DE3842921A1 - Schaltungsanordnung zur stromueberwachung elektrischer verbraucher - Google Patents
Schaltungsanordnung zur stromueberwachung elektrischer verbraucherInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zur Stromüber
wachung elektrischer Verbraucher nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Es ist bereits bekannt, zur Überwachung elektrischer Verbraucher
einen Meßwiderstand in der Stromzuleitung von Verbrauchern vorzu
sehen und dessen Spannungsabfall über einen A/D-Wandler in eine
digitale Auswerteschaltung bzw. über einen Eingang eines Mikrocom
puters mit A/D-Wandler einzulesen (DE-A 29 27 354). Da übliche
A/D-Wandler eine relativ lange Wandlungszeit benötigen, wird die
Einschaltstromspitze der zu überwachenden Verbraucher nicht mit aus
reichender Genauigkeit ermittelt. Durch die starke Stromänderung
tritt am Wandlerausgang ein verschliffener digitaler Meßwert auf,
der geringer als der tatsächliche Spitzenwert des Einschaltstromes
ist. Dies hat den Nachteil, daß einerseits der zu überwachende zu
lässige Grenzwert des Einschaltstromes geringer als erforderlich ge
wählt werden muß und daß andererseits bei einem Kurzschluß im Ver
braucherstromkreis dieser erst durch die Wandlungszeit verzögert,
erkannt und abgeschaltet werden kann.
Eine Verringerung dieser Nachteile läßt sich zwar durch A/D-Wandler
mit kürzerer Wandlungszeit erzielen, diese sind jedoch für viele
Anwendungszwecke zu teuer.
Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei der Stromüberwa
chung von Verbrauchern auch die Einschaltstromspitze praktisch un
verzögert zu überwachen und den Grenzwert jeweils auf den tatsäch
lichen Stromverlauf der intakten, zu überwachenden Verbraucher abzu
stimmen.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß mit einem Digi
tal-Analog-Wandler ein kostengünstiges Bauteil zur Überwachung der
elektrischen Verbraucher verwendet werden kann, dessen Wandlungszeit
gegenüber einem A/D-Wandler der gleichen Preisklasse nur noch etwa
1/100 beträgt. Dadurch ist es möglich, die Einschaltstromspitze der
zu überwachenden Verbaucher praktisch unverzüglich auf den tatsäch
lich zulässigen maximalen Grenzwert hin zu überwachen und bei Über
lastung, Nebenschluß oder Kurzschluß zum Schutz des Lastschalters
bzw. Leistungstransistors im Verbraucherstromkreis diesen unverzüg
lich abzuschalten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der zu
überwachende Grenzwert mit dem Einschalten der zu überwachenden Ver
braucher durch den Mikroprozessor bzw. Mikrocomputer zeitlich abge
stuft dem Verlauf der Stromstärke der intakten Verbraucher nachzu
führen ist. Damit läßt sich der Stromgrenzwert softwaremäßig an
jeden Stromstärkeverlauf von Verbrauchern anpassen. Eine Herabset
zung des Grenzwertes unterhalb der Einschaltstromspitze wegen durch
Wandlungszeiten verzögerter Stromerkennung ist nicht mehr erforder
lich. Ganz allgemein gilt, daß es mit der erfindungsgemäßen Schal
tungsanordnung nunmehr möglich ist, bei einem Strom mit bekanntem
zeitlichen Verlauf der Stromstärke eine nahezu unverzügliche Grenz
wertüberwachung zu erreichen, wobei der Grenzwert beliebig steuerbar
und somit nahe an den Betriebsstrom der intakten Verbraucher zu le
gen ist. Dabei kann auch eine Unterbrechung, eine schlechte Verbin
dung oder ein Leerlaufen eines Motors als Verbraucher durch eine
entsprechende Verringerung der Stromstärke durch die Schaltungsan
ordnung erfaßt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1
angegebenen Merkmale. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der
jeweils gewünschte, zeitlich gestufte Grenzwertverlauf der zu über
wachenden Verbraucher in einem Festwertspeicher der Schaltungsanord
