DE4101492C2 - - Google Patents

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DE4101492C2
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Joachim Guenther
Karl Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt De Hacker
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Conti Temic Microelectronic GmbH
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Temic Telefunken Microelectronic GmbH
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Laststromkreis, bestehend aus einem elektrischen Verbraucher und einer den Laststrom steuernden Endstufe.
Aus der US 48 64 214 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Laststromkreis bekannt, der aus einem elektrischen Verbraucher und einer den Laststrom steuernden Endstufe aufgebaut ist. Zur Detektion des Laststromes sind folgende Merkmale vorgesehen:
  • a) in den Laststromkreis ist ein Shunt-Widerstand geschaltet, der einen ersten und zweiten Anschluß aufweist,
  • b) ferner ist ein steuerbarer Widerstand mit einem ersten und zweiten Anschluß sowie einem Steueranschluß vorgesehen,
  • c) weiterhin ist ein erster Widerstand vorgesehen, der den ersten Anschluß des Shunt-Widerstandes mit dem ersten Anschluß des steuerbaren Widerstandes verbindet,
  • d) weiterhin ist ein Operationsverstärker vorgesehen, wobei ein erster Schaltungszweig den einen Eingang des Operationsverstärkers mit dem zweiten Anschluß des Shunt-Widerstandes verbindet und wobei zur Steuerung des steuerbaren Widerstandes der Ausgang des Operationsverstärkers auf dessen Steuereingang geführt ist.
Diese bekannte Schaltungsanordnung gibt eine Ausgangsspannung ab, die eine zum Laststrom proportionale Komponente und eine laststromunabhängige Komponente aufweist.
Die an dem Shunt-Widerstand abgreifbare Spannung stellt einen Istwert zur Regelung des Laststromes dar. Um eine vernünftige Auswertung dieser Shunt-Spannung durchführen zu können, muß sie selber eine gewisse Größe aufweisen, d. h., der Wert des Shunt-Widerstandes kann eine solche Größe erreichen, wodurch eine nicht mehr zu akzeptierende Verlustleistung in Kauf zu nehmen wäre.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Detektion eines in einem Last­ stromkreis fließenden Laststromes anzugeben, die eine zum Laststrom proportionale Ausgangsspannung erzeugt, die eine zur Auswertung ausreichende Höhe aufweist und mit einem einen kleinen Widerstandswert aufweisenden Shunt-Widerstand auskommt.
Die Lösung dieser Aufgabe wird duch eine Schaltungsan­ ordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht.
Das Wesen der Erfindung besteht also darin, einen mit dem Laststromkreis verbundenen Schaltungszweig aufzu­ bauen, der die Serienschaltung eines ersten Widerstan­ des, eines steuerbaren Widerstandes und eines zweiten Widerstandes enthält. Hierbei wird der Strom durch die­ sen Schaltungszweig mittels des steuerbaren Widerstan­ des so gesteuert, daß sowohl an dem Shunt-Widerstand als auch an dem ersten Widerstand des genannten Schal­ tungszweiges der gleiche Spannungsabfall erzeugt wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß der an dem zweiten Widerstand auftretende Spannungsabfall proportional zum Laststrom ist und als Istwert des Laststromes einer Re­ gelschaltung zugeführt werden kann. Das Verhältnis der Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes zum ersten Wi­ derstand ist kleiner als 1, wodurch der Strom in diesem Schaltungszweig beliebig klein gemacht werden kann und somit auch die Verlustleistung in diesem Schal­ tungszweig gering bleibt. Die Höhe der zum Laststrom proportionalen Ausgangsspannung richtet sich nur nach der Höhe des zweiten Widerstandes in diesem besagten Schaltungszweig. Somit kann entsprechend der gewünsch­ ten Höhe der Ausgangsspannung der entsprechende Wider­ standswert für diesen zweiten Widerstand gewählt wer­ den.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Un­ teransprüchen zu entnehmen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren erläu­ tert werden. Es zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltungsbild eines Aus­ führungsbeispieles der Erfindung und
Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild des Ausführungs­ beispieles nach Fig. 1.
