DE19908635B4

DE19908635B4 - Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand eines Laststromkreises

Info

Publication number: DE19908635B4
Application number: DE1999108635
Authority: DE
Inventors: Harald Eisenhardt; Rolf Falliano
Original assignee: GKR Gesellschaft fuer Fahrzeugklimaregelung mbH
Current assignee: GKR Gesellschaft fuer Fahrzeugklimaregelung mbH
Priority date: 1999-02-27
Filing date: 1999-02-27
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2019-02-28
Also published as: DE19908635A1; WO2000052482A3; WO2000052482A2

Abstract

Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand (Ro) eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker (OV) dem der Spannungsabfall am Meßwiderstand (Ro) zuführbar ist und der am Ausgang ein dem erfassten Strom (I) proportionales Ausgangssingal abgibt, dadurch gekennzeichnet,
dass der Meßwiderstand (Ro) in Reihe mit einemzusätzlichen Spannungsteiler (R1, R2) geschaltet ist, an dem bei abgeschaltetem Laststromkreis eine Steuerspannung (Uo) für den Operationsverstärker (0V) abgreifbar ist, die größer ist als dessen maximale Offsetspannung (z.B. 3mV bis 10mV),
dass die dabei auftretende Ausgangsspannung (Ua) des Operationsverstärkers (0V) einen Mikrocomputer oder ASIC (μC) zugeführt ist, der diese Ausgangsspannung (Ua) dem Stromwert Null durch den Meßwiderstand (Ro) zuordnet, und
dass bei geschlossenem Laststromkreis durch den Spannungsabfall (Us) am Meßwiderstand (Ro) die Steuerspannung (Uo) am Operationsver stärker (0V) ansteigt und der Mikrocomputer oder ASIC (μC) eine der Spannungserhöhung proportionales Ausgangssignal (Uac) abgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker, dem der Spannungsabfall am Meßwiderstand zuführbar ist und der am Ausgang ein dem erfassten Strom proportionales Ausgangssingal abgibt.

Eine Anordnung dieser Art ist aus der EP 0 184 609 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung ist der Meßwiderstand thermisch mit einem weiteren Widerstand gekoppelt. Beide Widerstände haben gleiche Materialeigenschaften und sind so miteinander gekoppelt, daß sich ihre Widerstandswerte über die gesamte Kopplungslänge nicht ändern, wenn die Widerstände als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte ausgebildet sind. Die Widerstände sind an einen Operationsverstärker als Vergleichsstufe angeschaltet, die am Ausgang ein dem erfassten Strom proportionales Ausgangssignal abgibt.

Mit dieser bekannten Anordnung ist eine mehr oder weniger gute Temperaturkompensation der Strommessung vornehmbar. Die Meßgenauigkeit ist jedoch in vielen Fällen nicht ausreichend, da der verwendete Operationsverstärker gerade im Bereich kleiner Steuerspannungen zu falschen Ergebnissen bei der Strommessung führt.

In der DE 689 04 644 T2 ist eine Strommessschaltung gezeigt, mit der Störungen des zu erfassenden Stromes vermieden werden können und eine Messspannung im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Temperatur oder irgendwelcher anderer Parameter des integrierten Schaltkreises, der diese Messschaltung enthält, erhalten werden kann. Dazu ist die Messschaltung in einen integrierter Schaltkreis integriert. Die Messschaltung besteht aus einem Operationsverstärker, dessen invertierender Eingang über einen ersten und einen zweiten Widerstand geerdet ist, wobei am Verknüpfungspunkt der beiden Widerstände der zu messende Strom anliegt, dessen nicht invertierender Eingang durch einen zwischen einer Versorgungsspannung und Masse angeschlossenen Spannungsteiler vorgespannt ist, der einen dritten Widerstand und einen vierten Widerstand aufweist, und dessen Ausgang mit dem Eingang eines Invertierers verbunden ist Weiterhin umfasst die Messschaltung einen MOS-Transistor, dessen Gate mit dem Ausgang des Invertierers verbunden ist, dessen Drain über einen fünften Widerstand mit der Versorgungsspannung und über einen sechsten Widerstand mit dem ersten Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, und dessen Source über einen Messwiderstand geerdet ist.

