence.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines durch ein interessierendes elektrisches Bauteil fließenden mittleren Stroms anzugeben, bei dem vom Bauteil vorab keine elektrischen Kenngrößen bekannt sein müssen.The object of the invention is to specify a method and a device for determining a mean current flowing through an electrical component of interest, in which no electrical parameters need to be known in advance by the component.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Der verfahrensgemäße Aspekt der Aufgabe ist mit einem Verfahren zur Ermittlung eines zeitlich gemittelten elektrischen Stroms I gelöst, der durch ein, in einen Strompfad einer elektrischen Schaltung geschaltetes elektrisches Bauteil fließt, wobei ein Messpunkt in dem Strompfad unmittelbar vor dem Bauteil und ein Messpunkt in dem Strompfad unmittelbar nach dem Bauteil angeordnet ist, und die Schaltung während der Durchführung des Verfahrens in Betrieb ist. Die Messpunkte können bspw. durch entsprechend angeordnete elektrische Kontaktstellen einer Leiterbahn oder entsprechenden Kontaktstellen des Bauteils selbst gebildet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Verfahrensschritte auf. In einem ersten Verfahrensschritt wird zwischen den Messpunkten ein zeitlich gemittelter Spannungsabfall U ermittelt. Dieser Wert U gibt aufgrund der zeitlichen Mittelung einen Gleichspannungswert an. Der Spannungsabfall U ergibt sich über das Bauteil beim Betrieb der elektrischen Schaltung. In einem zweiten Verfahrensschritt wird während des Betriebs der elektrischen Schaltung ein vorgegebener zusätzlicher Gleichstrom IM zwischen den Messpunkten, mit IM ≠ 0, eingespeist. Dabei spielt es keine Rolle ob der Gleichstrom IM positiv oder negativ ist. Der bekannte Gleichstrom IM wird mithin einem unbekannten Strom überlagert, der während des Betriebs der elektrischen Schaltung durch das Bauteil zwischen den zwei Messpunkten fließt. In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln eines zeitlich gemittelten Spannungsabfalls: U' = U + URM zwischen den Messpunkten, wobei URM der durch den zusätzlichen Gleichstrom IM verursachte Spannungsabfall ist. Mit anderen Worten wird in diesem Schritt, während der Gleichstrom IM zwischen den Messpunkten eingespeist wird, der zeitlich gemittelte Spannungsabfall U' über das Bauteil bestimmt. Die zeitliche Abfolge des ersten bis dritten Verfahrensschritts ist grundsätzlich beliebig. Sie müssen jedoch vor Beginn des vierten Verfahrensschritts ausgeführt sein. In einem vierten Verfahrensschritt wird aus dem ermittelten Spannungsabfall U und dem ermittelten zeitlich gemittelten Spannungsabfalls: U' die Spannung URM ermittelt: URM = U' – U. In einem fünften Verfahrensschritt wird nun der ohmsche Widerstand RS des Bauteils gemäß: RS = IM/URM (1) bestimmt. In einem sechsten Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln des mittleren elektrischen Stroms I durch das Bauteil gemäß: I = U/RS. (2) The procedural aspect of the object is a method for determining a time-averaged electric current I solved, which flows through a, connected in a current path of an electrical circuit electrical component, wherein a measuring point in the current path immediately before the component and a measuring point in the current path is arranged immediately after the component, and the circuit during the implementation of the method in operation is. The measuring points can be formed, for example, by appropriately arranged electrical contact points of a conductor track or corresponding contact points of the component itself. The method according to the invention has the following method steps. In a first method step, a time-average voltage drop between the measuring points U determined. This value U indicates a DC voltage value due to the time averaging. The voltage drop U results from the component during operation of the electrical circuit. In a second method step, during the operation of the electrical circuit, a predetermined additional direct current I M between the measuring points, with I M ≠ 0, is fed. It does not matter if the direct current I M is positive or negative. The known direct current I M is thus superimposed on an unknown current which flows during the operation of the electrical circuit through the component between the two measuring points. In a third method step, a determination of a time-averaged voltage drop takes place: U '= U + U RM between the measuring points, where U RM is the voltage drop caused by the additional direct current I M. In other words, in this step, while the DC current I M is being fed between the measurement points, the time-averaged voltage drop U ' determined by the component. The time sequence of the first to third process steps is basically arbitrary. However, they must be completed before the start of the fourth process step. In a fourth method step is from the determined voltage drop U and the determined time-averaged voltage drop: U ' the voltage U RM determines: U RM = U '- U , In a fifth method step, the ohmic resistance R S of the component is then determined according to: R S = I M / U RM (1) certainly. In a sixth method step, a determination of the average electrical current takes place I through the component according to: I = U / R S. (2)
Das erfindungsgemäße Verfahren dient somit dazu, den zeitlich gemittelten Strom I zu bestimmen, der durch ein in einen elektrischen Stromkreis geschaltetes elektrisches Bauteil im Betrieb fließt. Im Unterscheid zum Stand der Technik muss hierfür der Innenwiderstand bzw. der ohmsche Widerstand RS des Bauteils vor Beginn des Verfahrens nicht bekannt sein, sondern dieser wird wie oben ausgeführt während des Verfahrens bestimmt.The method according to the invention thus serves the time-averaged current I to be determined, which flows through an electrical component switched into an electrical circuit during operation. In contrast to the prior art, the internal resistance or the ohmic resistance R S of the component need not be known before the start of the process, but this is determined during the process as stated above.
