DE4338714C2

DE4338714C2 - Schaltungsanordnung zur Strommessung über einen Schalttransistor

Info

Publication number: DE4338714C2
Application number: DE4338714A
Authority: DE
Inventors: Guenter Lohr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 2000-06-21
Anticipated expiration: 2013-11-13
Also published as: GB9422167D0; GB2284283B; CN1107975A; JPH07198758A; DE4338714A1; GB2284283A; MY112781A; CN1052541C

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung vorgeschlagen, bei der zur Strommessung in einem Lastkreis eines getakteten Schalttransistors anstelle eines Strommeßwiderstandes der Lastkreis des Schalttransistors verwendet wird. Ein zusätzlicher Meßwiderstand ist nicht erforderlich. Eine bevorzugte Anwendung ist für ein Schaltnetzteil oder ein Ladegerät gegeben, bei dem der Schalttransistor mit unterschiedlich langen Impulsen getaktet wird. Die Länge der Impulse wird über den Strom im Lastkreis, der wiederum temparaturabhängig sein kann, gesteuert. Als Steuerschaltung ist eine handelsübliche integrierte Schaltung verwendbar.

Description

Stand der Technik

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 aus der DE 40 05 813 A1 bekannt, bei einem elektro nisch geschalteten Verbraucher den Strom zu messen, der über den Lastkreis eines Schalttransistors fließt. Dabei wird in den Lastkreis ein Widerstand geschaltet, dessen Spannungsab fall zum Laststrom proportional ist. Ungünstig ist, daß für die Strommessung ein zusätzlicher Widerstand (Shunt-Wider stand) benötigt wird. Dieser zusätzliche Widerstand erhöht die Verlustleistung im Lastkreis und erhöht die Herstellko sten des Gerätes. Er ist verhältnismäßig teuer, da er für die maximal auftretende Belastung zu dimensionieren ist.

Aus der DE 34 46 645 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines Stromsignales bekannt, bei der mittels einer Brückenschaltung im Mittenzweig ein Motor geschaltet wird. Die vier Zweige der Brücke werden durch Schalttransistoren gebildet, so daß jeweils zwei diagonal angeordnete Schalt transistoren gleichzeitig zu schalten sind, wenn im Motor ein Strom fließen soll. An einem der beiden Schalttransisto ren ist parallel zum Lastkreis eine Meßschaltung angeordnet, die den ON-Widerstand des eingeschalteten Schalttransistors erfaßt und daraus den Strom ermittelt.

Aus der EP 0274995 A1 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der eine Last über einen Feldeffekttransistor geschaltet ist. Der Feldeffekttransistor ist als Stromspie gel mit einem zweiten parallel geschalteten Transistor aus gebildet, deren Eingänge gemeinsam steuerbar sind. Mit Hilfe eines Komparators wird der am zweiten Transistor vorgebene Spannungswert mit dem Spannungsabfall über den Feldeffekt transistor verglichen. Der geschaltete Transistor wirkt so mit als Strom-Meßwiderstand für den Komparator.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache Schaltung zur Messung des Stromes im Lastkreis zu bilden, wobei die Strommessung am Schalttransistor nach ei ner Einschalt-Verzögerungszeit durchgeführt wird, wenn die Einschaltschwingungen abgeklungen sind. Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeich nenden 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 durchzuführen, wenn die Einschaltschwingung abgeklungen ist.

Die MOSFET-Transistoren haben im eingeschalteten Zustand einen relativ großen positiven Temperaturkoeffizienten ihres Drain-Source Widerstandes R_DS (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.

Zeichnung

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.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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 Gleichsspannungsquelle + 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 i_D durch den Schalttransistor 2 gegen Masse fließt. Die Spannungsquelle + ist beispielsweise ein Netzteil, das über die Induktivität L den Laststrom i_D 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 u_b ≈ 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 u_b 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 u_b 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 U_S 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 i_D muß jedoch die Schwellspannung U_S berücksichtigt werden, da die Eingangsspannung an der Klemme b

u_b = U_S + i_D . R_DS

des eingeschalteten Schalttransistors 2 ist.

Der Widerstand 6 zwischen dem Ausgang der integrierten Schaltung und Steueranschluß G dient zur Signalanpassung.

Claims

1. Schaltungsanordnung mit einer Meßschaltung (1), die dem Leistungspfad eines Schalttransistors (2) parallelgeschaltet ist und hierbei eine Spannung mißt, die dem im Leistungspfad fließenden Strom entspricht, wobei in dem Leistungspfad zwischen einem ersten Anschluß des Schalttransistors (2) und einer Gleichspannungsquelle (+) eine Last (L) geschaltet ist und wobei die Last (L) mittels eines Steuereingangs (G) des Schalttransistors (2) schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung (1) ein Zeitglied (3, 4, 5, 7) aufweist, daß das Zeitglied (3, 4, 5, 7) über eine Diode (8) mit dem Leistungspfad des Schalttransistors (2) zwischen der Last (L) und dem ersten Transistoranschluß (D) geschaltet ist und daß ein zweiter Anschluß der Meßschaltung (1) gemeinsam mit einem zweiten Anschluß (S) des Schalttransistors (2) auf Masse geschaltet ist.

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 parallel zum Leistungspfad des Schalttransistors (2) ein Spannungsteiler (7, 3) angeordnet ist, dessen Mittenabgriff zur Erfassung des Temperaturkoeffizients des Schalttransistors (2) als Regelgröße im Lastkreis verwendbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Mittenabgriff des Spannungsteilers (7, 3) als automatische Strombegrenzung im Lastkreis des Schalttransistors (2) verwendbar ist.

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 die Schaltungsanordnung für ein Ladegerät oder ein Schaltnetzteil verwendbar ist, dessen Stromimpulse pulsweitengesteuert sind.

7. 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.