nung abgelegt ist und mit dem Einschalten des ihm zugeordneten Ver
brauchers an den D/A-Wandler ausgegeben wird. Ferner ist es beson
ders zweckmäßig, den Ausgang des Komparators, der den Verbraucher
strom mit dem entsprechenden Grenzwert ständig oder zyklisch ver
gleicht, auf einen Eingang des Mikrocomputers zu legen, der beim
Auftreten eines Störsignals über den entsprechenden Steuerausgang
des Mikroprozessors den zu überwachenden Verbraucher unverzüglich
abschaltet. Zur unabhängiger Überwachung mehrerer einzuschaltender
Verbraucher ist es besonders vorteilhaft, deren digitale Grenzwerte
zyklisch auf den gemeinsamen D/A-Wandler auszugeben und im gleichen
Zyklus jeweils das Ausgangssignal des Komparators am entsprechenden
Eingang des Mikrocomputers einzulesen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Stromüberwa
chung eines elektrischen Verbrauchers mit einem D/A-Wandler, Fig. 2
den Stromstärkeverlauf und Grenzwertverlauf beim Einschalten des
Verbrauchers nach Fig. 1, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der
Schaltungsanordnung mit zwei voneinander unabhängig zu überwachenden
Verbrauchern, Fig. 4 als weiteres Ausführungsbeispiel die Strom
überwachung mehrerer Verbraucher über einen Multiplex-Baustein und
Fig. 5 als weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Stromüberwa
chungsschaltung mit einer Strommeßanordnung für einen auf Masse
liegenden Verbraucher.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung zur Stromüberwachung
elektrischer Verbraucher umfaßt einen Mikrocomputer 10, einen Feld
effekt-Transistor (SENSEFEF) 11 mit einem gegen Masse geschalteten
Meßwiderstand 12 als Strommeßglied, einer im Drainanschluß des Tran
sistors 11 liegenden Glühlampe 13 als Verbraucher sowie einen am
Gateanschluß liegenden Treiberverstärker 14, der eingangsseitig auf
einen Ausgang 15 des Mirkocomputers 10 gelegt ist. Über einen Ein
gang 16 des Mikrocomputers 10 wird der Ausgang 15 durch Spannungs
impulse, z. B. durch Betätigung eines am Eingang 16 angeschlossenen
Tastschalters jeweils zwischen L und H umgeschaltet und damit der
Transistor 11 leitend oder gesperrt. Die zu überwachende Glühlampe
13 liegt am Pluspotential einer Gleichspannung. Zum Schutz des Tran
sistors 11 soll dieser bei Kurzschluß oder Nebenschluß beim Verbrau
cher unverzüglich abgeschaltet werden.
Da der Spannungsabfall am Meßwiderstand 12 sich abhängig von dem im
Verbraucherstromkreis über den Transistor 11 fließenden Strom pro
portional ändert, wird das nicht auf Masse liegende Ende des Meßwi
derstandes 12 über eine Leitung 17 und einen Vorwiderstand 18 auf
den Minus-Eingang eines Komparators 19 gelegt, der über einen Kop
pelwiderstand 20 mit dem Komparatorausgang verbunden ist. Der
Plus-Eingang des Komparators 19 ist über eine Leitung 21 mit dem
Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers 22 verbunden. Dieser ist ein
gangsseitig über eine Busleitung 23 mit dem Mikrocomputer 10 verbun
den. Der Ausgang des Komparators 19 ist zur Verarbeitung von Stör
signalen mit einem weiteren Eingang 24 des Mikrocomputers 10 und
über einen Widerstand 27 mit Pluspotential verbunden. Dieser umfaßt
einen Prozessor 25 und einen damit zusammenwirkenden Datenspeicher
26.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf des Lampen
stromes I mit der Einschaltstromspitze zum Einschaltzeitpunkt t 0
durch den kalten Faden der Glühlampe und dem Abklingen auf den Be
triebsstrom der Lampe 13. Über diesem Stromverlauf I ist mit gerin
gem Abstand ein zeitlich abgestufter gesteuerter Grenzwert G darge
stellt, mit dem der tatsächliche Verbraucherstrom I verglichen wird.
