DE4223338A1 - Einrichtung zur Stromerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Einrichtung ist bekannt aus der EP 0 184 609 B1.

Die aus der EP 0 184 609 B1 bekannte Einrichtung gestattet zwar die Gewinnung eines stromproportionalen Signals, welches durch Temperatureinflüsse nicht verfälscht ist, jedoch ist eine Nachführung des Bezugssignals, z. B. für Regelungszwecke, nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Einrichtung ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß eine Nachführung des Bezugssignals möglich ist. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen aufgezeigt.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird eine Temperaturkompensation ohne zusätzlichen Mehraufwand erzielt. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 ergibt sich eine Einrichtung, die sehr schnell auf Stromänderungen reagiert und deshalb vorteilhaft für Regelzwecke verwendbar ist. Die Ausführung gemäß Anspruch 6 reagiert sehr schnell auf plötzliche Änderung des zu erfassenden Stromes. Die Ausgestaltung nach Anspruch 10 eignet sich insbesondere zur Realisierung zuverlässiger und verlustarmer Regler mit zusätzlicher Strombegrenzungsfunktion, die für den Einsatz in Satelliten geeignet sind.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Variante zur Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 die Anwendung der Erfindung in einem Regler mit Überlastungsschutz.

In Fig. 1 ist eine Versorgungsgleichspannungsquelle QV dargestellt, über die ein Verbraucher RL stromversorgt wird. In Serie zur Versorgungsgleichspannungsquelle QV ist ein Stellglied in Form eines Feldeffekttransistors F1 angeordnet und eine Induktivität L1. Die Induktivität L1 begrenzt die Geschwindigkeit des Stromanstiegs. Das Stellglied F1 dient zur Regelung des Verbraucherstroms auf einen möglichst konstanten Wert und zur Unterbrechung des Verbraucherstromkreises bei Überlastung, z. B. bei Kurzschluß des Verbrauchers. Zwischen der Induktivität L1 und dem Verbraucher RL befindet sich ein Strommeßwiderstand R1. Das induktivitätsnahe Ende des Strommeßwiderstandes R1 ist über den Widerstand R4 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers, der die Vergleichsstufe FV bildet, angeschlossen, so daß am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers FV eine Spannung anliegt, die proportional zum Verbraucherstrom IV ist, der mittels dem Strommeßwiderstand R1 erfaßt wird. Der Referenzeingang - nichtinvertierender Eingang des Operationsverstärkers FV - ist über den Widerstand R3 an die Pluselektrode einer Referenzspannungsquelle QU angeschlossen. Die Minuselektrode der Spannungsquelle QU, die mit Masse verbunden ist, führt über den Widerstand R2 ebenfalls zum Referenzeingang des Operationsverstärkers FV. Der Strommeßwiderstand R1 besteht aus einer Leiterbahn einer gedruckten Schaltung. Sein Widerstandswert beträgt nur etwa 1 Milliohm, so daß eine sehr verlustleistungsarme Stromauswertung möglich ist. Da die Leiterbahn des Strommeßwiderstandes R1 einen temperatur- und materialabhängigen Widerstandswert aufweist, ist das Bezugssignal Ur als festes Referenzpotential - Spannung der Spannungsquelle QU - ebenfalls über eine Leiterbahn der gedruckten Schaltung, symbolisiert durch den Widerstand R2, zum Referenzeingang des Operationsverstärkers FV geführt. Die Leiterbahnen der Widerstände R1 und R2 sind vorzugsweise aus dem gleichen Material, z. B. Kupfer, besitzen gleiche geometrische Abmessungen (gleiche Abstrahlflächen) und verlaufen eng benachbart, damit sie in gutem thermischen Kontakt zueinander sind. Die Leiterbahnen der Widerstände R1 und R2 sind auch galvanisch über die gemeinsame Masseverbindung (siehe Fig. 1) miteinander verbunden. Mit diesen Vorgaben ist es möglich, den Verbraucherstrom temperaturkompensiert zu erfassen; d. h. es treten keine Verfälschungen des erfaßten Verbraucherstromes IV durch Temperatureffekte ein.

Am Abgreifpunkt zwischen Stellglied F1 und Induktivität L ist ein Widerstand R5 angeschlossen, der zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers FV führt. Durch diese zusätzliche Signaleinkopplung am Operationsverstärker FV können D-Anteile des Verbraucherstromes IV, d. h. schnelle Stromänderungen, unverzüglich durch den Operationsverstärker FV ausgewertet werden.

Der Operationsverstärker FV ist nur über eine Zenerdiode ZD1 gegengekoppelt. Sein Ausgang ist über den Widerstand R6, der normalerweise nicht notwendig ist und nur zur Begrenzung von zu hohen Strömen vorgesehen ist, mit dem Steuereingang des Stellgliedes, d. h. mit dem Gate des Feldeffekttransistors F1 verbunden. Damit wird die Stromauswerteeinrichtung zu einem Stromregler ergänzt. Durch die Gegenkopplung nur mittels der Zenerdiode ZD1 entsteht ein sehr schneller Regler mit Integrationsverhalten, da die Zenerdiode ZD1 den Ausgang des Operationsverstärkers FV auf einer Spannung von beispielsweise 10 V und damit außerhalb der Sättigung hält. Somit wirkt nur die parasitäre Kapazität.