In der Kraftfahrzeugtechnik wird z.B. bei Gebläsereglern eine möglichst genaue Strommessung benötigt, um bei Überlast- bzw. Überstromfällen ein genaues Grenzkriterium ermitteln zu können. Davon ist zudem die Auslegung der Verkabelung, der Steckkontakte, der Sicherungen, die Maximalbelastung der Lichtmaschine und die Auslegung des Gebläsemotors betroffen.

Die größten Fehlereinflüsse bei der Strommessung mit Meßwiderstand im Laststromkreis mit nachgeschaltetem Operationsverstärker zur Verstärkung des Nutzsignalhubes ist in erster Linie der Offset des Operationsverstärkers. Als weitere Fehlereinflüsse kommen die Temperaturdrift des Meßwiderstandes und dessen Widerstandstoleranz in Betracht.

Bei typischen Operationsverstärkern für Kraftfahrzeug-Anwendungen beträgt die maximale Offsetspannung 3mV bis 10mV. Bei Meßwiderständen von 4 mΩ bis 20 mΩ beträgt die Fehlmessung aufgrund des Offsetfehlers daher 0,15A bis 2,5A.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der die Strommessung ohne Offsetfehler ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Meßwiderstand in einen zusätzlichen Spannungsteiler einbezogen ist, an dem bei abgeschaltetem Laststromkreis eine Steuerspannung für den Operationsverstärker abgreifbar ist, die größer ist als dessen maximale Offsetspannung, dass die dabei auftretende Ausgangsspannung des Operationsverstärkers einem Mikrocontroller oder ASIC zugeführt ist, der diese Ausgangsspannung dem Stromwert Null durch den Meßwiderstand zuordnet, und dass bei geschlossenem Laststromkreis durch den Spannungsabfall am Meßwiderstand die Steuerspannung am Operationsverstärker ansteigt und der Mikrocomputer oder ASIC ein der Spannungserhöhung proportionales Ausgangssignal abgibt.

Mit der so gewählten Ansteuerung des Operationsverstärkers wird bei abgeschaltetem Laststromkreis ein definierter Ausgangszustand für den Stromwert Null geschaffen. Die dabei auftretende Ausgangsspannung am Operationsverstärker kann durch den nachgeschalteten Mikrocomputer dem Stromwert Null zugeordnet und in seinem Ausgangssignal entsprechend berücksichtigt werden. Dieser Ausgangswert am Operationsverstärker kann leicht ermittelt und abgespeichert werden.

Die Anordnung ist besonders vorteilhaft mit einem Mikrocomputer mit integriertem Analog-Digital-Wandler darstellbar.

Nach einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Spannungsabfall am Meßwiderstand und die Steuerspannung für den Operationsverstärker positives Potential aufweisen und dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers zuführbar sind und dass der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers durch einen zweiten Spannungsteiler vorgebbar ist, dessen einer Widerstand den Ausgang des Operationsverstärkers mit dem Minus-Eingang verbindet und dessen anderer Widerstand vom Minus-Eingang zum Bezugspotential führt. Damit wird eine Ausgangskennlinie mit positiver Steigung erreicht. Durch andere Beschattung des Operationsverstärkers kann auch eine Ausgangskennlinie mit negativer Steigung eingestellt werden.

Selbstverständlich kann der Meßwiderstand bei der erfindungsgemäßen Anordnung auch durch eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte realisiert sein.

Ist nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass in der Nähe des Meßwiderstandes ein Bauteil mit temperaturabhängiger Kennlinie angeordnet und die Temperatur des Meßwiderstandes erfaßbar ist und daß in Abhängigkeit der erfaßten Temperatur, d.h. Widerstandswert des Bauteils, der Mikrocomputer den Widerstandswert des Meßwiderstandes entsprechend korrigiert und ein temperaturkompensiertes Ausgangssignal abgibt, dann ist die Temperaturdrift des Meßwiderstandes auf einfache Art durch Software kompensierbar. Der Widerstandswert des Meßwiderstandes kann dabei über den bekannten Temperaturkoeffizienten korrigiert werden. Der Einfluß der Temperatur auf den Meßwert ist dann minimiert.

Die Temperaturkompensation kann jedoch auch so vorgenommen werden, dass der Mikrocomputer oder ASIC die aufgrund der entstehenden Verlustleistung im Meßwiderstand auftretende Temperaturerhöhung und Widerstandsänderung mittels einer produktspezifischen Kennlinie kompensietz ist. Das temperaturabhängige Bauteil kann dann entfallen.

