DE4338714A1 - Schaltungsanordnung zur Strommessung über einen Schalttransistor - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Strommessung über einen SchalttransistorInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung mit einem
Widerstand zur Strommessung in einem Lastkreis eines
Schalttransistors nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon
bekannt, beispielsweise bei einem Schaltnetzteil, den Strom zu
messen, der über den Lastkreis eines Schalttransistors fließt. Dabei
wird in den Lastkreis ein Widerstand geschaltet, dessen
Spannungsabfall zum Laststrom proportional ist. Ungünstig ist, daß
für die Strommessung ein zusätzlicher Widerstand (Shuntwiderstand)
benötigt wird. Dieser zusätzliche Widerstand erhöht die
Verlustleistung im Lastkreis und erhöht die Kosten des Gerätes,
zumal er für die maximal auftretende Belastung zu dimensionieren
ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auf
den zusätzlichen Meßwiderstand verzichtet werden kann, da der
Innenwiderstand des Transistors selbst (ON-Widerstand) verwendet
wird. Dadurch wird des weiteren wegen der verringerten
Verlustleistung der Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung verbessert.
Darüber hinaus verringern sich die Herstellkosten des Gerätes.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Schaltungsanordnung möglich. Besonders vorteilhaft ist,
daß der Schalttransistor als Metalloxidfeldeffekt-Transistor
(MOSFET) ausgebildet ist. Dieser Transistortyp hat im
eingeschalteten Zustand einen definierten ON-Widerstand, der einige
Milliohm beträgt. Im OFF-Zustand ist der Widerstand nahezu
unendlich, so daß sich durch die unterschiedlichen Widerstände eine
eindeutige Strommessung ergibt. Ein weiterer Vorteil ist, daß die
MOSFET-Transistoren weit verbreitet eingesetzt werden und dadurch
preiswert erhältlich sind.
Da jedoch beim Einschalten des Schalttransistors Überschwinger
auftreten können, ist es vorteilhaft, mittels eines
Verzögerungsgliedes die Strommessung erst dann durchzufuhren, wenn
die Einschaltschwingung abgeklungen ist.
Die MOSFET-Transistoren haben im eingeschalteten Zustand einen
relativ großen positiven Temperaturkoeffizienten ihres Drain-Source
Widerstandes RDS (ON). Dieser Effekt kann vorteilhaft ausgenutzt
werden, um einen Regelkreis entsprechend zu steuern. Auch kann mit
Hilfe des positiven Temperaturkoeffizienten eine automatische
Strombegrenzung im Lastkreis gebildet werden, die sich der
Temperatur des MOSFET-Transistors anpaßt. Die Einstellung einer
Schaltschwelle kann mit einem im Lastkreis parallel geschalteten
Spannungsteiler bewirkt werden, so daß eine beliebig vorgebbare
Schaltschwelle zum Abschalten des Schalttransistors gegeben ist.
Günstig ist weiter, das Strommeßsignal mittels eines Verzöge
rungsgliedes so zu verzögern, daß der Strom erst nach Einschwingen
des eingeschalteten Schalttransistors gemessen wird. Dadurch werden
die auftretenden Überschwinger vorteilhaft unterdrückt, so daß keine
Fehlmessung bei der Auswertung des Stromsignals entsteht.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann bevorzugt für ein
Schaltnetzteil oder ein Ladegerät zum Aufladen von Akkumulatoren
verwendet werden, da wegen der verringerten Verlustleistung ein
relativ guter Wirkungsgrad erreichbar ist.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1
ein Ausführungsbeispiel, und
Fig. 2 zeigt ein
Spannungsverlaufsdiagramm.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt eine Meßschaltung 1, die
mit einem Eingang b über einen ersten Widerstand 7 und einer Diode 8
dem Leistungspfad eines Schalttransistors 2 parallel geschaltet ist.
Die Meßschaltung 1 enthält eine nicht dargestellte
Ansteuerschaltung, die an einem Ausgang a über einen dritten
Widerstand 6 mit dem Steuereingang des Schalttransistors 2 verbunden
ist. Als Schalttransistor 2 ist beispielsweise ein N-Kanal-Feld
effekt-Transistor (MOSFET) verwendbar.
Derartige Schalttransistortypen sind beispielsweise mit der
Bezeichnung SIPMOS handelsüblich. Der Drainanschluß D des
FET-Transistors ist gemeinsam mit der Kathode der Diode 8 am Knoten
9 über eine Induktivität L mit einer Gleichspannungsquelle +
verbunden. Ein Sourceanschluß S ist zusammen mit dem Masseanschluß
der Meßschaltung 1 auf Masse gelegt. Parallel zu der Klemme b
der Meßschaltung 1 ist die Parallelschaltung eines Kondensators 4
und eines zweiten Widerstandes 3 auf Masse geschaltet. Sie bildet
zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand 5, der zwischen dem ersten
Widerstand 7 und der Anode der Diode 8 einen Knoten 10 bildet, ein
Zeitglied, mit dem die Messung des ON-Widerstandes des
FET-Transistors 2 bis zum Abklingen der Einschwingdauer verzögert
wird. Der zweite Anschluß des Widerstandes 5 ist mit dem Date G und
dem dritten Widerstand 6 verbunden.