Dieser dem Stromverlauf des intakten Verbrauchers 13 angepaßte,
zeitlich abgestufte Grenzwert G ist im Speicher 26 des Mikrocompu
ters 10 in Digitalwerten abgelegt und wird mit dem Einschaltsignal
für den Transistor 11 am Ausgang 15 des Mikrocomputers 10 aus dem
Speicher 26 abgerufen und über die Busleitung 23 auf den Eingang des
D/A-Wandlers 22 ausgegeben. Der Wandler 22 wandelt praktisch unver
züglich den digitalen Grenzwert in einen entsprechenden zeitlich ab
gestuften analogen Grenzwert G um und gibt diesen auf den Plus-Ein
gang des Komparators 19. Der Meßwert des jeweils augenblicklichen
Verbraucherstromes I am Minus-Eingang des Komparators 19 wird mit
dem augenblicklichen Grenzwert G verglichen. Sobald nun der augen
blickliche Verbraucherstrom um einen am Komparator 19 vorgegebenen
Betrag über den augenblicklichen Grenzwert G hinaus ansteigt, tritt
am Ausgang des Komparators 19 ein Störsignal auf, indem dieser von H
auf L umschaltet. Da der Ausgang des Komparators 19 über den Eingang
24 vom Mikrocomputer 10 zyklisch überwacht wird, wird das Störsignal
mit dem nächsten Programmdurchlauf des Mikroprozessors 10 in diesen
eingelesen und verarbeitet. Im Beispielsfall wird durch das Stör
signal der Ausgang 15 des Mikrocomputers 10 gegen L geschaltet und
damit der Transistor 11 unverzüglich gesperrt. Im Bedarfsfall kann
das Störsignal auch noch zu einer am Mikrocomputer 10 anzuschließen
den, nicht dargestellten Störanzeige verwendet werden.
In Fig. 3 werden in einem erweiterten Ausführungsbeispiel mehrere
Verbraucher unabhängig voneinander überwacht. Dabei sind die aus
Fig. 1 bekannten Schaltungselemente mit gleichen Bezugszahlen ver
sehen. Als zweiter Verbaucher ist hier ein Gleichstrommotor 30 vor
gesehen, wobei die Bezugszahlen der zusätzlichen Schaltungselemente
im Vergleich zu denen für den ersten Verbraucher mit a ergänzt sind.
Auch hier tritt beim Einschalten des Motors 30 durch den Transistor
11 a eine Anlaufstromspitze auf, die anschließend auf den Betriebs
strom des Motors 30 abklingt. Auch hier wird der Motorstrom durch
einen entsprechend angepaßten, zeitlich abgestuften Grenzwert über
wacht, der ebenso wie der Grenzwertverlauf des Verbrauchers 13 im
Datenspeicher 26 des Mikrocomputers 10 abgelegt ist.
Zur unabhängigen Überwachung der beiden Verbraucher 13 und 30 werden
durch das Computerprogramm bei eingeschalteten Verbrauchern 13 bzw.
30 die ihnen zugeordneten augenblicklichen Grenzwerte zyklisch über
die Busleitung 23 und dem Wandler 22 auf die Plus-Eingänge der Kom
paratoren 19 und 19 a ausgegeben und die Ausgänge der Komparatoren 19
und 19 a werden zyklisch nacheinander an den Eingängen 24 und 24 a zur
Auswertung eingelesen. Da die Schalteingänge 16 und 16 a für die Ver
braucher 13 und 30 ebenfalls zyklisch vom Mikrocomputer 10 eingele
sen werden, können die Verbraucher 13 und 30 unabhängig voneinander
über die Ausgänge 15, 15 a des Mikrocomputers 10 ein- und ausge
schaltet werden. Zur unabhängigen Stromüberwachung wird aufgrund der
zyklisch umschaltbaren Grenzwerte nur ein einziger D/A-Wandler 22
benötigt.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist die Schaltungsanordnung nach
Fig. 3 in der Weise abgeändert worden, daß die Leitungen 17, 17 a
von den Strommeßwiderständen 12, 12 a nicht mehr jeweils einem Kom
parator, sondern über einen Multiplex-Baustein 31 und dessen Ausgang
31 a dem Minus-Eingang eines gemeinsamen Komparators 19 zugeführt
werden. Der Multiplex-Baustein 31 kann eingangsseitig über Leitungen
17 b an die nicht dargestellten Strommeßglieder weiterer zu über
wachender Verbraucher angeschlossen werden, die vom Mikrocomputer 10
über weitere Ausgänge 15 b durch entsprechende Signale an den ihnen
zugeordneten Schalteingängen 16 b ein- und ausschaltbar sind. Über
weitere Ausgänge 32 des Mikrocomputers 10 wird in diesem Fall in
entsprechenden Programmabschnitten des Mikrocomputers der Multi
plex-Baustein 31 zyklisch in der Weise umgeschaltet, daß der über
die Busleitung 23 jeweils ausgegebene augenblickliche Grenzwert mit
dem augenblicklichen Verbraucherstrom des diesem Grenzwert zugeord
neten Verbrauchers an den Eingängen des Komparators 19 verglichen
wird. Das Ausgangssignal des Komparators 19 wird dabei gleichzeitig
über den Eingang 24 des Mikrocomputers 10 eingelesen und verarbeitet.
