DE102019114228A1

DE102019114228A1 - Analogspannungsprogrammierung

Info

Publication number: DE102019114228A1
Application number: DE102019114228.8A
Authority: DE
Inventors: Martin Bürkert; Thomas Kilian; Sebastian Schroth; Fabian Schneider; Georg Wiedmann
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2020-12-03
Also published as: WO2020239454A1; CN211506890U; US11977400B2; KR20220011610A; US20220187860A1; KR102672303B1; EP3888212A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine analoge Schaltungsanordnung (1) zum variablen Einstellen einer Spannung Uout innerhalb definierter Spannungsgrenzen umfassend einen nicht-invertierenden Addierer (10) mit einem positiven Eingang (11), wobei am positiven Eingang (11) des Addierers (10) ein Spannungsteiler (20) aus wenigstens einer ersten Stufe (21) und einer zweiten Stufe (22) angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Stufe aus einer Parallelschaltung von n Widerständen (R1, R2, ..., Rn) besteht, die jeweils in einem Leitungspfad (L1, L2, ..., Ln) zu einer Überstromschutzeinrichtung (F1, F2, .., Fn) in Reihe geschaltet sind sowie wenigstens eine Einrichtung (30), um eine oder mehrere der Überstromschutzeinrichtungen (F1, F2, .., Fn) aktiv in einen den jeweiligen betroffenen Leitungspfad (L1, L2, ..., Ln) unterbrechenden Zustand zu bringen.

Description

Die Erfindung betrifft eine analoge Schaltung, die es ermöglicht, eine Spannung in definierten Grenzen variabel einstellen zu können.
Elektronische Schaltungen benötigen fast immer eine Referenzspannung, die konstant, d. h. sowohl unabhängig von der Eingangsspannung als auch stabil ist, d. h. unabhängig von der Stromaufnahme und genügend genau d.h. im gewünschten Toleranzbereich bleibt. Allerdings ist es auch wünschenswert, dass eine solche Spannung abhängig vom Anwendungsfall variabel auf einen bestimmten Wert eingestellt werden kann.
Hierzu sind im Stand der Technik digitale Schaltungslösungen bekannt, die allerdings problematisch hinsichtlich sicherheitsrelevanter Bauteilen und damit VDE- und UL-Zulassungsverfahren sind. Bei Produktzulassungen sind jeweils die relevanten Produktnormen einzuhalten, wodurch sich Anforderungen an die Auswahl der zulassungsfähigen Produkte ergeben. Bei UL werden typischerweise sogenannte „recognized components“ benötigt, um eine Zulassung in einem Gerät zu erhalten.
Darüber hinaus gibt es auch analoge IC-Bausteine, die allerdings digital (z.B. per SPI) programmiert werden können. Diese weisen in der Praxis ebenfalls die Problematik auf, dass es bei den Zulassungsverfahren beim VDE und bei UL zu Schwierigkeiten kommen kann.
Eine benötigte Referenzspannung kann auch per Bestückungsoption der Leiterplatte mit einem einfachen Spannungsteiler realisiert werden, wobei dann die Referenzspannung nicht mehr variabel einstellbar ist. Im Stand der Technik sind ferner programmierbare digitale Potentiometer bekannt. Mit diesen kann ein Widerstandsnetzwerk digital über einen Controller auf den gewünschten Wert programmiert werden.
Nachteilig ist dabei, dass bei einer Bestückungsoptionen die Referenzspannung schon in dem Produktionsprozess festgelegt wird. Wünschenswert ist es aber, die Festlegung erst später in der Kundenapplikation zu bestimmen. Der Anwender soll die benötigte Referenzspannung für seine Applikation innerhalb gewisser Spannungsgrenzen frei wählen können, um z. B. einen Motor seiner Wahl an die jeweilige Elektronik anschließen zu können.