Für die Ermittlung des Spannungsabfalls U wird über ein Zeitintervall ΔtU gemittelt. Für die Ermittlung des Spannungsabfalls U' wird über ein Zeitintervall ΔtU' gemittelt.For the determination of the voltage drop U is averaged over a time interval Δt U. For the determination of the voltage drop U ' is averaged over a time interval Δt U ' .
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Einspeisen des Gleichstroms IM und das Ermitteln des Spannungsabfalls U' mittels einer Vierleitermessung erfolgt. Hierzu werden die Messpunkte entsprechend kontaktiert. Bei der Vierleitermessung, auch als Vierleiter-Anschluss bezeichnet, fließt über zwei der Leitungen der bekannte Gleichstrom IM durch das Bauteil. Die am Bauteil abfallende Spannung U' wird hochohmig über zwei weitere Leitungen abgegriffen und mit einem Spannungsmessgerät gemessen, der Widerstand RS des Bauteils ergibt sich dann wie zuvor ausgeführt, nach dem ohmschen Gesetz. Durch die Vierleitermessung werden Messfehler vermieden, die bei einer einfachen Zweileitermessung aufgrund der Widerstände der stromführenden Zuleitungen oder der Kontaktstellen auftreten, indem durch diese Widerstände nun nur noch ein sehr geringer Strom fließt und daher praktisch kein Spannungsabfall mehr auftritt. Bevorzugt erfolgt die Kontaktierung der Messpunkte mittels Micro-SMD-Clips.A preferred development of the method according to the invention is characterized in that the feeding of the direct current I M and the determination of the voltage drop U ' carried out by means of a four-conductor measurement. For this, the measuring points are contacted accordingly. In the four-wire measurement, also referred to as a four-wire connection flows over two of the lines of the known DC current I M through the component. The voltage dropped on the component U ' is tapped at high impedance via two further lines and measured with a voltage measuring device, the resistance R S of the component is then obtained as previously stated, according to Ohm's law. The four-wire measurement measurement errors are avoided, which occur in a simple two-wire measurement due to the resistances of the current-carrying leads or contact points by now only a very small current flows through these resistors and therefore virtually no voltage drop occurs. Preferably, the contacting of the measuring points by means of micro-SMD clips.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren beginnend mit Schritt 1.1. oder Schritt 1.2. zwei oder mehrfach wiederholt ausgeführt wird, so dass der mittlere elektrische Strom I(t) zu verschiedenen Zeiten t1, t2, t3, ... ermittelt wird. Bevorzugt wird das Verfahren in unregelmäßigen, insbesondere in zufallsverteilten Zeitabständen wiederholt, so dass insbesondere die Einspeisungen des Gleichstroms IM im zweiten Verfahrensschritt keine zeitliche Periodizität aufweisen. Würde eine solche Periodizität TM vorliegen, könnten Messfehler durch Schwebungs- oder Aliasingeffekte auftreten, wenn auch dem zu ermittelnden Strom I ggf. eine Störung mit genau derselben, einem Vielfachen oder einem Bruchteil der Periode TM überlagert ist. Dieser Effekt kann entsprechend minimiert bzw. verhindert werden, wenn die wiederholten Einspeisungen des Gleichstroms IM zeitlich nicht periodisch, insbesondere echt zufällig oder nach einem Pseudozufalls rauschen erfolgt. Weiterhin bevorzugt weisen Zeitintervalle ΔtU' über die Spannungsabfälle U' jeweils zeitlich gemittelt werden bzw. in denen Einspeisungen des Gleichstroms IM erfolgen, unregelmäßige, insbesondere zufallsverteilte Zeitintervalllängen auf.A preferred development of the method according to the invention is characterized in that the method begins with step 1.1. or step 1.2. is repeated two or more times, so that the average electric current I (T) at different times t 1 , t 2 , t 3 , ... is determined. Preferably, the method is repeated in irregular, in particular at random intervals, so that in particular the feeds of the direct current I M have no temporal periodicity in the second process step. If such a periodicity TM were present, measurement errors due to beating or aliasing effects could occur, even if the current to be determined I if necessary, a fault with exactly the same, a multiple or a fraction of the period TM is superimposed. This effect can be minimized or prevented accordingly, if the repeated feeds of the direct current I M time not periodically, in particular true random or after a pseudo random noise occurs. Furthermore, time intervals Δt U ' preferably have the voltage drops U ' are respectively averaged over time or in which feeds of the direct current I M occur, irregular, in particular randomly distributed time interval lengths.