-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von elektrischem Strömen, sowie ein Verfahren zur Regelung eines Wandlers. Der zu messende Strom fließt zwischen zwei Ausgängen einer Brückenanordnung beispielsweise durch eine Last, die sich damit im Querzweig der Brückenanordnung befindet. Durch das Öffnen und Schließen der Schalter der Brückenanordnung wird die Last mit verschiedenen elektrischen Potenzialen verbunden, das heißt sie kann keinem festen Potenzial zugeordnet werden, was gern mit dem Begriff „potenzialfrei“ umschrieben wird.
-
Strommessungen an potenzialfreien Lasten erfordern meist aufwändige Messschaltungen, ein Beispiel dafür ist in der
DE 103 18 521 A1 beschrieben. Eine Wechselbrückenschaltung dient zur Ansteuerung eines Drehstrommotors: drei Umschaltvorrichtungen, bestehend aus jeweils einer Reihenschaltung von zwei Leistungsschaltern, verbinden alternierend die drei Anschlüsse des Drehstrommotors mit dem positiven bzw. dem negativen Pol einer Versorgungsgleichspannung. Zur Strommessung durch die Motorwicklungen ist in diesen Reihenschaltungen zwischen einem der Leistungsschalter und einem Anschluss der Versorgungsgleichspannung jeweils ein Shunt-Widerstand geschaltet, an welchem bei eingeschaltetem Leistungsschalter ein zum Stromfluss in diesem Zweig proportionales Spannungssignal abfällt. Zur Auswertung dieser Spannungssignale ist ein Mikroprozessor nötig, darüber hinaus erfordert die Messung der Spannungssignale an den Shunt-Widerständen eine Modifikation des Ansteuermusters der Schalter: ein „gewisser zeitlicher Toleranzspielraum im Ansteuermuster wird ausgenutzt“, da der jeweilige Shunt-Widerstand nicht automatisch vom Laststrom durchflossen wird. Momentanwerte des Stroms können nicht jederzeit erfasst werden, wenn z.B. zwei Teilbrücken nach plus geschaltet sind, ist die Stromaufteilung auf diese Teilbrücken beliebig. Da der Strom sich in Motoransteuerungen nur langsam ändert genügt es, den Strom nach dem nächsten Schaltvorgang wieder aufzunehmen.
-
Das zuletzt genannte Problem löst ein Shunt, der mit der Last in Reihe geschaltet ist, wie beispielsweise in
US 2008/157752 A1 gezeigt. In diesem Fall hat aber die Spannung am Shunt keinen festen Potenzialbezug. Dies macht Auswerteschaltungen nötig, bei denen hohe Anforderungen an statische und dynamische Gleichtaktunterdrückung gestellt werden müssen, damit das „springende“ Potenzial der Messstelle die Messung nicht verfälscht. Eine solche Auswerteschaltung, wie beispielsweise in der
US 2008/157752 A1 gezeigt, ist entweder störanfällig und/oder teuer.
-
Oft werden integrierte Schaltungen angeboten, die die Shuntspannung in einen proportionalen Strom umsetzen, der zur Auswertestelle (beispielsweise nach Masse) abgeleitet wird und dort über einen weiteren Shunt erfasst werden kann. Dabei wird aber im IC eine Verlustleistung umgesetzt, die sich aus dem proportionalen Strom multipliziert mit der Potenzialdifferenz zwischen Mess- und Auswertestelle ergibt, sodass die Lösung nur für kleinere Brückenspannungen sinnvoll ist.
-
Aufgrund dieser Probleme wird für hohe Anforderungen die Shuntspannung direkt auf dem springenden Potenzial der Messstelle in ein Digitalsignal umgesetzt, welches über Optokoppler oder vergleichbare Lösungen an die Auswertestelle übertragen werden kann. Ein solches Konzept ist jedoch ebenfalls teuer und erfordert zusätzlich eine potenzialfreie Spannungsversorgung an der Messstelle.