Die Spannung muss ferner analog erzeugt werden. Wird sie für sicherheitsrelevante Schaltkreise benötigt, darf sie nicht per Software programmiert / verändert werden können.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine Schaltungsanordnung bereit zu stellen, die sicher in der Handhabung ist und mit der die Möglichkeit bereit gestellt wird, die Spannung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen einzustellen und vorzugsweise nach dem Einstellen sicherzustellen, dass die einmal eingestellte Spannung bestimmungsgemäß nicht verändert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine analoge Schaltungsanordnung zum variablen Einstellen einer Spannung Uout innerhalb definierter Spannungsgrenzen vorgesehen, umfassend einen nicht-invertierenden Addierer mit einem positiven Eingang, wobei am positiven Eingang des Addierers ein Spannungsteiler aus wenigstens einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Stufe aus einer Parallelschaltung von n Widerständen besteht, die jeweils in einem Leitungspfad des Spannungsteilers zu einer Überstromschutzeinrichtung in Reihe geschaltet sind sowie wenigstens eine Einrichtung, um eine oder mehrere der Überstromschutzeinrichtungen aktiv (z. B. durch einen gezielt initiierten Überstrom) in einen den jeweiligen betroffenen Leitungspfad unterbrechenden Zustand zu bringen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Überstromschutzeinrichtungen als Schmelzsicherungen ausgebildet sind, die zum Deaktivieren gezielt durchgebrannt werden.
In einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Stufe des vorzugsweise zweistufigen Spannungsteilers aus einem Festwiderstand gebildet wird.
Durch das kontrollierte Durchbrennen der Sicherungen lässt sich nun der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung ändern und damit insgesamt die Spannung am Zwischenabgriff des Spannungsteilers, der mit dem Eingang des Addieres verbunden ist. Im Ergebnis lässt sich damit die Spannung Uout am Ausgang des nicht-invertierenden Addieres verändern bzw. einstellen.
Je nachdem welche bzw. wie viele der Sicherungen durchgebrannt werden, lässt sich eine jeweils andere Ausgangsspannung analog „programmieren“ d. h. fest einstellen.
Nach Abschluss der Maßnahmen des Durchbrennens bzw. des Bestromens der Überstromschutzeinrichtungen werden die restlichen, nicht durchgebrannten Sicherungen, gegen einen Brennvorgang verriegelt. Das bedeutet, eine einmal eingestellte Spannung kann nach Abschluss der Verriegelung bestimmungsgemäß nicht mehr verändert werden.
Zur Sicherstellung und Kontrolle der Funktion der Schaltung, wird die Referenzspannung nach Abschluss des Brennvorgangs über den ADC eines Controllers zurückgelesen. Dadurch werden Unregelmäßigkeiten oder nicht erfolgreich abgeschlossene Durchbrennvorgänge entdeckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die besagte Einrichtung zum „Deaktivieren der Leitungspfade in der Parallelschaltung des Spannungsteilers“ als eine Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung mittels einem NPN-Transistor und einem PNP-Transistor realisiert ist, dessen Basis über einen Zwischenabgriff eines weiteren Spannungsteilers mit dem Kollektor des NPN-Transistors verbunden ist.
Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Basis des NPN-Transistors von einem Microcontroller (µC), vorzugsweise über einen Vorwiderstand angesteuert wird. Das Ansteuersignal zum Durchbrennen einer jeweiligen Sicherung bzw. Überstromschutzeinrichtung kann z. B. von einem klassischen l/O-Ausgang eines Microcontrollers (µC) oder von einem Nadelbett-Adapter bereitgestellt werden.
Über einen Vorwiderstand lässt sich der Stromfluss in die Basis des NPN-Transistors nach Wunsch einstellen. Ein Pull-Down-Widerstand zwischen Basis und Emitter verhindert ein unkontrolliertes Einschalten des NPN-Transistors. Des Weiteren kann die Basis auch an ein weiteres Signal angeschlossen (LOCK) werden, welches für ein eventuell gewünschtes „Ausblenden“ oder „Deaktivieren“ der Ansteuersignale sorgt.
Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Basis, die mit dem Signalanschluss (LOCK) verbunden ist, über den besagten Pull-Down-Widerstand mit dem Emitter des NPN-Transistors verbunden ist.