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Verfahren beginnend mit Schritt 1.1. oder Schritt 1.2. zwei oder mehrfach wiederholt ausgeführt wird, so dass der mittlere elektrische Strom I(t) zu verschiedenen Zeiten t1, t2, t3, ... ermittelt wird, und sofern sich eine Abweichung des eines Stroms I(t = tn) für n > 1 von dem Strom I(t = t1) ergibt, die einen vorgegebenen Wert ΔI übersteigt, eine Warnung erzeugt und ausgegeben wird. Durch die mehrfache Wiederholung des Verfahrens kann geprüft werden, ob der mittlere Strom I(t) durch das Bauteil zeitlich konstant ist. Hierzu werden die Werte des mittleren Stroms I(t) mit den Werten der vorangehenden Verfahrensergebnisse verglichen. Weichen die Ergebnisse erheblich, d. h. um mehr als eine vorgegebene Wertdifferenz ΔI voneinander ab, so kann auf einen zeitlich nicht konstanten mittleren Strom I(t) durch das Bauteil geschlossen werden. In diesem Fall wird ein Nutzer durch eine entsprechende Warnung informiert. Zu derartigen zeitlichen Schwankungen des Stroms I(t) kann es beispielsweise kommen, wenn in der elektrischen Schaltung Verbraucher vorhanden sind, welche sehr niederfrequent zu- bzw. abgeschaltet werden.A particularly preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the method begins with step 1.1. or step 1.2. is repeated two or more times, so that the average electric current I (T) at different times t 1 , t 2 , t 3 , ... is determined, and if there is a deviation of a current I (t = t n) for n> 1 of the stream I (t = t 1 ) results, which exceeds a predetermined value .DELTA.I, a warning is generated and output. By repeated repetition of the procedure can be checked whether the average current I (T) is constant over time by the component. These are the values of the average current I (T) compared with the values of the previous process results. If the results deviate significantly, ie by more than a predetermined value difference ΔI from one another, then the average current can not be constant over time I (T) be closed by the component. In this case, a user is informed by a corresponding warning. To such temporal fluctuations of the current I (T) It may, for example, come when consumers are present in the electrical circuit, which are switched on or off very low frequency.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass sofern sich eine Abweichung des Stroms I(t = tn) für n > 1 von dem Strom I(t = t1) ergibt, die einen vorgegebenen Wert ΔI2 übersteigt, ein Mittelwert des Stroms <I(t = tn)> für n ≥ 1 ermittelt wird.A further preferred development of the method according to the invention is characterized in that provided that a deviation of the current I (t = t n) for n> 1 of the stream I (t = t 1 ) reveals which exceeds a predetermined value ΔI 2 , an average value of the current < I (t = t n)> for n ≥ 1 is determined.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Einspeisen des Gleichstroms IM als Cosinus-Rolloff-Gleichstromimpuls erfolgt. Dies ermöglicht eine Verkürzung der Auswerte- bzw. der Messzeit.A further preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the feeding of the direct current I M as a cosinus-rolloff DC pulse takes place. This allows a shortening of the evaluation or the measuring time.
Der vorrichtungsgemäße Aspekt der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Ermittlung und Ausgabe eines zeitlich gemittelten elektrischen Stroms I gelöst, der durch ein, in einen Strompfad einer elektrischen Schaltung geschaltetes elektrisches Bauteil fließt, wobei ein Messpunkt in dem Strompfad unmittelbar vor dem Bauteil und ein Messpunkt in dem Strompfad unmittelbar nach dem Bauteil angeordnet, und die Schaltung während der Durchführung des Verfahrens in Betrieb ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ein erstes Mittel, mit dem ein zeitlich gemittelter Spannungsabfall U zwischen den Messpunkten ermittelbar ist, ein zweites Mittel, mit dem ein vorgegebener zusätzlicher Gleichstrom IM zwischen den Messpunkten, mit IM ≠ 0, einspeisbar ist, ein drittes Mittel, mit dem ein zeitlich gemittelter Spannungsabfall: U' = U + URM zwischen den Messpunkten ermittelbar ist, wobei URM durch den zusätzlichen Gleichstrom IM verursachte Spannungsabfall ist, und ein Auswertemittel, mit dem URM gemäß: URM = U' – U, RS gemäß: RS = IM/URM und der elektrischen Gleichstrom I durch das Bauteil gemäß: I = U/RS ermittelbar sind, und ein Ausgabemittel, mit dem der ermittelte Strom I ausgebbar ist. Das erste und das dritte Mittel sind bevorzugt als ein Mittel ausgestaltet, mit dem sowohl der zeitlich gemittelte Spannungsabfall U als auch der zeitlich gemittelte Spannungsabfall: U' = U + URM zwischen den Messpunkten ermittelbar ist.The device-related aspect of the object is achieved by a device for detecting and outputting a time-averaged electric current I solved, which flows through a, connected in a current path of an electrical circuit electrical component, wherein a measuring point in the current path immediately in front of the component and a measuring point in the current path immediately after the component is arranged, and the circuit during the implementation of the method in operation , The device according to the invention comprises a first means, with which a time-averaged voltage drop U between the