DE4336726A1

DE4336726A1 - Schaltung zur Strommessung

Info

Publication number: DE4336726A1
Application number: DE4336726A
Authority: DE
Inventors: Andrew Ceri Davies
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1994-05-11
Also published as: US5378998A; FR2697634A1; GB9223219D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Strommessung nach dem Ober begriff des Anspruchs 1.

Üblicherweise wird der in einer Leitung fließende Strom mit Hilfe eines Widerstands gemessen, der diesen Strom in einen meßbaren Spannungsabfall umwandelt. Diese Anordnung weist den Nachteil auf, daß zur Extraktion des geringen Spannungs abfalls an dem Widerstand eine aufwendige elektronische Schaltung notwendig ist, wenn dieser Spannungsabfall einer wesentlich höheren Spannung auf der Leitung überlagert ist.

Es besteht daher die Aufgabe, eine derartige Schaltung zur Strommessung so wei terzubilden, daß sie auf einfache Weise ausgeführt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Schaltung;

Fig. 2 eine detailgenauere Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung;

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Schaltung; und

Fig. 4 eine detailgenauere Darstellung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Schaltung 1 in eine elektrische Leitung 2 einge schaltet ist, entlang welcher der Strom I_m fließt. Die Schaltung umfaßt ein Bauteil 3, beispielsweise einen Widerstand, zur Erzeugung eines Spannungsabfalls entlang der Leitung 2 und zwei Elemente 4 und 5, welche an einander gegenüberliegenden Seiten dieses Bauteils mit der Leitung 2 verbunden sind. Der durch das erste Ele ment 4 fließende Strom ist ein Referenzstrom I_ref und das erste Element 4 erzeugt eine intermediäre Steuerspannung V_c, welche an das zweite Element 5 angelegt wird. Der Stromfluß durch das zweite Element 5 ist mit I_out bezeichnet und wird durch die Steuerspannung V_c gesteuert. Ohne das den Spannungsabfall verursachende Bau teil 3 wäre der Ausgangsstrom I_out gleich dem Referenzstrom I_ref, welcher durch das erste Element 4 fließt. Das Bauteil 3 erzeugt jedoch eine Offset-Spannung V_o auf der Leitung 2, so daß der Ausgangsstrom infolge der Modulation der effektiven Steuerspannung V_c geändert wird.

Aus der detailgenaueren Darstellung in Fig. 2 ist ersichtlich, daß das den Span nungsabfall bewirkende Bauteil 3 ein Widerstand ist und die beiden Elemente 4 und 5 bipolare PNP-Transistoren sind. Die Transistoren 4 und 5 sind mit ihren Emittern an die Leitung 2 angeschlossen und mit ihren Basen miteinander verbunden. Die Kollektoren der beiden Transistoren 4 und 5 sind über entsprechende Widerstände 7 und 8 mit einer auf 0 Volt liegenden Schiene 6 verbunden. Der an den ersten Transistor 4 angeschlossene Widerstand 7 hat den Wert r, während der an den zweiten Transistor 5 angeschlossene Widerstand 8 den Wert r/2, also den halben Wert von r, aufweist. Die am Widerstand 8 anliegende Spannung V_out ist die Aus gangsspannung der Schaltung 1, aus welcher der in der Leitung 2 fließende Strom I_m berechnet werden kann. Der Referenzstrom I_ref führt zu einem Spannungsabfall am Emitterwiderstand des ersten Transistors 4, welcher über die Basisspannung dem zweiten Widerstand 8 zugeführt wird. Ohne den Spannungsabfall, welcher durch den Stromfluß durch den Widerstand 3 bewirkt wird, wäre der vom zweiten Transistor 5 erzeugte Strom I_out gleichgroß wie der Referenzstrom I_ref Der Spannungsabfall an dem Widerstand 3 führt jedoch zu einer Modulation der effektiven Emitterspan nung im zweiten Transistor 5 und ändert somit den Ausgangsstrom I_out. Dies führt wiederum zu einer Änderung der Ausgangsspannung V_out, welche auf Erde, und nicht auf die Spannung V_cc der Leitung 2 bezogen ist.

Der entlang der Leitung 2 in Richtung des in Fig. 2 eingetragenen Pfeils fließende Strom I_m führt zu einer Erniedrigung der Ausgangsspannung V_out; ein in die entge gengesetzte Richtung fließender Strom würde zu einer Erhöhung von V_out führen.

In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist der Referenzstrom I_ref und damit die Ausgangsspannung V_out, proportional zur Spannung V_cc auf der Leitung 2. Diese Abhängigkeit kann beseitigt werden, indem eine herkömmliche Vorrichtung 9 zur Erzeugung eines Referenzstroms konstanter Größe eingebaut wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung kann nachteilig sein, weil die Tempe raturabhängigkeit des Emitterwiderstands des Transistors zu Änderungen der Verstärkung mit der Temperatur führen kann.