Weiter vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der Kollektor des PNP-Transistors der (jeweiligen) Einrichtung zum Auslösen der Überstromschutzeinrichtungen mit jeweils diesen verbindbar oder verbunden ist bzw. sind, um selektiv die jeweils verbundenen Überstromschutzeinrichtung in einen den betreffenden Leitungspfad unterbrechenden Zustand zu bringen.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ferner eine Schaltung zum Deaktivieren oder Verriegeln der Einrichtung vorgesehen ist, was bedeutet, dass die Einrichtung ausgebildet ist denjenigen Zustand in einem Leitungspfad stabil zu halten und zu verhindern, dass dieser nachträglich geändert wird, indem z. B. ein weiterer Auslösevorgang einer noch nicht ausgelösten Überstromschutzeinrichtung verhindert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum variablen Einstellen einer Spannung Uout innerhalb definierter Spannungsgrenzen mit einer wie zuvor beschriebenen Schaltungsanordnung mit dem oder den folgenden Schritten:

Selektives Bestromen einer oder mehrerer der Überstromschutzeinrichtung mit einem Überstrom erzeugt mit der Einrichtung, um den betreffenden Leitungspfad jeweils in den elektrisch getrennten Zustand zu bringen und dadurch die Spannung des Spannungsteilers am Eingang und folglich am Ausgang des Addieres bestimmungsgemäß zu verändern.

Weiter bevorzugt ist es das Verfahren so auszugestalten, dass nach dem selektiven Auslösen bzw. Bestromen einer oder mehrerer der Überstromschutzeinrichtung mit einem Überstrom die jeweilige Einrichtung, die mit einer noch nicht ausgelösten Überstromschutzeinrichtung oder durchgebrannten Sicherung verbunden ist, mittels der Verriegelungsschaltung deaktiviert wird.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur einstellbaren Spannungserzeugung;
2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Auslösen einer Überstromschutzeinrichtung bzw. Schmelzsicherung,
3 eine Darstellung des zeitlichen Ablaufs eines Auslösevorgangs einer Sicherung,
4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Verriegeln der Schaltungsanordnung zum Auslösen einer Überstromschutzeinrichtung gemäß 2 und
5 eine beispielhafte Darstellung des zeitlichen Ablaufs zum Einstellen einer gewünschten Spannung.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die 1 bis 5 näher erläutert.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße analoge Schaltungsanordnung 1 gezeigt. Die analoge Schaltungsanordnung 1 ist ausgebildet zum variablen Einstellen einer Spannung Uout innerhalb definierter Spannungsgrenzen am gezeigten nicht-invertierenden Addierer 10.
Der Addierer 10 verfügt über einen positiven Eingang 11 und einen negativen Eingang 12. Das analoge Massebezugspotential ist mit AGND bezeichnet.
Am positiven Eingang 11 des Addierers 10 ist ein zweistufiger Spannungsteiler 20 verbunden. Der Spannungsteiler 20 besteht aus einer ersten Stufe 21 mit einem Festwiderstand R_f und einer zweiten Stufe 22. Die zweite Stufe 22 besteht aus einer Parallelschaltung von 4 Widerständen R1, R2, R3 und R4, die jeweils in einem parallel verlaufenden Leitungspfad L1, L2, L3 bzw. L4 zwischen dem Massebezugspotential und dem Mittelabgriff 23 am Spannungsteiler 20 angeordnet sind.
Jeder Widerstand R1, R2, R3 und R4 ist in dem jeweiligen Leitungspfad L1, L2, L3 und L4 mit einer Überstromschutzeinrichtung F1, F2, F3, F4 in Reihe geschaltet. Im Leitungspfad, der vom analogen Massebezugspotential zum negativen Eingang 12 des Addieres 10 verläuft, ist ein Widerstand R_x und in der Verbindung zum Ausgang am Addierer 10 ein weiterer Widerstand R_y vorgesehen. Am Ausgang des Addierers 10 liegt, je nachdem welche der Überstromschutzeinrichtung F1, F2, F3, F4 bestimmungsgemäß ausgelöst wurden, die einzustellende Spannung Uout an.
In der 2 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung 30 zum Auslösen einer Überstromschutzeinrichtung F1, F2, F3, F4 gezeigt. Die Einrichtung 30 ist als eine Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung ausgebildet und zwar mittels einem NPN-Transistor und einem PNP-Transistor, wobei die Basis mit B, der Emitter mit E und der Kollektor jeweils mit C bezeichnet sind.