Die Toleranz des Meßwiderstandes läßt sich dadurch eliminieren, dass der Mikrocomputer oder ASIC mit integriertem veränderbaren Datenspeicher versehen ist, daß bei definierten Betriebsverhältnissen der tatsächliche Widerstandswert des Meßwi-derstandes über den Verstärkungsfaktor des Operationsverstärker und dessen Ausgangsspannung ermittelbar ist und daß der Unterschied zwischen dem Widerstandsnennwert und dem Widerstandsistwert oder ein entsprechender Korrekturfaktor in den Datenspeicher eingebbar und vom Mikrocomputer zur Abgabe eines toleranzkompensiertem Ausgangssignals verwertbar ist.

Bei der Warenausgangsprüfung wird unter definierten Betriebsverhältnissen die Anordnung betrieben. Bei dieser Prüfung kann aus der entstehenden Ausgangsspannung am Operationsverstärker und dessen bekanntem Verstärkungsfaktor der tatsächliche Widerstandswert des Meßwiderstandes ermittelt werden. Der Unterschied vom Widerstandsnennwert zum Widerstandsistwert oder ein entsprechender Korrekturfaktor kann in den Datenspeicher des Mikrocomputers eingeschrieben werden und bei der Abgabe eines toleranzkompensierten Ausgangssignals am Mikrocomputer berücksichtigt werden. Dies macht einen Widerstandsabgleichvorgang in der Anordnung (Hardwareabgleich) überflüssig.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Wie die Zeichnung zeigt, umfaßt der Laststromkreis eine Reihenschaltung aus Elektromotor M, Schalter S und Meßwiderstand Ro, die von einer Batteriespannung UBatt gespeist wird. Im Ausgangszustand ist der Schalter S geöffnet, so daß über den Elektromotor M ein Strom I = OA fließt.
Der Meßwiderstand Ro ist mit den Widerständen R1 und R2 in einen zusätzlichen Spannungsteiler einbezogen, der von einer stabilisierten Spannung Vcc gespeist ist. Daher steht auch im Ausgangszustand, d.h. Auschaltzustand des Laststromkreises, eine Steuerspannung Uo am Plus-Eingang des Operationsverstärkers 0V. Diese Steuerung Uo ist größer als die maximale Offsetspannung des Operationsverstärkers 0V, so daß am Ausgang derselben eine definierte Ausgangsspannung Ua steht. Ein zweiter Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 bestimmt den Verstärkungsfaktor R3/(R3+R4) des Operationsverstärkers 0V und damit bei der Steuerspannung Uo die entsprechend vergrößerte Ausgangsspannung Ua. Der Widerstand R3 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 0V mit seinem Minus-Eingang und der Widerstand R4 führt vom Minus-Eingang zum Bezugspotential (Masse).
Dor Ausgangsspannung Ua gelangt auf einen nachgeschalteten Mikrocomputer (Mikrocontroller, ASIC oder dgl.) μC mit integriertem Analog-Digital-Wandler und mit integriertem veränderbaren Datenspeicher. Dieser Mikrocomputer μC kann so eingestellt sein, daß er bei der Ausgangsspannung Ua des Operationsverstärkers 0V mit seiner Ausgleichsspannung Uac den Stromwert Null anzeigt.
Wird der Schalter S des Laststromkreises geschlossen, dann fließt ein Strom I im Laststromkreis, der zu einem erhöhten Spannungsabfall Us am Meßwiderstand Ro führt. Die Ausgangsspannung Ua am Operationsverstärker 0V folgt proportional dieser Spannungsänderung und der Mikrocomputer μC kann ein dem Anstieg des Spannungsabfalles Us am Meßwiderstand Ro proportionales, digitales oder analoges Ausgangssignal Uac zur Steuerung des Schalters S abgeben. Es kann somit ein maximal oder minimal zulässiger Strom durch den Motor M eingestellt werden.
Da die Anordnung einen Mikrocomputer μC aufweist, kann über entsprechende Software auch eine Temperatur- und Toleranzkompensation ausgeführt werden. So kann in der Nähe des Meßwiderstandes Ro ein temperaturabhängiges Bauteil angeordnet werden, dessen Widerstandswert dem Mikrocomputer μC zugeführt wird und so ein der Temperatur und der Widerstandsänderung des Meßwiderstandes Ro entsprechendes Signal zur Verfügung stellt, mit dem der Mikrocomputer μC eine Temperaturkompensation durchführen kann. Ist der Temperaturkoeffizent des Meßwiderstandes Ro bekannt, dann kann im Datenspeicher des Mikrocomputers μC auch eine produktspezifische Kennlinie gespeichert sein, die zur Temperaturkompensation, die aufgrund der Erwärumung des Meßwiderstandes durch den durchfließenden Strom erforderlich wird, verwendet werden kann.
Ist der Datenspeicher veränderbar, dann kann in einem Prüfvorgang bei vorgegebenen Betriebsverhältnissen der tatsächliche Widerstandswert des Meßwiderstandes Ro ermittelt und ein entsprechender Korrekturfaktor abgespeichert werden, der zur Toleranzkompensation verwendet wird, ohne einen Widerstandsabgleich vornehmen zu müssen.