-
Alternativ existieren auf dem Markt auch sogenannte Stromwandler, die den Messstrom nicht über einen Shunt erfassen, sondern indirekt das vom Strom hervorgerufene Magnetfeld auswerten, auch diese Lösung ist vergleichsweise teuer.
-
Es besteht weiterhin Bedarf danach, eine Vorrichtung aufzuzeigen, die den Strom durch eine Last, die im Querzweig einer H-Brücke angeordnet ist, mit hinreichender Genauigkeit zu messen vermag, die aber gleichzeitig mit wenigen kostengünstigen Bauteilen auskommt. Insbesondere soll die Vorrichtung keinen Mikroprozessor benötigen, was ausgehend von dreiphasigen Anwendungen, wie beispielsweise in der genannten
DE 103 18 521 A1 , nicht möglich erscheint, da der Mikroprozessor zur Rekonstruktion der Schaltzustände der Schalter benötigt wird. Überraschenderweise ist dies für den einphasigen Fall jedoch realisierbar.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung zur Messung von elektrischem Strom mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
-
Eine erfindungsgemäße Anordnung dient zur Messung eines Ausgangsstromes zwischen einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang einer Brückenanordnung. Die Brückenanordnung umfasst eine ersten Reihenschaltung mit zwei Schaltern, angeschlossen an einen ersten Pol einer DC-Quelle und einen ersten Verbindungspunkt, und eine zweite Reihenschaltung mit zwei Schaltern, angeschlossen an den ersten Pol der DC-Quelle und einen zweiten Verbindungspunkt. Zwischen den zwei Schaltern der ersten Reihenschaltung befindet sich der erste Ausgang, zwischen den zwei Schaltern der zweiten Reihenschaltung befindet sich der zweiten Ausgang der Brückenanordnung. Eine Steuerung dient zur Ansteuerung der Schalter der ersten und zweiten Reihenschaltung gemäß eines bipolaren Taktmusters. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen ersten Messwiderstand, angeschlossen an den ersten Verbindungspunkt und einen zweiten Pol der DC-Quelle, einen zweiten Messwiderstand, angeschlossen an den zweiten Verbindungspunkt und den zweiten Pol der DC-Quelle, und eine Vorrichtung zur Spannungsmessung. Die Vorrichtung zur Spannungsmessung ist mit dem ersten und zweiten Verbindungspunkt verbunden und bestimmt den Spannungsfall über der Reihenschaltung von erstem und zweitem Messwiderstand als Maß für den Ausgangsstrom der Brückenanordnung. Damit ein Ausgangsstrom fließen kann, muss an die Ausgänge der Brückenanordnung etwas angeschlossen sein, das ganz allgemein als Last bezeichnet werden kann. Die Ansteuerung der Schalter der ersten und zweiten Reihenschaltung erfolgt gemäß eines bipolaren Taktmusters, da dann abwechselnd einer der beiden Messwiderstände vom Ausgangsstrom bzw. Laststrom durchflossen wird. Mit „bipolarem Taktmuster“ soll im Rahmen dieser Offenbarung ein Taktmuster gemeint sein, bei dem der Stromfluss durch die Last erreicht wird, indem jeweils einer der Schalter, die mit dem ersten Pol der DC-Quelle verbunden sind, und einer der Schalter, die mit dem zweiten Pol der DC-Quelle verbunden sind, gleichzeitig geschlossen wird. Hierdurch fließt der Strom vom ersten Pol der DC-Quelle durch die Last zum zweiten Pol der DC-Quelle. Anschließend werden die jeweils anderen beiden Schalter geschlossen, so dass die Spannung an der Last sich umkehrt. Zustände, in denen beide Schalter, die mit dem ersten Pol der DC-Quelle verbunden sind, oder beide Schalter, die mit dem zweiten Pol der DC-Quelle verbunden sind, gleichzeitig geschlossen werden, sollen in diesem Taktmuster nicht vorkommen.