Die Basis B₁ des PNP-Transistors ist über den Zwischenabgriff 31 des Spannungsteilers 33, gebildet aus den zwei Widerständen R₂₀ , R₃₀ , mit dem Kollektor C₂ des NPN-Transistors verbunden.
Die Basis B₂ des NPN-Transistors ist mit einem Microcontroller µC über den Vorwiderstand R_B verbunden, so dass die Basis vom Microcontroller µC angesteuert werden kann. Über den Vorwiderstand R_B lässt sich der Stromfluss in die Basis des NPN-Transistors nach Wunsch einstellen.
Die Basis B2 ist ferner mit einem Signalanschluss (LOCK) verbunden, welcher mit der Verriegelungsschaltung nach 4 verbunden ist. Dies dient dem Zweck ein eventuell gewünschtes „Ausblenden“ oder „Deaktivieren“ der Ansteuersignale zu bewirken so, dass die noch nicht bestimmungsgemäß ausgelösten Überstromschutzeinrichtungen F1, F2, F3, F4 gegen ein nicht bestimmungsgemäßes Auslösen verriegelt werden. Der Pull-Down-Widerstand R_DP verhindert ein unkontrolliertes Einschalten des NPN-Transistors. Vor dem PNP-Transistor ist noch ein Widerstand R_E vorgesehen. Dieser dient dazu den Stromfluss durch den PNP-Transistor und den Spannungsabfall über dem PNP-Transistor zu begrenzen.
Der Stromfluss in den NPN-Transistor führt dazu, dass dieser leitfähig wird, wodurch ein Stromfluss über die beiden Widerstände R₂₀ und R₃₀ entsteht. Mit entsprechender Dimensionierung dieser beiden Widerstände R₂₀ und R₃₀ lässt sich der benötigte Stromfluss in die Basis B₁ des PNP-Transistors entsprechend einstellen. Daraus resultiert nun der Stromfluss über die Sicherung F1, welcher so dimensioniert sein muss, dass die Sicherung in der gewünschten Zeit durchbrennt. Die 3 zeigt eine Darstellung des zeitlichen Ablaufs eines Auslösevorgangs einer Sicherung.
Es wurde hierzu messtechnisch die Spannung aufgezeichnet, welche über der Sicherung abfällt. Durch den vom Transistor erzeugten Stromfluss entsteht zuerst eine Potentialanhebung an der Sicherung. Der Zerstörungsvorgang ist im Gange. Nach etwa 11ms ist die Sicherung vollständig zerstört und es fällt die gesamte anliegende Spannung abzüglich der Sättigungsspannung des PNP-Transistors über der Sicherung ab.
Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Verriegeln der Schaltungsanordnung zum Auslösen einer Überstromschutzeinrichtung gemäß 2.
Die Schaltung 40 ist ebenfalls eine Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung. In dieser Ausführung wird die Sicherung F1 dazu benutzt, den weiteren NPN-Transistor im gesperrten Zustand zu halten. Sobald die Sicherung F1 bestimmungsgemäß ausgelöst wurde bzw. durchgebrannt ist, wird die Basis des NPN-Transistors auf ein höheres Potential gezogen und dieser wird leitfähig.
Alle Ansteuersignale der Einrichtung 30 zum Auslösen der Sicherungen, außer dem Signal zur Verriegelung, werden über die dargestellten Dioden D auf den Kollektor dieses NPN-Transistors geleitet. Dies führt dazu, dass sich die jeweiligen betroffenen Einrichtungen 30 nicht mehr aktivieren lassen. Der „Einstellvorgang“ der Referenzspannung ist nach dem Durchbrennen der Sicherung zur Verriegelung also unwiderruflich beendet.
Die 5 zeigt eine beispielhafte Darstellung des zeitlichen Ablaufs zum Einstellen einer gewünschten Spannung Uout.