measuring points can be determined, a second means with which a predetermined additional direct current I M between the measuring points, with I M ≠ 0, can be fed, a third means, with a time-averaged voltage drop: U '= U + U RM between the measuring points can be determined, wherein U RM is caused by the additional direct current I M voltage drop, and an evaluation means, with the U RM according to: U RM = U '- U . R S according to: R S = I M / U RM and the electrical direct current I through the component according to: I = U / R S can be determined, and an output means with which the determined current I is dispensable. The first and the third means are preferably designed as a means with which both the time-averaged voltage drop U as well as the time averaged voltage drop: U '= U + U RM between the measuring points can be determined.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Figuren Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separaten Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details emerge from the following description in which exemplary embodiments are described in detail with reference to the figures. Described and / or illustrated features form the subject of the invention, or independently of the claims, either alone or in any meaningful combination, and in particular may additionally be the subject of one or more separate applications. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigen:Show it:
1 eine schematisierte Darstellung eines zwischen zwei Messpunkte eines Strompfads geschalteten elektrischen Bauteils zur Erläuterung der Erfindung, 1 a schematic representation of an electrical component connected between two measuring points of a current path for explaining the invention,
2 eine schematisierte Darstellung eines zwischen zwei Messpunkte eines Strompfads geschalteten elektrischen Bauteils zur Erläuterung der Erfindung, 2 a schematic representation of an electrical component connected between two measuring points of a current path for explaining the invention,
3 eine schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 3 a schematic representation of an embodiment of an application of a device according to the invention,
4 eine schematisierte Darstellung zur Kontaktierung der Messpunkte mittels Micro-SMD-Clips 4 a schematic representation for contacting the measuring points by means of micro-SMD clips
5 eine schematisierte Darstellung des Verfahrensablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und 5 a schematic representation of the process flow of a method according to the invention, and
6 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6 a schematic representation of a device according to the invention
Der Begriff „elektrisches Bauteil” 101 im Sinne der vorliegenden Erfindung wird weit gefasst verstanden. Er kann beispielsweise eine Induktivität, einen Widerstand, ein Teilstück einer Leiterbahn, eine Diode oder einen Zusammenschluss mehrerer elektrischer Bauelemente umfassen. Das elektrische Bauteil 101 ist Bestandteil einer elektrischen Schaltung und als solches in einen Strompfad der elektrischen Schaltung geschaltet. In diesem Strompfad sind unmittelbar vor und unmittelbar hinter dem Bauelement, oder direkt an leitenden Teilen des Bauelements, je eine elektrische Kontaktstelle (d. h. insgesamt zwei Kontaktstellen) vorhanden. Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den zeitlich gemittelten Strom I , welcher durch das Bauteil 101 fließt zu bestimmen, ohne über elektrische Kenndaten des Bauteils 101 zu verfügen. Zur Erläuterung der Erfindung ist in 1 eine schematisierte Darstellung eines zwischen zwei Messpunkte 606 eines Strompfads geschalteten elektrischen Bauteils 101 gezeigt. Das Bauteil ist vorliegend eine Spule. Das dargestellte Ersatzschaltbild der Spule ist eine Serienschaltung einer Induktivität L 102 und eines ohmschen Widerstand RS 103. Im Betrieb der elektrischen Schaltung ergibt sich ein Spannungsabfall U zwischen den Messpunkten 606, d. h. über das Bauteil 101, wobei durch das Bauteil 101 ein Strom I fließt. Der Spannungsabfall U lässt sich in der Ersatzschaltung zerlegen in: U = U L + U R (5) The term "electrical component" 101 For the purposes of the present invention is understood in a broad sense. It may comprise, for example, an inductance, a resistor, a section of a conductor track, a diode or a combination of a plurality of electrical components. The electrical component 101 is part of an electrical circuit and connected as such in a current path of the electrical circuit. In this current path immediately before and immediately behind the component, or directly to conductive parts of the device, depending on an electrical contact point (ie a total of two contact points) available. The aim of the present invention is to provide the time average current I passing through the component 101 flows to determine without electrical characteristics of the component 101 to dispose of. To explain the invention is in 1 a schematic representation of one between two measuring points 606 a current path switched electrical component 101 shown. The component is present a coil. The illustrated equivalent circuit of the coil is a series connection of an inductance L. 102 and an ohmic resistance R S 103 , During operation of the electrical circuit, a voltage drop U results between the measuring points 606 ie over the component 101 , where by the component 101 a current I flows. The voltage drop U can be decomposed in the equivalent circuit in: U = U L + U R (5)