-
Durch den festen Potenzialbezug des ersten und zweiten Messwiderstandes (angeschlossen an den zweiten Pol der DC-Quelle) kann an diesen gemessen werden, ohne dass eine Gleichtaktunterdrückung erforderlich wäre. Da genau einer der Messwiderstände vom Laststrom durchflossen wird, bildet die Reihenschaltung der beiden Messwiderstände den Ausgangsstrom bzw. Laststrom in Form eines Spannungssignals ab. Aus dem Ohm’schen Gesetz erhält man den Stromfluss durch die Last bzw. den Ausgangsstrom der Brückenanordnung.
-
In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung haben die ersten und zweiten Messwiderstände gleiche Widerstandsnennwerte, was zu besonders einfach auszuwertenden, weil gleich großen, Spannungssignalen über den beiden Messwiderstände führt. Insbesondere sind die ersten und zweiten Messwiderstände als niederohmige Shunts ausgeführt.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Spannungsmessung als Differenzverstärker ausgeführt. Der Differenzverstärker ist an die ersten und zweiten Messwiderstände so angeschlossen, dass er die Spannung über die Reihenschaltung der beiden Widerstände misst, sodass eine Auswertung sehr einfach und ist ohne Einsatz eines Mikroprozessors möglich wird. Durch die kleinen zu messenden Spannungen, die an den einzelnen Differenzverstärkereingängen anliegen, können die Spannungsteilerverhältnisse am Differenzverstärker kleiner ausgelegt werden, ohne dass dieser übersteuert wird. Am Ausgang des Differenzverstärkers kann der Messwert des Laststromes entnommen werden.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Anordnung dazu verwendet werden, Umschaltsignale für die Brückenanordnung zu erzeugen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung von Steuersignalen werden Spannungswerte an den ersten und zweiten Messwiderständen dazu verwendet, Umschaltsignale für die Brückenanordnung zu erzeugen. Der Begriff „Spannungswerte am Messwiderstand“ soll dabei als „Spannungsfall am Messwiderstand“ verstanden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden dabei die Spannungswerte an den beiden Messwiderständen durch Komparatoren mit einem Soll-Signal verglichen. Die Komparatorausgangsspannungen dienen dann als Umschaltsignale zur Änderung des jeweiligen Brückenschaltzustands, indem sie z.B. als Set- und Reset-Signale eines RS-Flipflops die Schalterzustände der Brückenanordnung steuern, so dass der Strom einmal in eine und nach Umschaltung in die entgegengesetzte Richtung getrieben wird. Für eine current-mode-Regelung der Brückenanordnung genügt es, dieses Sollsignal durch die überlagerte Regelung zu generieren. Diese erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft für preissensible Schaltungsteile wie Hilfsschaltungen, die mit kleinen, preiswerten Halbleiterschaltern aufgebaut werden, sodass die Kosten der Steuerung stärker ins Gewicht fallen. Beispiele für solche Hilfsschaltungen können potenzialgetrennte Wandler als Teil einer Wechselrichterbordnetzversorgung sein.
-
In einer weiteren Ausführungsform stellt das Soll-Signal eine Stellgröße einer überlagerten Regelung dar. Bei einer current-mode-Regelung ist einer Spannungsregelung meist zusätzlich eine Stromregelung unterlagert. Solche Regelungen können beispielsweise bei Sperrwandlern oder Hochsetzstellern zur Anwendung kommen.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert.