In den Figuren sind einander sich entsprechende Bau­ teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Nach Fig. 1 bilden ein elektrischer Verbraucher V, eine Endstufe E und ein Shunt-Widerstand RS einen Last­ stromkreis, wobei diese Bauelemente in der genannten Reihenfolge in Serie geschaltet sind und der elektri­ sche Verbraucher V einerseits auf dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung liegt und der Shunt-Widerstand RS mit der Betriebsspannungsquelle UB andererseits ver­ bunden ist. Zur Steuerung des Laststromes IL wird der Endstufe E eine Steuerspannung Ust zugeführt. Der Shunt-Widerstand RS weist einen ersten Anschluß 1 sowie einen zweiten Anschluß 2 auf, wobei, wie schon oben er­ wähnt, der erste Anschluß 1 mit der Betriebsspannungs­ quelle UB verbunden ist und der zweite Anschluß 2 an die Endstufe E angeschlossen ist. Ein auf das Bezugspo­ tential der Schaltungsanordnung geführter Schaltungs­ zweig ist an den ersten Anschluß 1 des Shunt-Widerstan­ des RS angebunden. Dieser Schaltungszweig enthält einen steuerbaren Widerstand T1 mit einem ersten Anschluß 3, einem zweiten Anschluß 4 und einem Steueranschluß 5, mit dessen Hilfe der durch diesen Schaltungszweig flie­ ßende Strom IH steuerbar ist. Der erste Anschluß 3 die­ ses steuerbaren Widerstandes T1 ist über einen ersten Widerstand R1 mit dem ersten Anschluß 1 des Shunt- Widerstandes RS verbunden, während dessen zweiter An­ schluß 4 über einen zweiten Widerstand R2 auf das Bezugspotential der Schaltungsanordnung geführt ist. Ferner ist an diesem Anschluß 4 auch eine zum Laststrom IL proportionale Ausgangsspannung UA abgreifbar.
Weiterhin ist ein Operationsverstärker OP vorgesehen, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß 5 des steuerbaren Widerstandes T1 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Operationsverstärkers OP ist an den er­ sten Anschluß 3 des steuerbaren Widerstandes T1 ange­ schlossen, während der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers OP mit dem zweiten Anschluß 2 des Shunt-Widerstandes RS verbunden ist.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist nun folgende:
An dem Anschluß 2 des Shunt-Widerstandes RS bzw. an dem Anschluß 3 des steuerbaren Widerstandes T1 tritt fol­ gender Spannungspegel U2 bzw. U3 auf:
U2 = UB - RS · IL (1)
U3 = UB - R1 · IH (2)
wobei UB der Spannungswert der Betriebsspannungsquelle, R1 bzw. RS der Widerstandswert des ersten bzw. Shunt- Widerstandes R1 bzw. RS und IL bzw. IH der Wert des durch den ersten bzw. Shunt-Widerstandes R1 bzw. RS fließenden Stromes ist.
Die Differenz dieser beiden Spannungspegel U2 und U3 wird auf den Operationsverstärker OP geführt, der den steuerbaren Widerstand T1 so steuert, daß die genannte Differenz zwischen den Spannungspegeln U2 und U3 ver­ schwindet. Somit ergibt sich durch Gleichsetzung der beiden Gleichungen 1 und 2 für den Strom IH durch den ersten Widerstand R1 folgende Gleichung:
IH = RS/R1 · IL (3)
Da dieser Strom IH auch annähernd durch den zweiten Wi­ derstand R2 fließt, erzeugt er an diesem Widerstand R2 einen Spannungsabfall UA nach folgender Gleichung:
UA = R2 · RS/R1 · IL (4)
Dieser Spannungsabfall ist die Ausgangsspannung UA, die nach der Gleichung 4 proportional zum Laststrom IL ist. Durch entsprechende Wahl der Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes RS und des ersten Widerstandes R1 kann das Widerstandsverhältnis RS/R1 sehr klein gewählt werden, um hierdurch auch den durch den Widerstand R1 fließenden Strom IH - siehe Gleichung 3 - möglichst klein zu machen. Des weiteren kann durch entsprechende Wahl des Widerstandswertes des Widerstandes R2 eine Ausgangsspannung UA erzeugt werden, die die gewünschte Höhe aufweist.
In dem detaillierten Schaltbild nach Fig. 2 ist als Verbraucher V ein Universalmotor dargestellt, dem eine Freilaufdiode D sowie zur Störunterdrückung eine Rei­ henschaltung aus einem Widerstand R7 und einem Konden­ sator C parallelgeschaltet sind. Zur Steuerung der Drehzahl dieses Motors wird der Laststrom IL getaktet, indem einem Feldeffekttransistor der Endstufe E ein pulsweitenmoduliertes Signal als Steuersignal Ust zuge­ führt wird.
Der steuerbare Widerstand T1 ist in diesem Ausführungs­ beispiel als NPN-Transistor ausgeführt. Anstelle dieses Transistors kann auch ein Feldeffekttransistor einge­ setzt werden.
Ein weiterer Unterschied zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 besteht darin, daß die Spannungspegel an dem Anschluß 2 als auch an dem Anschluß 3 nicht direkt auf den invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geführt sind, sondern über einen mit zwei Widerständen R3 und R4 aufgebauten er­ sten Spannungsteiler 6 bzw. über einen mit zwei weite­ ren Widerständen R5 und R6 aufgebauten zweiten Spannungsteiler 7, indem jeweils der Verbindungspunkt der beiden den Spannungsteiler aufbauenden Widerstände auf den entsprechenden Eingang des Operationsverstär­ kers geführt sind. Dies ist erforderlich, damit der Operationsverstärker nicht an der oberen Grenze seines Betriebsspannungsbereichs betrieben wird.