Ziel ist es nun, den zeitlich gemittelten Gleichstrom I zu bestimmen, der über die gleichphasige Spannung U R und dem zugehörigen Widerstand R S berechnet werden kann. Um die Berechnung des Stromes I durchführen zu können, muss vorab der Serienwiderstand RS 103 ermittelt werden. Diese Vorgehensweise ist einer der wesentlichen Unterschiede zu im Stand der Technik bekannten Strommessverfahren. Hierzu wird zwischen den Messpunkten 606 ein zusätzlicher Gleichstrom IM eingeprägt. Dieser verursacht einen zusätzlichen Spannungsabfall URM am ohmschen Widerstand 103 des Bauteils 101.The aim now is the time-averaged direct current I to determine the on-phase voltage U R and the associated resistor R S can be calculated. To the calculation of the current I to be able to perform in advance, the Series resistance R S 103 be determined. This approach is one of the major differences from current measurement techniques known in the art. This is done between the measuring points 606 an additional direct current I M impressed. This causes an additional voltage drop U RM at the ohmic resistance 103 of the component 101 ,
2 zeigt diesen Sachverhalt und ist im Übrigen identisch mit 1. Ein zusätzlicher Spannungsabfall an der als ideal angenommenen Induktivität 102 wird nicht verursacht, das es sich bei dem eingeprägten Strom IM um einen Gleichstrom handelt. Der eingeprägte Strom IM ist bekannt, da dieser Strom von einer entsprechenden Stromquelle einstellbar vorgegeben wird. Gemessen wird nun die Spannung U + URM = U L + U R + URM. Durch zeitliches Mitteln wird nun die die Gleichspannung U' = U + URM ermittelt. Wiederholt man anschließend dieses Verfahren mit IM = 0 erhält man die mittlere Spannung U, welche über dem Bauteil beim Betrieb der elektrischen Schaltung abfällt. Die Differenz der beiden Messungen liefert URM = U' – U und mittels des ohmschen Gesetzes kann aus URM und IM der Wert des Serienwiderstand RS des Bauteils 101 berechnet werden. 2 shows this fact and is otherwise identical to 1 , An additional voltage drop across the ideal inductance 102 is not caused that the impressed current I M is a direct current. The impressed current I M is known because this current is set by an appropriate power source adjustable. Now the voltage is measured U + U RM = U L + U R + U RM . By temporal means is now the DC voltage U '= U + U RM determined. If this process is then repeated with I M = 0, the mean stress is obtained U . which drops over the component during operation of the electrical circuit. The difference between the two measurements provides U RM = U '- U and by means of the ohmic law, the value of the series resistance R S of the component can be determined from U RM and I M 101 be calculated.
Zur Ermittlung des ohmschen Serienwiderstandes RS wird somit zumindest zweimal der mittlere Spannungsabfall über dem Bauteil 101 gemessen. Einmal mit eingeprägtem Messstrom IM und ein zweites Mal ohne Messstrom. Als Ergebnis dieser beiden Spannungsmessungen steht der Serienwiderstand RS zur Verfügung, zudem ist aus der zweiten Messung der mittlere Spannungsabfall über dem Prüfling U bekannt, welcher vom Strom I verursacht wird. Mit RS und U kann der reale zeitlich gemittelte Strom I durch das vermessene Bauteil 101 berechnet werden. Somit wird der durch das Bauteil 101 fließende Strom I ermittelt, ohne dass vorab elektrische Parameter des Bauteils bekannt sein müssen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren spielt es keine Rolle, ob der zu ermittelnde Strom I positiv oder negativ ist. Weiterhin kann dem Strom I eine beliebige Wechselspannung überlagert sein.To determine the ohmic series resistance R S is thus at least twice the average voltage drop across the component 101 measured. Once with impressed measuring current I M and a second time without measuring current. As a result of these two voltage measurements, the series resistance R S is available; in addition, the second measurement shows the mean voltage drop across the test object U known which of the stream I is caused. With R S and U can the real time averaged current I through the measured component 101 be calculated. Thus, the through the component 101 flowing electricity I determined without first electrical parameters of the component must be known. In the method according to the invention, it does not matter if the current to be determined I is positive or negative. Furthermore, the stream can I be superimposed on any AC voltage.