-
Die Figuren zeigen:
-
1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel eine Brückenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung von elektrischem Strom durch eine im Querzweig einer Brückenanordnung angeordnete Last
-
2 zeigt als zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Spannungsmessung, die als Differenzverstärker ausgeführt ist
-
3 zeigt als drittes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eine Weiterbildung für eine current-mode-Regelung
-
1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel eine erfindungsgemäße Anordnung 1 zur Messung von elektrischem Strom zwischen den beiden Ausgängen 7, 8 einer Brückenanordnung 9 an die hier eine Last 10 angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Anordnung 1 umfasst zwei Messwiderstände 11, 12 und eine Vorrichtung zur Spannungsmessung 15. Die Brückenanordnung 9 stellt den Strom zur Versorgung der Last 10 bereit. Die Brückenanordnung 9 besteht aus einer ersten Reihenschaltung 2 mit Schalter 17, 19 und einer zweiten Reihenschaltung 3 mit Schaltern 18, 20. Innerhalb der ersten Reihenschaltung 2 ist Schalter 17 an den Pluspol einer DC-Spannungsquelle 6 und an Schalter 19 angeschlossen, zwischen den beiden Schaltern befindet sich ein erster Ausgang 7 der Brückenanordnung 9. Schalter 19 ist mit seinem anderen Anschluss an Verbindungspunkt 13 an den Messwiderstand 11 angeschlossen. Entsprechend ist innerhalb der zweiten Reihenschaltung 3 Schalter 18 an den Pluspol einer DC-Spannungsquelle 6 und an Schalter 20 angeschlossen, zwischen den beiden Schaltern befindet sich ein zweiter Ausgang 8. Schalter 20 ist mit seinem anderen Anschluss an Verbindungspunkt 14 an den Messwiderstand 12 angeschlossen. Die Messwiderstände 11, 12 sind mit ihrem jeweils anderen Anschluss an den Minuspol einer DC-Spannungsquelle 6 angeschlossen. Selbstverständlich können Plus- und Minuspol der DC-Spannungsquelle 6 auch umgekehrt angeordnet sein. Bei der Last 10 handelt es sich um einen Wechselstrom-Verbraucher, die Brückenanordnung 9 wandelt die Gleichspannung der DC-Quelle 6 in eine passende Wechselspannung um. Bei der DC-Quelle 6 kann es sich um Batterien, Photovoltaikmodule, Brennstoffzellen oder ähnliches handeln. Eine Steuerung (nicht gezeigt) der Brückenanordnung 9 steuert die Schalter 17, 18, 19, 20 gemäß eines bipolaren Taktmusters an: Schalter 17 und Schalter 20 werden geschlossen, um an die Last eine Spannung einer Polarität zu legen, anschließend werden Schalter 18 und Schalter 19 geschlossen, um die Spannung mit umgekehrter Polarität an die Last zu legen. Zustände, in denen Schalter 17 und Schalter 18 oder Schalter 19 und Schalter 20 gleichzeitig geschlossen sind, kommen nicht vor. Das bipolare Taktmuster garantiert, dass der Laststrom immer durch einen der Messwiderstände 11, 12 fließt, sodass an der Reihenschaltung der beiden Messwiderstände immer ein Spannungssignal abgegriffen werden kann, das proportional zum Laststrom ist. Der Stromfluss durch die Messwiderstände 11, 12 resultiert jeweils in einem Spannungsfall über diesen und wird durch die Vorrichtung zur Spannungsmessung 15 erfasst, die an den Verbindungspunkten 13 und 14 angeschlossen ist. Die Vorrichtung zur Spannungsmessung 15 misst den Spannungsfall über der Reihenschaltung der beiden Messwiderstände 11, 12 und erfasst damit den gesamten Laststrom. Über das ohmsche Gesetz erhält man den Stromfluss durch die Last.
