DE10219823B4

DE10219823B4 - Messung des Erregerstroms mittels eines Referenztransistors

Info

Publication number: DE10219823B4
Application number: DE10219823.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Haller; Günter Nasswetter
Original assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2022-05-04
Also published as: FR2839365A1; FR2839365B1; DE10219823A1; ITMI20030869A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen des Erregerstroms (I_T1) im Erregerkreis (1) eines Generators, gekennzeichnet durch
- einen im Erregerkreis (1) angeordneten ersten Transistor (T1) zur Steuerung des Erregerstroms (I_t1),
- einen in einem Referenzpfad (2) angeordneten zweiten Transistor (T2),
- einen Komparator (7), dessen einer Eingang mit einem Knoten (K1) im Erregerkreis (1), und dessen anderer Eingang mit einem Knoten (K2) im Referenzpfad (2) verbunden ist,
- einen Aufwärts/Abwärts-Zähler (3), der mit dem Ausgang des Komparators (7) verbunden ist und in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators (7) aufwärts oder abwärts zählt, sowie
- eine im Referenzpfad (2) angeordnete, steuerbare Stromquelle (6), die in Abhängigkeit vom Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers (3)gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Erregerstroms im Erregerkreis eines Generators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
Aus der DE 199 18 042 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur Unterstromerkennung an einem MOS-Leistungstransistor bekannt.
Aus der DE 197 32 961 A1 ist ein Spannungsregler für einen Drehstromgenerator bekannt, bei dem die Phasenspannung des Generators ausgewertet wird.
Aus der US 6 160 441 A ist ein Sensor zum Erfassen des Stromflusses durch eine Last bekannt.
Klauenpolgeneratoren, die üblicherweise zur Versorgung elektrischer Kfz-Bordnetze eingesetzt werden, umfassen einen Generatorregler mit einem Schalttransistor (Endstufentransistor), der in Abhängigkeit von der Generatorausgangsspannung mit einem vorgegebenen Tastverhältnis (DF-Signal) ein- und ausgeschaltet wird.
Zur Strombegrenzung des durch den Endstufentransistor fließenden Stroms bei Kurzschluss bzw. Überstrom ist ein fester Grenzwert vorgegeben, ab dem die Endstufe abgeschaltet bzw. zurück geregelt wird.
Die 1a, 1b zeigen jeweils den Erregerkreis eines Generatorreglers mit einer Erregerwicklung L, einer Freilaufdiode D1 und einem Endstufentransistor T1.
Jeder Erregerkreis umfasst eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Erregerstroms, die einen in den Erregerkreis geschalteten Widerstand R und einen Verstärker 8 umfasst. Der Spannungsabfall am Widerstand R ist dabei ein Maß für den Erregerstrom.
Um den Erregerstrom möglichst wenig zu beeinflussen, sind die Widerstände R entsprechend klein gewählt, wodurch sich ein sehr geringes Spannungssignal ergibt, das aufwendig verstärkt und für digitale Anwendungen gegebenenfalls noch A/D.- gewandelt werden muss.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Messung des Erregerstroms zu vereinfachen und weniger aufwendig zu gestalten.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie 8 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, den Spannungsabfall am Schalttransistor des Erregerkreises für die Messung des Erregerstroms auszuwerten. Dadurch ergeben sich deutlich höhere Messspannungen.
Da der Widerstand des Schalttransistors im eingeschalteten Zustand jedoch stark temperaturabhängig ist, stellen sich insbesondere durch die Eigenerwärmung des Transistors Nichtlinearitäten im Strom-/Spannungsverlauf des Transistors ein, die in geeigneter Weise kompensiert werden müssen.
Es wird daher eine Schaltungsanordnung zum Messen des Erregerstroms vorgeschlagen, mit einem im Erregerkreis angeordneten ersten Transistor und einem in einem Referenzpfad angeordneten zweiten Transistor, der im wesentlichen technologisch identisch aufgebaut ist wie der erste Transistor, einem Komparator, dessen einer Eingang mit einem Knoten im Erregerkreis, und dessen anderer Eingang mit einem Knoten im Referenzpfad verbunden ist, sowie einem Aufwärts/Abwärts-Zähler, der mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist und der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators aufwärts oder abwärts zählt. Die Schaltungsanordnung umfasst außerdem eine im Referenzpfad angeordnete steuerbare Stromquelle, die in Abhängigkeit vom Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers einen Strom im Referenzpfad einprägt. Der Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers ist dabei ein Maß für den im Erregerkreis fließenden Strom.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Transistoren als MOSFET-Transistoren realisiert. Die Eingänge des Komparators sind vorzugsweise jeweils an einem Source-Anschluss der Transistoren angeschlossen.
Die beiden Transistoren sind vorzugsweise monolithisch integriert. Der Referenztransistor kann jedoch um einen vorgegebenen Faktor m kleiner ausgeführt sein als der Endstufentransistor im Erregerkreis.
Die beiden Transistoren sind vorzugsweise an ihren Drain- und Gateanschlüssen elektrisch miteinander verbunden und in direktem thermischen Kontakt angeordnet, um Temperaturunterschiede zu vermeiden. Durch das identische elektrische und thermische Verhalten des Referenz- und Endstufentransistors kompensieren sich die erwähnten thermischen Nichtlinearitäten, wenn die Stromdichte in beiden Transistoren gleich groß ist.
Der Komparator vergleicht die zwischen den Anschlussknoten abfallende Spannung und wechselt immer dann den Schaltzustand seines Ausgangssignals, wenn sich das Vorzeichen der Spannung ändert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schaltet der Komparator mit seinem Ausgangssignal die Zählrichtung eines binären n-bit Aufwärts/Abwärts-Zählers. Der Aufwärts/Abwärts-Zähler zählt vorzugsweise bei jeder Flanke eines Taktsignals, in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators, um einen Wert nach oben oder unten. Der binäre Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers wird vorzugsweise zur Steuerung der Stromquelle genutzt, die einen dem Zählerstand proportionalen Strom durch den Referenztransistor treibt.
Der Zählerstand des digitalen Aufwärts/Abwärts-Zähler wird vorzugsweise über eine digitale Schnittstelle an ein Steuergerät übertragen und in einen entsprechenden Stromwert gewandelt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1a, 1b Messschaltungen zur Auswertung des Erregerstroms gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Schaltungsanordnung zur Messung des Erregerstroms gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Schaltungsanordnung zur Messung des Erregerstroms gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
4a, 4b den Verlauf der durch die Transistoren fließenden Ströme.