3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Anwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 600. Dargestellt ist eine vertikale gestrichelte Linie, welche eine linke Seite, auf der das in einen Strompfad einer elektrischen Schaltung (nicht dargestellt) geschaltete Bauteil 101 dargestellt ist, von einer rechten Seite trennt, auf der ein schematisiertes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 600 dargestellt ist. Das Bauteil 101 ist zwischen die Kontaktstellen 606 geschaltet. Der Einfachheit halber ist auf der linken Seite, die zuvor in 1 und 2 dargestellte und besprochene elektrische Anordnung gewählt. Die Spannung UB_Mess ist die Betriebsspannung der Vorrichtung 600. Der DC-Messstrom IM fließt von der Quelle UB_mess, durch das Bauteil 101, aus der zu vermessenden Schaltung wieder heraus, und über die Diode 304 und die spannungsgesteuerte Gleichstromquelle 305 in Richtung Bezugsmasse der Vorrichtung 606. Um einen definierten und Bauteilunabhängigen Messstrom IM einprägen zu können, wird eine einstellbare Gleichstromquelle eingesetzt. Die in 3 dargestellten Tiefpassfilter 301 dienen dazu, eine am Bauteil 101 ggf. anliegende Wechselspannung auszufiltern. Die beiden mittleren Tiefpassfilter 301 bilden den Mittelwert des differentiell gemessenen Spannungsabfalls über dem Bauteil 101. Anschließend wird das Messsignal mittels des Verstärkers 302 passend verstärkt und steht für die Berechnung des Stromwertes zur Verfügung. 3 shows a schematic representation of an embodiment of an application of a device according to the invention 600 , Shown is a vertical dashed line, which is a left side on which the in a current path of an electrical circuit (not shown) connected component 101 is shown separated from a right side, on which a schematic block diagram of a device according to the invention 600 is shown. The component 101 is between the contact points 606 connected. For simplicity's sake, on the left side, previously in 1 and 2 selected and discussed electrical arrangement selected. The voltage U B_Mess is the operating voltage of the device 600 , The DC measuring current I M flows from the source U B_mess , through the component 101 , back out of the circuit to be measured, and across the diode 304 and the voltage controlled DC power source 305 towards the reference ground of the device 606 , In order to be able to impress a defined and component-independent measuring current I M , an adjustable direct current source is used. In the 3 shown low-pass filter 301 serve to one on the component 101 if necessary, filter out applied AC voltage. The two middle low-pass filters 301 form the mean of the differentially measured voltage drop across the device 101 , Subsequently, the measuring signal by means of the amplifier 302 appropriately reinforced and is available for the calculation of the current value.
4 zeigt eine schematisierte Darstellung zur Kontaktierung der Messpunkte 606 mittels Micro-SMD-Clips 402. Der Anschluss der Vorrichtung 600 an die Kontaktpunkte 606 am Bauteil 101 bzw. die entsprechenden Kontaktstellen 606 im entsprechenden Strompfad erfolgt dabei bevorzugt nach dem Prinzip der Vierleitermessung. Bei den Bauteilen 101 handelt es sich in der Regel um SMD-Bauteile. Um diese elektrisch mit vier Messleitungen 407, 408 zu kontaktieren bieten sich beispielsweise Micro-SMD Clips an, welche nach 4 beschaltet sind. Die spezielle Ausgestaltung der Kontakte 405 der vorliegend verwendeten Micro-SMD-Clips 402 ist in vergrößerter Form innerhalb der dargestellten Kreise gezeigt. Dabei werden die elektrischen Leitungen 408, welche den Messstrom IM einspeisen und wieder abführen von dem Leitungspaar 407 zur Spannungsmessung getrennt. Die Leitungen 407 und 408 haben jeweils einen Leitungswiderstand RL. Die Vierleitermessung hat den Vorteil, dass durch den Messstrom IM kein zusätzlicher Spannungsabfall über die parasitären Widerstände der Spannungsmessleitungen 407 verursacht wird. 4 shows a schematic representation for contacting the measuring points 606 using micro SMD clips 402 , The connection of the device 600 to the contact points 606 on the component 101 or the corresponding contact points 606 in the corresponding current path is preferably carried out according to the principle of four-wire measurement. For the components 101 These are usually SMD components. To make this electrically with four test leads 407 . 408 For example, Micro-SMD clips are available to contact after 4 are wired. The special design of the contacts 405 the micro-SMD clips used here 402 is shown in enlarged form within the circles shown. This will be the electrical wiring 408 , which feed the measurement current I M and again dissipate from the line pair 407 separated for voltage measurement. The wires 407 and 408 each have a line resistance R L. The four-conductor measurement has the advantage that no additional voltage drop across the parasitic resistances of the voltage measurement lines due to the measurement current I M 407 is caused.
Durch genau diese Beschaltung der Micro SMD Clips wird erreicht, dass das Bauteil 101 unabhängig von seiner Orientierung kontaktiert werden kann. Dies schafft Flexibilität, speziell bei dicht bestückten Leiterplatten. Zu beachten ist lediglich, dass die Orientierung der SMD Clips dieselbe ist, d. h. wie in 4 dargestellt, die Spitzen der Klemmen 405 beide nach oben oder unten orientiert sind.It is precisely this wiring of the Micro SMD clips that achieves that component 101 regardless of his orientation can be contacted. This creates flexibility, especially with densely populated printed circuit boards. Please note that the orientation of the SMD clips is the same, ie as in 4 shown, the tips of the clamps 405 both are oriented up or down.