In Fig. 5 ist eine Adapterschaltung für das Strommeßglied 12 eines
elektrischen Verbrauchers 13 dargestellt, dessen einer Anschluß un
mittelbar auf Masse liegt. Der Schalttransistor 11 ist hier dem Ver
braucher 13 in Abänderung zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vor
geschaltet. Dadurch liegt der Strommeßwiderstand 12 nunmehr zwischen
dem Schalttransistor 11 und dem Verbraucher 13. Um auch hier über
den Minus-Eingang des nicht dargestellten Komparators 19 ein Meß
signal zu erhalten, das sich ausschließlich abhängig vom Verbrau
cherstrom ändert, wird die Meßspannung an den Enden des Strommeß
widerstandes 12 den Eingängen eines Differenzverstärkers 33 zuge
führt, wobei der Plus-Eingang am Abgriff eines gegen Masse geschal
teten Spannungsteilers 34 liegt und der Minus-Eingang über einen
Widerstand 35 am Verbraucher 13 sowie über einen Koppelwiderstand 36
am Ausgang des Differenzverstärkers angeschlossen ist. Der Diffe
renzverstärker-Ausgang ist nun über die Leitung 17 unmittelbar am
Minus-Eingang des ihm zugeordneten Komparators 19 aus Fig. 1 oder
auf einen entsprechenden Multiplex-Eingang nach Fig. 4 gelegt.
Durch einen so geschalteten Differenzverstärker 33 wird das Meßsig
nal auf der Leitung 17 von der am Verbraucher 13 anliegenden Span
nung unabhängig und die Stromüberwachung des Verbrauchers 13 arbei
tet in gleicher Weise wie zu Fig. 1 erläutert.
Da der zu überwachende Verbraucherstrom oftmals von der Betriebs
spannung der Temperatur des Verbrauchers oder von weiteren Betriebs
parametern beeinflußt wird, ist es möglich, daß derartige Betriebs
parameter z. B. durch Sensoren und dergleichen erfaßt und in den
Mikrocomputer 10 eingegeben werden, um damit den jeweiligen Grenz
wert softwaremäßig zu korrigieren.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, da anstelle von Meßwiderständen 12, 12 a auch Meß-Shunts
oder Meßwandler und anstelle der Schaltertransistoren 11, 11 a auch
andere Schaltelemente im Verbraucherstromkreis vorgesehen sein kön
nen. Ebenso können mehrere parallel geschaltete Verbraucher, wie
beispielsweise mehrere Glühlampen der Blinkanlage oder Lichtanlage
eines Kraftfahrzeugs auf einen Lampenausfall oder eine Unterbrechung
im Stromkreis hin überwacht werden, indem der jeweilige vorgegebene
Grenzwert unterhalb des Stromwertes des intakten Verbrauchers gelegt
wird. Der Grenzwert stellt hier einen Mindeststromwert dar und der
Ausgang des jeweiligen Komparators wird dann bei einem Lampenausfall
bzw. einer Unterbrechung von L- auf H-Potential geschaltet. Das so
definierte Störsignal könnte dann im Mikrocomputer 10 in bekannter
Weise zur Ausfallanzeige bzw. zur Erhöhung der Blinkfrequenz einer
zu überwachenden Kfz-Blinkanlage verwertet werden.