Bezüglich der Erläuterung der 1a, 1b wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Messung des Erregerstromes im Erregerkreis 1 eines Generatorreglers. Der Erregerkreis 1 umfasst eine Erregerwicklung L mit einer Freilaufdiode D1, sowie einen Endstufentransistor T1, der als n-Kanal MOS-Transistor realisiert ist. Der im Erregerkreis 1 fließende Strom I_T1 und damit die Generatorausgangsspannung wird über ein am Gate-Anschluss des Transistors T1 anliegendes DF-Signal geregelt.
Der Erregerstrom wird bei dieser Schaltung direkt über den Spannungsabfall am Transistor T1 gemessen und mittels eines Verstärkers 8 verstärkt. Wegen der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Transistors T1 stellen sich durch die Eigenerwärmung des Transistors T1 Nichtlinearitäten ein, die aufwendig kompensiert werden müssen.
3 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der der Temperaturgang des Endstufentransistors T1 kompensiert wird. Die Schaltung umfasst einen Erregerkreis 1 und einen parallel dazu angeordneten Referenzpfad 2, in dem ein im wesentlichen identisch zum Transistor T1 aufgebauter Referenztransistor T2 angeordnet ist, der jedoch um einen vorgegebenen Faktor m kleiner ausgeführt sein kann als der Transistor T1.
Die Transistoren T1 und T2 sind an ihren Drain- und Gate-Anschlüssen elektrisch miteinander verbunden und in direktem thermischen Kontakt angeordnet, um eine gleiche Temperaturverteilung zu erzielen. Die Transistoren T1 und T2 sind vorzugsweise monolithisch integriert.
Aus dem identischen Aufbau und dem thermischen Abgleich der Transistoren T1 und T2 resultiert ein im Wesentlichen identisches, elektrisches Verhalten.
Die Schaltung umfasst ferner einen Komparator 7, dessen Eingänge jeweils mit einem Source-Anschluss der Transistoren T1, T2 verbunden sind und der die Spannung an den Knoten K1, K2 vergleicht. Das Ausgangssignal des Komparators 7 ändert seinen Schaltzustand, wenn sich das Vorzeichen der Eingangsspannung ändert. Der Komparator 7 erkennt somit, wann die Stromdichte in einem der Transistoren T1, T2 größer bzw. kleiner wird als im anderen Transistor T2, T1.
Der Komparator 7 ist mit einem binären n-bit Aufwärts/Abwärts-Zähler 3 verbunden und schaltet mit seinem Ausgangssignal die Zählrichtung desselben. Ändern sich die Knotenspannungen am Komparatoreingang, so zählt der Zähler 3 je nach Schaltzustand des Komparators 7 nach oben oder nach unten.
Der digitale Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers 3 wird nach einer Analog-Wandelung mittels eines D/A-Wandlers 4 zur Steuerung einer im Referenzpfad 2 angeordneten Stromquelle 6 genutzt, die einen dem Zählerstand entsprechenden Strom durch den Referenztransistor T2 treibt. Mit Änderung des durch den Referenztransistor T2 fließenden Stroms I_T2 ändert sich die Knotenspannung am Knoten K2.