-
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung zur Spannungsmessung 15. Die Verbindungspunkte 13, 14 fungieren als Eingang eines Differenzverstärkers bestehend aus einem Operationsverstärker 21 und der üblichen Beschaltung aus Widerständen 22, 23, 24, 25 zur Einstellung der Verstärkung. Meist sind hierbei die Widerstände 22 und 24 gleichgroß, sowie auch 23 und 25. In jeden Fall ist das Verhältnis 22/23 gleich groß wie das der Widerstände 24/25. An Ausgang 26 wird das verstärkte Messsignal ausgegeben. Durch die kleine Eingangsspannung Uein kann die Laststrommessung wenig aufwändig realisiert werden. Insbesondere werden keine Präzisionswiderstände für die Widerstände 22, 23, 24, 25 benötigt. Meist wird der Minuspol der DC-Quelle mit der Masse der Messschaltung verbunden, hierdurch haben das Eingangssignal Uein, das Ausgangssignal Uaus, als auch die Versorgungsspannung des Operationsverstärkers 21 (nicht gezeigt) dasselbe Bezugspotenzial, so dass die Laststrommessung praktisch keine Gleichtaktsignale sieht, d.h. wenig störanfällig realisiert ist.
-
3 zeigt die Umsetzung der Erfindung in einem Vollbrückenwandler, der hier als sogenannte Single Active Bridge ausgeführt ist, andere Ausführungen wie z.B. ein LLC- oder LLCC-Wandler sind ebenso denkbar. Vollbrückenwandler werden – außer für Wechselrichterüblicherweise für galvanisch trennende DC/DC-Wandler eingesetzt, deren Transformatoren ständig umgepolt werden müssen, um nicht in die Sättigung zu geraten. Die Vollbrücke hat nur zwei Zustände und kann daher über ein einziges Flipflop gesteuert werden, dem geeignete Treiber nachgeschaltet werden. Die Umschaltung zwischen den beiden Zuständen erfolgt über Komparatoren 28, 29 (vorteilhaft ein Doppelkomparator in einem einzigen IC), die bei Überschreiten eines vorgegebenen Sollwerts ein SET- oder RESET-Signal für das Flipflop generieren. Nach dem Prinzip der current-mode-Regelung wird der Sollwert durch eine überlagerte Regelschaltung 27 erzeugt. An die Ausgänge der Brückenanordnung mit den Schaltern 17, 18, 19, 20 ist hier die Kombination aus Drossel 31 und der Primärwicklung des Transformators 32 angeschlossen. Der Brückenstrom wird über die Messwiderstände 11, 12 und den Differenzverstärker bestehend aus Operationsverstärker 21 und den Widerständen 22, 23, 24, 25 – wie oben beschrieben- erfasst und kann, wie hier zusätzlich der Regelung zugeführt werden, z.B. wenn der Wandler eine bestimmte U/I-Kennlinie einhalten soll. Es ist ebenfalls denkbar, dass das Brückenstrommesssignal am Ausgang 26 nur zu Anzeige- oder Dokumentationszwecken verwendet wird und der überlagerte Regler 27 nur auf die Ausgangsspannung 37 regelt. Ein so aufgebauter Wandler stellt an seinem Ausgang an 40, 41 eine geregelte Spannung zur Verfügung.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Anordnung zur Messung von elektrischen Strömen
- 2
- Reihenschaltung von zwei Schaltern
- 3
- Reihenschaltung von zwei Schaltern
- 4
- Plus-Pol
- 5
- Minus-Pol
- 6
- DC-Quelle
- 7
- Ausgang
- 8
- Ausgang
- 9
- Brückenanordnung
- 10
- Last
- 11
- Messwiderstand
- 12
- Messwiderstand
- 13
- Verbindungspunkt
- 14
- Verbindungspunkt
- 15
- Vorrichtung zur Spannungsmessung
- 17, 18, 19, 20
- Schalter
- 21
- Operationsverstärker
- 22, 23, 24, 25
- Widerstand
- 26
- Ausgang
- 27
- Regelung
- 28, 29
- Komparator
- 30
- Flip-Flop
- 31, 35
- Drossel
- 32
- Transformator
- 34
- Gleichrichter
- 36
- Kondensator
- 37
- Spannungserfassung
- 40, 41
- Ausgang
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10318521 A1 [0002, 0007]
- US 2008/157752 A1 [0003, 0003]