Claims

Anordnung zum Erfassen des Stromes durch einen Meßwiderstand (Ro) eines Laststromkreises mit einem Operationsverstärker (OV) dem der Spannungsabfall am Meßwiderstand (Ro) zuführbar ist und der am Ausgang ein dem erfassten Strom (I) proportionales Ausgangssingal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßwiderstand (Ro) in Reihe mit einemzusätzlichen Spannungsteiler (R1, R2) geschaltet ist, an dem bei abgeschaltetem Laststromkreis eine Steuerspannung (Uo) für den Operationsverstärker (0V) abgreifbar ist, die größer ist als dessen maximale Offsetspannung (z.B. 3mV bis 10mV), dass die dabei auftretende Ausgangsspannung (Ua) des Operationsverstärkers (0V) einen Mikrocomputer oder ASIC (μC) zugeführt ist, der diese Ausgangsspannung (Ua) dem Stromwert Null durch den Meßwiderstand (Ro) zuordnet, und dass bei geschlossenem Laststromkreis durch den Spannungsabfall (Us) am Meßwiderstand (Ro) die Steuerspannung (Uo) am Operationsver stärker (0V) ansteigt und der Mikrocomputer oder ASIC (μC) eine der Spannungserhöhung proportionales Ausgangssignal (Uac) abgibt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Spannungsteiler (R1, R2) mit dem Meßwiderstand (Ro) von einer stabilisierten Spannung (Vcc) gespeist ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsabfall (Us) am Meßwiderstand (Ro) und die Steuerspannung (Uo) für den Operationsverstärker (0V) positives Potential aufweisen und dem Plus-Eingang des Operationsverstärkers (0V) zuführbar sind.
Anordnung nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers (0V) durch einen zweiten Spannungsteiler (R3, R4) vorgebbar ist, dessen einer Widerstand (R3) den Ausgang des Operationsverstärkers (0V) mit dem Minus-Eingang verbindet und dessen anderer Widerstand (R4) vom Minus-Eingang zum Bezugspotential (Masse) führt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocomputer (μC) mit integriertem Analog-Digital-Wandler eingesetzt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Meßwiderstand (Ro) durch eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte realisiert ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe des Meßwiderstandes (Ro) ein Bauteil mit temperaturabhängiger Kennlinie (z.B. ein NCT) angeordnet und die Temperatur des Meßwiderstandes (Ro) erfaßbar ist und dass in Abhängigkeit der erfaßten Temperatur, d.h. dem erfaßten Widerstandswert des Bauteils, der Mikrocomputer oder ASIC (μC) den Widerstandswert des Meßwiderstandes (Ro) entsprechend korrigiert und ein temperaturkompensiertes Ausgangssignal (Uac) abgibt.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer (μC) die aufgrund der entstehenden Verlustleistung im Meßwiderstand (Ro) auftretende Temperaturerhöhung und Widerstandsänderung mittels einer produktspezifischen Kennlinie kompensiert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrocomputer (μC) mit einem integrierten veränderbaren Datenspeicher versehen ist, dass bei definierten Betriebsverhältnissen der tatsächliche Widerstandswert des Meßwiderstandes (Ro) über den Verstärkungsfaktor des Operationsverstärker (0V) und dessen Ausgangsspannung (Ua) ermittelbar ist und dass der Unterschied zwischen dem Widerstandsnennwert und dem Widerstandsistwert oder ein entsprechender Korrekturfaktor in den Datenspeicher eingebbar und vom Mikrocomputer (μC) zur Abgabe eines toleranzkompensierten Ausgangssignals (Uac) verwertbar ist.