Der Zählerstand pendelt sich schließlich auf einen bestimmten Wert ein, wenn die Knotenspannungen an den Knoten K1, K2 und damit die Stromdichten in den Transistoren T1, T2 identisch sind.
Unter Berücksichtigung folgender Überlegungen kann der bei der Bestimmung des Erregerstroms I_T1 auftretende Messfehler sehr gering gehalten werden: Wie erwähnt, wird der Transistor T1 zur Steuerung des Erregerstroms mittels des DF-Signals getaktet. Das Takten des Schalttransistors T1 führt zu einem ansteigenden Erregerstromverlauf I_T1 während der EIN-Zeit und einem abklingenden Stromverlauf I_T1 während der AUS-Zeit. Gemessen werden kann jedoch nur während der EIN-Zeit. Somit kann sich ein gewisser Messfehler je nach Messzeitpunkt ergeben.
Vorzugsweise wird der Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers 3 daher in der Mitte der EIN-Zeit abgespeichert. Aufgrund der im Vergleich mit der Feldzeitkonstante des Erregerfeldes sehr kurzen Schaltzeiten ist der Verlauf des Stromes während der EIN- und AUS-Zeit annähernd linear, d.h. der Stromwert in der Mitte der EIN-Zeit entspricht sehr genau dem Mittelwert des Stromes I_T1 .
Die Funktionsweise der Schaltung von 3 wird anhand des in den 4a,b gezeigten Beispiels deutlicher.
4a zeigt einen exemplarisch angenommenen Stromverlauf 9 im Endstufentransistor T1.
4b zeigt zusätzlich den im Referenzpfad 2 fließenden Referenzstrom I_T2 . Es wird angenommen, dass die Stromdichte im Referenztransistor T2 zum Zeitpunkt t0 kleiner ist als diejenige im Transistor T1. Die am Transistor T2 abfallende Spannung ist somit geringer als die am Transistor T1 abfallende Spannung bzw. die Knotenspannung am Knoten K2 größer als diejenige am Knoten K1. Das Ausgangssignal des Komparators 7 ändert die Zählrichtung des Aufwärts/Abwärts-Zählers 3 entsprechend von abwärts in aufwärts zählen. Der Aufwärts/Abwärts-Zähler 3 erhöht seinen Zählerstand beim nächsten Taktsignal (Clock) um einen Wert, und erhöht den von der steuerbaren Stromquelle 6 einprägten Strom Iq entsprechend.
Folglich steigt der durch den Transistor T2 fließende Strom und die am Transistor abfallende DS-Spannung, wodurch die Knotenspannung am Knoten K2 sinkt. Das Ausgangssignal des Komparators 7 ändert seinen Schaltzustand und bewirkt, dass der Aufwärts/Abwärts-Zähler 3 erneut abwärts zählt.
Zum Zeitpunkt t1 sinkt der Erregerstrom I_T1 sprungartig und der Aufwärts/Abwärts-Zähler 3 zählt solange abwärts, bis die Stromdichte im Referenztransistor T2 diejenige im Schalttransistor T1 wieder unterschritten hat. Der von der steuerbaren Stromquelle 6 eingeprägte Strom I_T2 pendelt danach wieder um den Laststrom I_T1 ein.
Am Ausgang des n-bit Aufwärts/Abwärts-Zählers 3 wird somit der Erregerstrom I_T1 als binärer Wert mit n-bit Auflösung erzeugt und kann direkt, beispielsweise über eine digitale Schnittstelle, an ein Steuergerät ausgegeben werden. Der durch den Transistor T1 fließende Erregerstrom I_T1 ergibt sich zu: $I_{T1} = m * Zählerstand * deltaI$
Bezugszeichenliste