Zur Optimierung des Verfahrens im Hinblick auf eine Erhöhung der Störunempfindlichkeit wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante eine gewisse Zeit lang ein Messstrom IM eingeprägt, bevor der mittlere Spannungsabfall U' gemessen und anschließend die Spannungsmessung ohne eingeprägten Messstrom wiederholt wird. Wenn der Messstrom IM zu- bzw. abgeschaltet wird, benötigen die Tiefpassfilter 301 eine gewisse Zeit um sich einzuschwingen, d. h. den stationären Endwert zu erreichen. Erst nach Ablauf der Einschwingzeit kann eine reproduzierbare Spannungsmessung durchgeführt werden. Anstelle eines rechteckförmigen Messstrompulses wird bevorzugt ein Cosinus-Rolloff-Impuls eingespeist, wodurch Überschwinger an den Filtern vermieden werden. Grund hierfür ist das schmalere Spektrum des Cosinus-Rolloff-Impulses im Vergleich zu einem Rechteckpuls. Durch die Vermeidung von Überschwingern kann die Messzeit optimiert werden.In order to optimize the method with regard to increasing the immunity to interference, in a preferred variant of the method, a measuring current I M is impressed for a certain time before the mean voltage drop U ' measured and then the voltage measurement is repeated without impressed measuring current. When the measuring current I M is switched on or off, the low-pass filters are required 301 a certain amount of time around to swing in, ie to reach the steady end value. Only after the settling time has elapsed can a reproducible voltage measurement be carried out. Instead of a rectangular measurement current pulse, a cosine rolloff pulse is preferably fed in, whereby overshoots on the filters are avoided. The reason for this is the narrower spectrum of the cosine rolloff pulse compared to a square pulse. By avoiding overshoots, the measurement time can be optimized.
Das beschriebene Verfahren zur Messung von Strömen I durch ein Bauteil 101, direkt am Bauteil 101, kann nur unter Berücksichtigung einiger funktionsbedingter Einschränkungen durchgeführt werden. Das um das Bauteil 101 befindliche elektrische Netzwerk verursacht einen zu messenden Stromfluss im Bauteil selbst. Dieser Stromfluss kann ein Gleichstrom sein, soll aber keine niederfrequenten Wechselstromanteile enthalten, da in diesem Fall die Unterdrückung dieser Frequenz durch die Tiefpassfilter im Messgerät nicht mehr gewährleistet ist und somit die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird. Zudem können keine mittelwertsfreien Ströme gemessen werden. Grund dafür ist, dass das Verfahren den Mittelwert des Spannungsabfalls über dem Bauteil aufnimmt und sobald dieser Null ist kann lediglich der Innenwiderstand RS des Bauteils ermittelt werden.The method described for measuring currents I through a component 101 , directly on the component 101 , can only be carried out considering some functional limitations. That around the component 101 This electrical current can be a direct current, but should not contain low-frequency alternating current components, as in this case the suppression of this frequency by the low-pass filter in the meter is no longer guaranteed and thus the measurement accuracy is impaired. In addition, no mean-free currents can be measured. The reason for this is that the method absorbs the mean value of the voltage drop across the component and as soon as it is zero, only the internal resistance R S of the component can be determined.
5 zeigt eine schematisierte Darstellung des Verfahrensablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung eines zeitlich gemittelten elektrischen Stroms I , der durch ein, in einen Strompfad einer elektrischen Schaltung geschaltetes elektrisches Bauteil 101 fließt, wobei ein Messpunkt 606 in dem Strompfad vor dem Bauteil 101 und ein Messpunkt 606 in dem Strompfad nach dem Bauteil 101 angeordnet ist, und die Schaltung während der Durchführung des Verfahrens in Betrieb ist. In einem ersten Verfahrensschritt 501 erfolgt ein Ermitteln eines zeitlich gemittelten Spannungsabfalls U zwischen den Messpunkten 606. In einem zweiten Verfahrensschritt 502 erfolgt ein Einspeisen eines vorgegebenen zusätzlichen Gleichstroms IM zwischen den Messpunkten 606, mit IM ≠ 0. In einem dritten Verfahrensschritt 503 erfolgt ein Ermitteln eines zeitlich gemittelten Spannungsabfalls: U' = U + URM zwischen den Messpunkten 606, wobei URM durch den zusätzlichen Gleichstrom IM verursachte Spannungsabfall ist. In einem vierten Verfahrensschritt 504 erfolgt ein Ermitteln von URM gemäß: URM = U' – U. In einem fünften Verfahrensschritt 505 erfolgt ein Ermitteln von RS gemäß: RS = IM/URM. In einem sechsten Verfahrensschritt erfolgt ein Ermitteln von I gemäß: I = U/RS. Nach dem Verfahrensschritt 506 wird das Verfahren beginnend mit Verfahrensschritt 501 in zeitlich unregelmäßigen Abständen mehrmals wiederholt. 5 shows a schematic representation of the process flow of a method according to the invention for determining a time-averaged electric current I by an electrical component connected in a current path of an electrical circuit 101 flows, being a measuring point 606 in the current path in front of the component 101 and a measuring point 606 in the current path after the component 101 is arranged, and the circuit during operation of the method is in operation. In a first process step 501 there is a determination of a time-averaged voltage drop U between the measuring points 606 , In a second process step 502 a feeding in of a predetermined additional direct current I M takes place between the measuring points 606 , with I M ≠ 0. In a third process step 503 there is a determination of a time-averaged voltage drop: U '= U + U RM between the measuring points 606 where U RM is the voltage drop caused by the additional direct current I M. In a fourth process step 504 a determination of U RM according to: U RM = U '- U , In a fifth process step 505 a determination is made of R S according to: R S = I M / U RM . In a sixth method step, a determination of I according to: I = U / R S. After the process step 506 the procedure is beginning with process step 501 repeated several times at irregular intervals.