In den Fig. 3 und 4 ist eine alternative Schaltung dargestellt, mit der diese Änderungen vermindert werden können. Beide Fig. 3 und 4 beziehen sich auf die gleiche Schaltung, wobei Fig. 3 eine schematische Darstellung und Fig. 4 eine detailgetreuere Darstellung ist. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kompo nenten, welche den Komponenten aus den Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit gegenüber diesen um 10 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet.

Bei dieser Schaltung ist eine zweite Offset-Spannung V_o2 zur Anpassung an die Offset-Spannung V_o1, welche an dem Widerstand 13 anliegt, vorgesehen. Zwei Widerstände 19 und 20, welche den gleichen Wert aufweisen, sind zwischen der Stromleitung 12 und entsprechende Transistoren 14 und 15 eingeschaltet. Die Wi derstände 17 und 18 zwischen den Kollektoren der Transistoren 14 und 15 und der auf 0 Volt liegenden Schiene 16 weisen ebenfalls den gleichen Wert auf und die am Widerstand 18 anliegende Ausgangsspannung wird der Basis eines dritten Transi stors 21 zugeführt. Der Emitter dieses dritten Transistors 21 ist mit dem Emitter des ersten Transistors 14 verbunden und sein Kollektor ist mit der auf 0 Volt liegen den Schiene 16 über einen Widerstand 22 verbunden. Die Ausgangsspannung V_out wird am Widerstand 22 abgenommen.

Wenn durch die Leitung 12 ein Strom I_m in Pfeilrichtung fließt, führt dies zu einer Asymmetrie des von den beiden Transistoren 14 und 15 erzeugten Stromspiegels. Hierdurch wird der dritte Transistor 21 vorgespannt, so daß in diesen Transistor ein Strom I_out fließt. Der Strom I_out erhöht den Spannungsabfall am Widerstand 19 bis die Emitter der beiden Transistoren 14 und 15 wieder auf gleicher Spannung sind. Aus der Gleichheit von V_o2 und V_o1 folgt:
I_out × R1 = I_m × R
wobei R1 der Wert des Widerstands 19 und R der Wert des Widerstands 13 ist.

Daraus ist ersichtlich, daß der Wert des Stroms I_m unmittelbar aus I_out oder V_out bestimmt werden kann. Sowohl I_out als auch V_out sind unabhängig vom Strom fluß durch die Transistoren 14 und 15 und damit von der Spanung V_cc auf der Leitung 12. Die Offset-Spannung V_o2 hat die Wirkung, I_out auf dem Wert von I_ref zu halten, so daß Verstärkungsvariationen und Nichtlinearitäten das Ausgangssignal der Schaltung nicht beeinflussen.

Die Erfindung ermöglicht die Ausschaltung der großen, gemeinsamen Signalkom ponenten, also der Spannung auf der Leitung und somit die einfache Messung des Spannungsabfalls am Meßwiderstand.

Claims

1. Schaltung zur Strommessung innerhalb einer ersten Leitung (2, 12) mit einem Widerstand (3, 13) zur Erzeugung eines Spannungsabfalls in dieser Leitung (2, 12), dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein erstes Element (4, 14) umfaßt, welches auf einer Seite des Widerstands (3, 13) mit der ersten Leitung (2, 12) so verbunden ist, daß ein erster Strom durch das erste Element (4, 14) fließt, sowie ein zweites Element (5, 15), welches auf der gegenüberliegenden Seite des Widerstands (3, 13) so mit der ersten Leitung (2, 12) verbunden ist, daß ein zweiter Strom durch das zweite Element (5, 15) fließt, das erste Element (4, 14) mit dem zweiten Element (5, 15) so verbunden ist, daß es den durch das zweite Element (5, 15) fließenden zweiten Strom steuert, und die Schaltung aus dem zweiten Strom ein Ausgangssignal bildet, welches dem auf der ersten Leitung (2, 12) fließenden Strom entspricht.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ele ment einen Transistor (4, 14) umfaßt.

3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Element einen Transistor (5, 15) umfaßt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der Transistoren (4, 15; 14, 15) miteinander verbunden sind.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (4, 5; 14, 15) zwischen der ersten Leitung (2, 12) und einer auf 0 Volt liegenden Leitung (6, 16) geschaltet sind.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (4, 5; 14, 15) über entsprechende Widerstände (7, 8; 17, 18) mit der auf 0 Volt liegenden Leitung (6, 16) verbunden sind.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (7, 8; 17, 18) verschiedene Werte aufweisen.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal aus der an dem Widerstand (8, 18) anliegenden Span nung gebildet wird, welcher zwischen einem Transistor (5, 15) und der auf 0 Volt liegenden Leitung (6, 16) geschaltet ist.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs spannung der Basis eines dritten Transistors (21) zugeführt wird.