1: Erregerkreis
2: Referenzpfad
3: Aufwärts/Abwärts-Zähler
4: D/A-Wandler
5: n-bit Datenwort
6: Steuerbare Stromquelle
7: Komparator
K1, K2: Schaltungsknoten
L: Erregerkreiswicklung
D1: Freilaufdiode
I_T1: Erregerstrom
T1, T2: Transistoren

Claims

Vorrichtung zum Messen des Erregerstroms (I_T1) im Erregerkreis (1) eines Generators, gekennzeichnet durch - einen im Erregerkreis (1) angeordneten ersten Transistor (T1) zur Steuerung des Erregerstroms (I_t1), - einen in einem Referenzpfad (2) angeordneten zweiten Transistor (T2), - einen Komparator (7), dessen einer Eingang mit einem Knoten (K1) im Erregerkreis (1), und dessen anderer Eingang mit einem Knoten (K2) im Referenzpfad (2) verbunden ist, - einen Aufwärts/Abwärts-Zähler (3), der mit dem Ausgang des Komparators (7) verbunden ist und in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Komparators (7) aufwärts oder abwärts zählt, sowie - eine im Referenzpfad (2) angeordnete, steuerbare Stromquelle (6), die in Abhängigkeit vom Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers (3)gesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Eingang des Komparators (7) an einem Knoten (K1) zwischen erstem Transistor (T1) und Erregerwicklung (L), und der zweite Eingang des Komparators (7) an einem Knoten (K2) zwischen zweitem Transistor (T2) und der steuerbaren Stromquelle (6) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Transistoren (T1,T2) monolithisch integriert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwärts/Abwärts-Zähler (3) ein digitaler n-bit Zähler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine digitale Schnittstelle vorgesehen ist, über die der Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers (3) an ein Steuergerät ausgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Transistor (T1,T2) n-Kanal MOS-Transistoren sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (T1,T2) mit dem gleichen Taktsignal (DF) gesteuert werden.
Verfahren zum Messen des Erregerstroms (I_t1) im Erregerkreis (1) eines Generators, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Vergleichen einer Knotenspannung im Erregerkreis (1) mit einer Knotenspannung in einem Referenzpfad (2) mittels eines Komparators (7), - Ändern der Zählrichtung eines Aufwärts/Abwärts-Zählers (3) in Abhängigkeit vom Zustand des Ausgangssignals des Komparators (7), - Steuern einer im Referenzpfad (2) angeordneten Stromquelle (6) in Abhängigkeit vom Zählerstand des Aufwärts/Abwärts-Zählers (3), und - Ausgabe des Zählerstands an eine Verarbeitungseinheit als Maß für den im Erregerkreis (1) fließenden Strom (I_T1).