6 zeigt eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 600 zur Ermittlung und Ausgabe eines zeitlich gemittelten elektrischen Stroms I , der durch ein, in einen Strompfad einer elektrischen Schaltung geschaltetes elektrisches Bauteil 101 fließt, wobei ein Messpunkt 606 in dem Strompfad vor dem Bauteil 101 und ein Messpunkt 606 in dem Strompfad nach dem Bauteil 101 angeordnet ist, und wobei die Schaltung während der Durchführung des Verfahrens in Betrieb ist. Die Vorrichtung 600 umfasst ein erstes Mittel 601, mit dem der zeitlich gemittelte Spannungsabfall U sowie der zeitlich gemittelte Spannungsabfall: U' = U + URM zwischen den Messpunkten ermittelbar ist, wobei URM der durch den zusätzlichen Gleichstrom IM verursachte Spannungsabfall ist; ein zweites Mittel 602, mit dem ein vorgegebener zusätzlicher Gleichstrom IM zwischen den Messpunkten 606, mit IM ≠ 0, einspeisbar ist; ein Auswertemittel 603, mit dem gemäß: URM = U' – U, RS gemäß: RS = IM/URM und I gemäß: I = U/RS ermittelbar sind, und ein Ausgabemittel 604, mit dem I ausgebbar ist. Die Verbindung zwischen der Vorrichtung 600 und dem Bauteil 101 erfolgt nach dem Prinzip der Vierleitermessung über die Leitungen 407 und 408. 6 shows a schematic representation of a device according to the invention 600 for determining and outputting a time-averaged electric current I by an electrical component connected in a current path of an electrical circuit 101 flows, being a measuring point 606 in the current path in front of the component 101 and a measuring point 606 in the current path after the component 101 is arranged, and wherein the circuit during operation of the method is in operation. The device 600 comprises a first means 601 , with which the time averaged voltage drop U and the time averaged voltage drop: U '= U + U RM between the measuring points can be determined, where U RM is the voltage drop caused by the additional direct current I M ; a second means 602 , with which a given additional direct current I M between the measuring points 606 , with I M ≠ 0, can be fed; an evaluation means 603 , according to: U RM = U '- U . R S according to: R S = I M / U RM and I according to: I = U / R S can be determined, and an output means 604 , with the I is dispensable. The connection between the device 600 and the component 101 takes place on the principle of four-wire measurement via the lines 407 and 408 ,
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
-
101101
-
elektrisches Bauteil, das zwischen die zwei Messpunkte der elektrischen Schaltung geschaltet ist,electrical component connected between the two measuring points of the electrical circuit,
-
102102
-
Induktivitätinductance
-
103103
-
ohmscher Widerstandohmic resistance
-
301301
-
TiefpassfilterLow Pass Filter
-
302302
-
Verstärkeramplifier
-
304304
-
Diodediode
-
305305
-
einstellbare, regelbare GleichstromquelleAdjustable, adjustable DC source
-
402402
-
Micro-SMD-ClipMicro SMD clip
-
405405
-
Vergrößerung der Kontaktstelle des Micro-SMD-ClipsIncrease the contact point of the micro-SMD clip
-
406406
-
SpannungmessinstrumentVoltage Meter
-
407407
-
Leitungen zur SpannungsmessungLines for voltage measurement
-
408408
-
Leitungen zur StrommessungLines for current measurement
-
501501
-
erster Verfahrensschrittfirst process step
-
502502
-
zweiter Verfahrensschrittsecond process step
-
503503
-
dritter Verfahrensschrittthird process step
-
504504
-
vierter Verfahrensschrittfourth process step
-
505505
-
fünfter Verfahrensschrittfifth process step
-
506506
-
sechster Verfahrensschrittsixth process step
-
600600
-
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen VorrichtungEmbodiment of a device according to the invention
-
601601
-
erstes Mittel, das derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass sowohl der zeitlich gemittelte Spannungsabfall U als auch der zeitlich gemittelte Spannungsabfall: U ' = U + URM den Messpunkten ermittelbar ist,first means configured and arranged such that both the time-averaged voltage drop U as well as the time averaged voltage drop: U '= U + U RM can be determined at the measuring points,
-
602602
-
zweites Mittelsecond means
-
603603
-
drittes Mittelthird means
-
604604
-
Auswertemittelevaluation
-
605605
-
Ausgabemitteloutput means