Um den Fehler in der Proportionalität der Ausgangsspan­ nung UA möglichst gering zu halten, sollte der Eingang des Operationsverstärkers OP möglichst hochohmig sowie einen geringen Offsetfehler aufweisen. Hierdurch wird eine geringe Belastung der Spannungsteiler 6 und 7 er­ reicht, die ihrerseits durch Wahl von Widerständen mit eng tolerierten Widerstandswerten zu einer Verbesserung der Proportionalität beitragen. Wenn anstatt des NPN- Transistors T1 nach Fig. 2 ein Feldeffekttransistor verwendet wird, wird eine weitere Verbesserung der Proportionalität der Ausgangsspannung UA erzielt, da die Ansteuerung eines solchen Feldeffekttransistors stromlos erfolgt. Schließlich sollte auch das Widerstandsverhältnis des Shunt-Widerstandes RS zum er­ sten Widerstand R1 eng toleriert werden.
Für die Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes RS so­ wie der Widerstände R1 bis R6 können folgende Werte eingesetzt werden:
RS =   5 mΩ
R₁ =  56 Ω
R₂ =   2,2 kΩ
R₃ =  10 kΩ
R₄ =  33 kΩ
R₅ = 100 kΩ
R₆ = 330 kΩ
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird mit einer po­ sitiven Betriebsspannung UB von 8 . . . 32 V betrieben. Diese Schaltungsanordnung kann auch mit einer Betriebsspannung mit der entgegengesetzten Polarität betrieben werden, wenn anstatt des NPN-Transistor T1 ein PNP-Transistor eingesetzt wird. Auch muß die Frei­ laufdiode D entsprechend der geänderten Polarität ge­ schaltet werden.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung mit einem Laststromkreis, beste­ hend aus einem elektrischen Verbraucher (V) und einer den Laststrom (IL) steuernden Endstufe (E), wobei zur Detektion des Laststromes (IL) folgende Merkmale vorgesehen sind:
  • a) in den Laststromkreis ist ein Shunt-Widerstand (RS) geschaltet, der einen ersten und zweiten An­ schluß (1, 2) aufweist,
  • b) ferner ist ein steuerbarer Widerstand (T1) mit ei­ nem ersten und zweiten Anschluß (3, 4) sowie einem Steueranschluß (5) vorgesehen,
  • c) weiterhin ist ein erster Widerstand (R1) vorgese­ hen, der den ersten Anschluß (1) des Shunt-Wider­ standes (RS) mit dem ersten Anschluß (3) des steu­ erbaren Widerstandes (T1) verbindet,
  • d) weiterhin ist ein Operationsverstärker (OP) vorge­ sehen, wobei ein erster Schaltungszweig (6) den einen Eingang des Operationsverstärkers mit dem zweiten Anschluß (2) des Shunt-Widerstandes (RS) und ein zweiter Schaltungszweig (7) den anderen Eingang des Operationsverstärkers mit dem ersten Anschluß des steuerbaren Widerstandes (T1) verbin­ det und zur Steuerung des steuerbaren Widerstandes (T1) der Ausgang dieses Operationsverstärkers (OP) auf dessen Steueranschluß (5) geführt ist,
  • e) schließlich ist ein zweiter, eine zum Laststrom (IL) proportionale Ausgangsspannung (UA) liefern­ der Widerstand (R2) vorgesehen, der mit seinem einen Anschluß auf dem Bezugspotential der Schal­ tungsanordnung liegt und mit seinem anderen An­ schluß mit dem zweiten Anschluß (4) des steuerba­ ren Widerstandes (T1) verbunden ist,
  • f) das Verhältnis (RS/R1) der Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes (RS) und der ersten Widerstand (R1) ist kleiner als Eins,
  • g) das Verhältnis der Widerstandswerte (R₂/R₁) des zweiten Widerstandes (R₂) und des ersten Widerstandes (R₁) ist wesentlich größer als Eins.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgenden Merkmale:
  • h) der erste Schaltungszweig (6) weist einen aus zwei Widerständen (R₃, R₄) aufgebaut ersten Spannungsteiler auf, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände (R₃, R₄) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geführt ist,
  • i) der zweite Schaltungszweig (7) weist einen aus zwei weiteren Widerständen (R₅, R₆) aufgebauten zweiten Spannungsteiler auf, wobei der Verbin­ dungspunkt dieser beiden weiteren Widerstände (R5, R6) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers (OP) verbunden ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (T1) ein Transistor ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (T1) ein Feldeffekttransistor ist.
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