Die einzustellende Referenzspannung (U_out =obere Kurve), befindet sich vor dem Auslösevorgang einer Sicherung F1 auf dem Potential von ca. 1100 mV. Nun wird zuerst die erste Sicherung F1 durchgebrannt. Nach einem Auslösen von der ersten Sicherung F1 befindet sich die Referenzspannung auf dem Spannungspegel ca. 1300 mV. Danach wird die zweite Sicherung F2 durchgebrannt. Die Referenzspannung Uout hat nun den gewünschten Spannungspegel von etwa 1600 mV erreicht. Danach wird die Verriegelung aktiviert, um den erhaltenen Zustand zu fixieren.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Analoge Schaltungsanordnung (1) zum variablen Einstellen einer Spannung Uout innerhalb definierter Spannungsgrenzen umfassend einen nicht-invertierenden Addierer (10) mit einem positiven Eingang (11), wobei am positiven Eingang (11) des Addierers (10) ein Spannungsteiler (20) aus wenigstens einer ersten Stufe (21) und einer zweiten Stufe (22) angeschlossen ist, wobei wenigstens eine Stufe aus einer Parallelschaltung von n Widerständen (R1, R2, ..., Rn) besteht, die jeweils in einem Leitungspfad (L1, L2, ..., Ln) zu einer Überstromschutzeinrichtung (F1, F2, .., Fn) in Reihe geschaltet sind sowie wenigstens eine Einrichtung (30), um eine oder mehrere der Überstromschutzeinrichtungen (F1, F2, .., Fn) aktiv in einen den jeweiligen betroffenen Leitungspfad (L1, L2, ..., Ln) unterbrechenden Zustand zu bringen.
Analoge Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstromschutzeinrichtungen (F1, F2, .., Fn) als Schmelzsicherungen ausgebildet sind.
Analoge Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe des Spannungsteilers aus einem Festwiderstand (R_f) besteht.
Analoge Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (30) als eine Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung mittels einem NPN-Transistor (NPN) und einem PNP-Transistor (PNP) realisiert ist, dessen Basis (B1) über einen Zwischenabgriff (31) eines Spannungsteilers (40) aus wenigstens zwei Widerständen (R₂₀, R₃₀) mit dem Kollektor (C2) des NPN-Transistors verbunden ist.
Analoge Schaltungsanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (B2) des NPN-Transistors (NPN) von einem Microcontroller (µC), vorzugsweise über einen Vorwiderstand (R_B) angesteuert wird.
Analoge Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (B2) zum Einen über einen Pull-Down-Widerstand R_DP mit dem Emitter (E2) des NPN-Transistors verbunden ist, welcher ein unkontrolliertes Einschalten des Transistors verhindern soll und die Basis (B2) mit einem Signalanschluss (LOCK) verbunden ist, welcher wiederum mit der Verriegelungsschaltung (40) verbunden ist, welche die Verriegelung desjenigen Zustandes einer oder mehrerer noch nicht in den trennenden Zustand gebrachten Überstromschutzeinrichtung(en) (F1, F2, ..., Fn) realisieren soll.
Analoge Schaltungsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor (C1) des PNP-Transistors der Einrichtung (30) mit jeweils den Überstromschutzeinrichtungen (F1, F2, .., Fn) verbindbar oder verbunden ist, um selektiv die jeweils verbunden Überstromschutzeinrichtung (F1, F2, .., Fn) in einen den betreffenden Leitungspfad (L1, L2, ..., Ln) unterbrechenden Zustand zu bringen.
Analoge Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Schaltung (40) zum Deaktivieren der Einrichtung (30) zum Verriegeln desjenigen Zustandes einer oder mehrerer noch nicht in den trennenden Zustand gebrachten Überstromschutzeinrichtung(en) (F1, F2,..., Fn) vorgesehen ist.
Verfahren zum variablen Einstellen einer Spannung Uout innerhalb definierter Spannungsgrenzen mit einer Schaltungsanordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit dem oder den folgenden Schritten: Selektives Bestromen einer oder mehrerer der Überstromschutzeinrichtung (F1, F2, .., Fn) mit einem Überstrom erzeugt mit der Einrichtung (30), um den betreffenden Leitungspfad (L1, L2, ..., Ln) jeweils in den elektrisch getrennten Zustand zu bringen und dadurch die Spannung des Spannungsteiles am Eingang des Addieres (10) bestimmungsgemäß zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem selektiven Bestromen einer oder mehrerer der Überstromschutzeinrichtung (F1, F2, .., Fn) mit einem Überstrom die jeweilige Einrichtung (30) mittels der Schaltung (40) deaktiviert wird.