Anhand der Fig. 2 wird die Funktionsweise der Schaltungsanordnung
gemäß der Fig. 1 näher erläutert. Bei Verwendung dieser
Schaltungsanordnung beispielsweise in einem Schaltnetzteil oder in
einem Ladegerät zum Aufladen von NiCd-Akkus oder ähnlichem wird der
Schalttransistor 2 von der Meßschaltung 1 über den dritten
Widerstand 6 an seinem Steuereingang G derart getaktet, daß von der
Spannungsquelle + über die Induktivität L ein gepulster Strom ID
durch den Schalttransistor 2 gegen Masse fließt. Die Spannungsquelle
+ ist beispielsweise ein Netzteil, das über die Induktivität L den
Laststrom iD liefert. Eine praktische Anwendung bildet
beispielsweise ein getaktetes Ladegerät für wiederaufladbare
Batterien, das von einem 12-Volt- oder 24-Volt-Netz gespeist wird.
Als Meßschaltung 1 ist eine handelsübliche integrierte Schaltung,
beispielsweise vom Typ SG 384X (Philips) oder UC 384X (SGS-Thomson)
verwendbar. Die handelsübliche Schaltung erzeugt ein
pulsweitenmoduliertes Signal am Ausgang a. Dabei wird die Weite der
Pulsfolge von dem Spannungssignal gesteuert, das am Eingang b
anliegt. Der Rückkopplungswiderstand 5 bewirkt dabei eine
Synchronisation zwischen der Ansteuerung des Gates G und der Messung
am Knoten 10 bzw. am Eingang b und stellt gleichzeitig die Energie
zur Messung zur Verfügung. Der Zusammenhang ist in Fig. 2 näher
erläutert. Auf der Ordinate des Diagramms der Fig. 2 ist die
Spannung u₁₀ über die Zeit t aufgetragen, die entsprechend dem
Spannungsteilerverhältnis an der Eingangsklemme b der Meßschaltung 1
anliegt. Die Kurve des Diagramms zeigt zunächst einen Puls mit einer
ansteigenden Flanke, die bei Erreichen der Eingangsspannung
ub ≈ 1,2 V einen starken Überschwinger zeigt (Zeitpunkt t = 0).
Bis zu dieser Zeitphase war der Schalttransistor 2 eingeschaltet.
Durch das Abschalten des Schalttransistors 2 steigt das Potential am
Anschluß D des Schalttransistors 2 an, so daß die Eingangsspannung
ub gegen den Wert 0 abfällt (Zeitpunkt t ≈ 9 us). Danach erhält
der Schalttransistor 2 über den Ausgang a der integrierten Schaltung
einen Steuerimpuls, der wiederum zu einem Ansteigen der
Eingangsspannung an der Klemme 10 bzw. b führt. In dieser Phase ist
der Schalttransistor 2 wieder durchgeschaltet, und zwar so lange,
bis die Schaltschwelle 1,2 V am Eingang b wieder erreicht wird.
Danach wird der Schalttransistor 2 abgeschaltet und der Vorgang
wiederholt sich. Die Länge der Impulse wird also in Abhängigkeit von
der Spannung am Eingang b in einem Regelkreis geregelt oder
gesteuert. Das Zeitglied aus dem Kondensator 4 und den Widerständen
3, 5 und ggf. 7 bewirkt, daß während der starken Schwingungen keine
Messung erfolgt.
Die genannte integrierte Schaltung hat intern einen Komparator, der
die Eingangsspannung ub mit einem vorgegebenen Referenzwert
vergleicht. Um den Referenzwert zu ändern, wurden die Widerstände 3
und 7 eingefügt, mit denen ein Spannungsteiler gebildet wird, über
dessen Mittenabgriff die Schaltschwelle wählbar ist.
Die Diode 8 bewirkt mit ihrer Schwellspannung US zwar einen
Spannungsabfall, der aber bei der vorgesehenen Anwendung nicht
stört. Andererseits schützt die Diode 8 die integrierte Schaltung
vor der Überspannung, die im ausgeschalteten Zustand des
Schalttransistors 2 auftritt, vor Zerstörung. Bei der Auswertung des
Stromes iD muß jedoch die Schwellspannung US berücksichtigt
werden, da die Eingangsspannung an der Klemme b
ub = US + iD · RDS
des eingeschalteten Schalttransistors 2 ist.
Der Widerstand 6 zwischen dem Ausgang der integrierten Schaltung und
Steueranschluß G dient zur Signalanpassung.
Claims (9)
1. Schaltungsanordnung zur Strommessung, mit einer Meßschaltung, die
an einem Meßwiderstand die dem Strom entsprechende Spannung in einem
Lastkreis eines Schalttransistors erfaßt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßschaltung (1) mit dem Lastkreis des Schalttransistors (2)
verbunden ist, den Spannungsabfall am eingeschalteten
Schalttransistor (2) mißt und daraus den Strom bestimmt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Schalttransistor (2) ein Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient des Schalttransistors
(2) als Regelgroße im Lastkreis verwendbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient des
Schalttransistors (2) eine automatische Strombegrenzung im Lastkreis
bildet.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (1) eine
Steuerschaltung zur Ansteuerung des Schalttransistors (2) aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Strommeßkreis ein Spannungsteiler (7,
4) vorgesehen ist, mit dem eine Schaltschwelle für eine
Pulsweitensteuerung einstellbar ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schalttransistor (2) und
der Meßschaltung (1) ein Verzögerungsglied (3, 4, 5, 7) vorsehbar
ist, das das Strommeßsignal bis nach dem Einschwingen des
Schalttransistors (2) verzögert.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung für ein
Ladegerät oder ein Schaltnetzteil verwendbar ist, dessen
Stromimpulse pulsweitengesteuert sind.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (1) einen
handelsüblichen Pulsweitenmodulations-Baustein aufweist und daß
dessen Steuerausgang (a) für den Schalttransistor (2) über einen
Rückkopplungswiderstand (5) auf den Strommeßkreis geschaltet ist.
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