Claims (8)
1. Schaltungsanordnung zur Stromüberwachung elektrischer Verbrau
cher, die in ihrer Stromzuführung ein Strommeßglied aufweisen, des
sen stromabhängige Meßspannung einer Auswerteschaltung mit einem
Mikrorechner zugeführt wird, der über Steuerausgänge die Schaltmit
tel für das Ein- und Ausschalten der zu überwachenden Verbraucher
steuert, wobei die Auswerteschaltung bei einem abnormalen Verbrau
cherstrom durch Vergleich mit vorgegebenen Stromgrenzwerten ein
Störsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das stromabhängig
veränderbare Potential des Strommeßgliedes (12, 12 a) auf einen Ein
gang eines Komparators (19, 19 a) gelegt ist, dessen anderer Eingang
am Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers (22) angeschlossen ist, der
eingangsseitig über eine Busleitung (23) mit einem Ausgang des Mi
krorechners (10) verbunden ist, an dem jeweils mit dem Einschalten
eines der zu überwachenden Verbraucher (13, 30) ein diesem zugeord
neter, zeitlich abgestuft gesteuerter Grenzwert G auftritt und daß
bei Abweichung des augenblicklichen Verbraucherstromes I vom augen
blicklichen Grenzwert G um einen vorgegebenen Betrag am Ausgang des
Komparators (19, 19 a) das Störsignal auftritt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für jeden der zu überwachenden Verbraucher (13, 30) ein seinem zeit
lichen Einschaltstromverlauf I angepaßter, zeitlich gestufter
digitaler Grenzwert G in einem Speicher des Mikrorechners (10) abge
legt ist, der mit dem Einschalten des ihm zugeordneten Verbrauchers
(13, 30) abgerufen und auf den Eingang des D/A-Wandlers (22) gegeben
wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Ausgang des Komparators (19, 19 a) auf einen Eingang
(24, 24 a) des Mikrorechners (10) gelegt ist, der beim Auftreten
eines Störsignals über seinen entsprechenden Steuerausgang (15, 15 a)
den zu überwachenden Verbraucher (10, 10 a) abschaltet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zur unabhängigen Überwachung mehrerer eingeschalteter Verbraucher
deren digitale Grenzwerte G zyklisch auf den gemeinsamen D/A-Wand
ler (22) gegeben werden und im gleichen Zyklus jeweils das Ausgangs
signal des Komparators (19, 19 a) am entsprechenden Eingang (24, 24 a)
des Mikrorechners (10) eingelesen wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur unabhängigen Überwachung mehrerer Verbrau
cher der Ausgang des D/A-Wandlers (22) auf je einen Eingang mehrerer
Komparatoren (19, 19 a) geschaltet ist, deren anderer Eingang jeweils
an dem Strommeßglied (12, 12 a) eines der Verbraucher (11, 11 a) ange
schlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge
kennzeichnet, daß zur Überwachung mehrerer Verbraucher (10, 10 a) die
ihnen zugeordneten Strommeßglieder (12, 12 a) am Eingang eines Multi
plex-Bausteines (31) angeschlossen sind, dessen Ausgang mit einem
Eingang eines gemeinsamen Komparators (19) verbunden ist und daß der
Multiplex-Baustein (31) über Steuerleitungen (32) vom Mikrorechner
(10) umsteuerbar ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der dem zu überwachenden Verbraucher (10, 10 a)
zugeordnete Grenzwert G von weiteren erfaßten Betriebsparametern des
Verbrauchers (11, 11 a) abhängig korrigierbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß bei einem auf Masse gelegten, zu überwachenden
Verbraucher (13) die Meßspannung des Strommeßgliedes (12) über einen
Differenzverstärker (33) auf den entsprechenden Komparatoreingang
bzw. auf den entsprechenden Multiplex-Eingang gelegt ist.
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