Wie das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt, kann die Serienschaltung bestehend aus der Spannungsquelle QU und dem Widerstand R3 durch eine Konstantstromquelle Q1 ersetzt werden. Diese Variante ist vorteilhaft, wenn die Bedingung R2 « R3 nicht eingehalten werden kann.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt eine Anwendung der Erfindung für einen Regler mit Überlastungsschutz, der zusätzlich noch derart beschaltet ist, daß er besonders verlustarm ist. Wenn die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers FV kleiner ist als die Spannung am nichtinvertierenden Eingang ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers FV auf H-Potential, z. B. 10 V. In diesem Betriebsfall wird das Stellglied F1 niederohmig überbrückt und kann dadurch keine unnötige Verlustleistung erzeugen. Zu diesem Zweck sind die drei Feldeffekttransistoren F2, F3, F4, vorgesehen, die dann parallel zum Feldeffekttransistor F1 geschaltet werden, d. h. durch die Parallelschaltung dreier weiterer Halbleiterbahnwiderstände zum Halbleiterbahnwiderstand des Feldeffekttransistors F1 verringert sich der Gesamtwiderstand im Lastkreis und damit die auftretenden Verluste. Der Feldeffekttransistor F1 bleibt zwar angesteuert, aber er wird durch die Überbrückung in einem Betriebszustand unwirksam geschaltet in dem er sowieso nicht gebraucht wird und nur unnötige Verlustleistung erzeugen würde. Zur Aktivierung der Feldeffekttransistoren F2, F3, F4 und damit zur Realisierung der Überbrückungsfunktion wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers FV dem Komparator K1 zugeführt, der diese Spannung mit der Referenzspannung Ur2 vergleicht, die um den Wert einer Zenerdiodenspannung höher ist als die Referenzspannung Ur1, die dem Operationsverstärker FV zugeführt ist. Der Ausgang des Komparators K1 führt über den Widerstand R7 zu den Gates der Feldeffekttransistoren F2, F3, F4 und steuert diese für diesen Betriebszustand durch. Wenn nun am Operationsverstärker FV an seinem invertierenden Eingang eine höhere Spannung erscheint als die Spannung Ur1, z. B. durch einen plötzlichen Stromanstieg des Verbraucherstromes IV, wird der Ausgangstransistor des Komparators K1, in Fig. 3 durch einen Schalter symbolisiert, voll durchgeschaltet und erniedrigt damit sofort die Gatespannungen an den Feldeffekttransistoren F2, F3, F4, wodurch die niederohmige Überbrückung des Stellgliedes F1 aufgehoben wird und der Regler wieder in seinen Regelbetrieb - Konstantregelung des Verbraucherstromes IV - übergeht. Die Komparatoren K2, K3 und K0 bilden zusammen mit dem RC-Glied R8, C1, das die Drainspannungen UD der Feldeffekttransistoren F1, F2, F3 und F4 auswertet, eine Überlastungsschutzschaltung, die in einer Parallelanmeldung BR 92/069 der gleichen Anmelderin ausführlich beschrieben ist. Im Überlastungsfall wird die Referenzspannung Ur1 durch einen Sprung der Ausgangsspannung am Komparator KO erniedrigt, was dazu führt, daß der Feldeffekttransistor F1 aber den Operationsverstärker FV abgeschaltet wird. Über eine Rücksetzeinrichtung RS, die an den Komparator KO angeschlossen ist, kann der Regler wieder in Regelbereitschaft gebracht werden.

Durch die Beeinflussung des Bezugssignals, Ur bzw. Ur1, an der Vergleichsstufe FV kann der Regler bzw. der angeschlossene Verbraucher somit auf einfache Weise geschützt werden.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Stromerfassung und Auswertung bestehend aus einem Strommeßwiderstand (R1) und einer Vergleichsstufe (FV), der ein vom Strommeßwiderstand (R1) abgeleitetes Signal sowie ein Bezugssignal (Ur) zuführbar ist, wobei der Strommeßwiderstand (R1) den Bahnwiderstand eines Leiters bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssignal (Ur) der Vergleichsstufe (FV) über einen weiteren Leiter (R2) zuleitbar ist, der mit dem Leiter des Strommeßwiderstandes (R1) in thermischem Kontakt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter (R1, R2) Leiterbahnen oder Teile von Leiterbahnen eines Schaltungsträgers sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (FV) über eine Zenerdiode (ZD1) gegengekoppelt ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter/Leiterbahnen (R1, R2) benachbart auf dem Schaltungsträger, insbesondere einer gedruckten Schaltung, angeordnet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (FV) zur Ansteuerung eines Stellgliedes (F1) im Stromkreis des zu messenden Stromes vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stellglied (F1) und dem Strommeßwiderstand (R1) eine Induktivität (L1) vorgesehen ist und daß der Vergleichsstufe (FV) zusätzlich ein Signal zugeführt ist, welches zwischen dem Stellglied (F1) und der Induktivität (L1) abgreifbar ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Bezugssignals (Ur) eine Spannungsquelle (QU) vorgesehen ist, die einerseits über einen ersten Widerstand (R3) und andererseits über den weiteren Leiter (R2) zum Referenzeingang der Vergleichsstufe (FV) führt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Bezugssignals (Ur) eine Stromquelle (QI) vorgesehen ist, die einerseits direkt und andererseits über den weiteren Leiter (R2) zum Referenzeingang der Vergleichsstufe führt.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Leiter (R2) zum Masseanschluß der Spannungsquelle (QU) bzw. Stromquelle (QI) führt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (F1) außerhalb des Arbeitsbereiches, für den die Vergleichsstufe (FV) ein Ansteuersignal für das Stellglied (F1) liefert, niederohmig überbrückbar (F2, F3, F4) ist.