DE3842921A1 - Schaltungsanordnung zur stromueberwachung elektrischer verbraucher - Google Patents

Description

Stand der Technik

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.

Vorteile der Erfindung

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.

Zeichnung

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.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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.