EP0441805B1 - Stromregler - Google Patents

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EP0441805B1
EP0441805B1 EP89911525A EP89911525A EP0441805B1 EP 0441805 B1 EP0441805 B1 EP 0441805B1 EP 89911525 A EP89911525 A EP 89911525A EP 89911525 A EP89911525 A EP 89911525A EP 0441805 B1 EP0441805 B1 EP 0441805B1
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EP
European Patent Office
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output
current
current regulator
whose
comparator
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EP89911525A
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Gerhard Conzelmann
Gerhard Fiedler
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic 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
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/462—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC as a function of the requirements of the load, e.g. delay, temperature, specific voltage/current characteristic

Definitions

  • the invention relates to a current regulator according to the preamble of claim 1.
  • the upper limit frequency of the feedback loop should be designed to be lower for the region lying near the output current "zero" than for the region of higher currents. Variable cut-off frequencies, however, require more circuitry.
  • Non-linear controllers are already known from the textbook by Winfried Oppelt, "Small manual of technical control processes", Verlag Chemie GmbH, Weinheim, 5th edition, 1972 and from FR-A-2 336 841, their description function or transfer function in the area around the zero point has a dead zone.
  • a circuit arrangement for avoiding malfunctions of an electrical main circuit is also known which prevents the main circuit from being switched on before the necessary supply voltage is reached.
  • a control or amplifier unit is connected upstream of the main circuit, which only switches on the main circuit when its necessary supply voltage has been reached.
  • a speed controller for an electric motor with a permanent magnet which contains an npn output stage transistor in the motor excitation circuit, the emitter of which is connected to a negative supply voltage.
  • An operational amplifier is connected upstream of the npn output stage transistor in order to switch the npn output stage transistor on and off as a function of the controlled variable and a reference voltage.
  • the invention is based, to suppress the low currents in a current regulator designed for large currents according to the preamble of the main claim.
  • the output of the comparator is connected to the output of the operational amplifier via the collector-base path of an NPN auxiliary transistor whose emitter is connected to ground.
  • the comparator can be a comparator with hysteresis. It is thereby achieved that the output current of the current regulator is switched off in the current-drawing region with a falling input voltage at a lower value of the input voltage than it is switched on.
  • FIGS. 1 and 2 show the transfer characteristic
  • Figure 2 shows the block diagram of the current controller.
  • the input variable E can be an externally supplied electrical voltage or an electrical current; however, it can also, as in the case of a monolithically integrated current regulator, be generated inside the circuit itself, for example by means of a temperature for a temperature regulator with a cooling fan or by other variables such as mechanical stresses, a luminous flux or the like.
  • the range in which the output current is zero can be defined by the output current or the input variable. Since the Output current is decisive for the dynamic instability, it is advantageous to also define this range by means of the output current.
  • the output current is only switched on by an input variable that increases from zero after it gives a current value of approximately 4 A at 11; Accordingly, if the input variable falls, the output current is only switched off when the current value falls below 12 A at 12.
  • This hysteresis is necessary in order to create defined conditions and thus prevent oscillation around the switching point.
  • the rate of rise of the output current when switching on must be adapted to the conditions, which is possible without influencing the upper limit frequency of the control loop.
  • a current value of up to approx. 20% of the maximum output current with a hysteresis of approx. 50% to 80% of this value has proven to be advantageous for the switch-on point.
  • the object of the invention is therefore particularly advantageous for fast current regulators with short transition times, in particular also for monolithically integrated circuits, since there the expenditure for frequency-reducing capacities requires large chip areas.
  • 1 denotes the ground connection
  • 2 the input and 3 the output of the current regulator.
  • resistors 4 and 5 form a voltage divider with connection point 16 for adapting the transfer characteristic to the required input voltage range
  • 6 is the measuring resistor for the output current
  • 7 is the operational amplifier in the control circuit with its output 18.
  • 8 is a downstream transistor as an emitter follower for further current amplification
  • 9 is the power transistor designated.
  • the positive input terminal of the operational amplifier 7 is at point 16 of the resistance divider, the negative at point 17 of the measuring resistor 6; this closes the control loop. Measures to achieve dynamic stability have not been presented.
  • Section 11, 12 of the transfer characteristic is achieved by means of the comparator 10 with hysteresis, the negative input terminal of which is also connected to the input voltage (terminal 16) and the positive input terminal of which is connected to a reference voltage 14.
  • a Schmitt trigger can also be used.
  • the output of the comparator 10 is connected to the base of the transistor 15, the collector of which engages at the output 18 of the operational amplifier 7.
  • the output 19 of the comparator is high, the transistor 15 receives base current, its collector pulls the output 18 of the operational amplifier 7 against ground potential Transistors 8, 9 receive no base current, the output current remains zero until the potential 16/1 becomes greater than that of 14; from this point on, the comparator 10 flips, its output 19 goes to ground potential, the transistor 15 is de-energized and thus enables the power amplifier to be controlled with the transistors 8, 9.
  • the invention relates to a circuit for masking out a section of the transfer characteristic curve of a current regulator bordering on "zero" for relatively large output currents. Since these regulators tend to dynamic instability due to the current density-dependent transit frequency of the power transistors, especially at small currents, it is advantageous to hide the area of the small currents that are not required.
  • the goal of making the current regulators dynamically stable for any wiring harnesses occurring in a motor vehicle can be achieved with less circuitry, which has a cost-reducing effect, particularly in the case of monolithically integrated circuits.
  • any offset voltage of the operational amplifier and any potential offset present at the input are eliminated.

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Abstract

Es wird ein vorzugsweise in monolithisch integrierter Technik ausgeführter Stromregler für große Ströme vorgeschlagen, dessen Ausgangsstrom (I) eine Funktion einer Eingangsgröße (E) ist. Der Ausgangsstrom (I) ist hierbei in einem Bereich der Eingangsgröße (E), der von dem Wert Null verschieden ist, kleiner als der durch den funktionalen Zusammenhang zwischen Eingangsgröße (E) und Ausgangsstrom (I) in diesem Bereich vorgegebene Wert.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Stromregler nach der Gattung des Anspruches 1.
  • Stromregler für größere Ströme, deren Ausgangsstrom eine Funktion einer Eingangsgröße ist, sind bezüglich ihrer dynamischen Stabilität wegen den großen Steilheiten und den damit verbundenen hohen Verstärkungen von Open-Kollektor-Stufen nur schwer zu beherrschen. Insbesondere bei schnell arbeitenden Reglern, die universell einsetzbar sein sollen und die deshalb über Kabelbäume unterschiedlicher Länge mit Betriebsspannung, Steuergerät und Verbraucher verbunden sein können, sind hochfrequente Schwingungen über den gesamten Bereich des Betriebsstroms für alle Einsatzbedingungen nur schwer zu unterbinden.
  • Da die Transitfrequenz von Transistoren mit fallender Stromdichte abnimmt, müßte die obere Grenzfrequenz der Rückkopplungsschleife für den in der Nähe des Ausgangsstroms "Null" liegenden Bereich niedriger als für den Bereich höherer Ströme ausgelegt sein. Variable Grenzfrequenzen erfordern jedoch einen größeren Schaltungsaufwand.
  • Aus dem Lehrbuch von Winfried Oppelt, "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge", Verlag Chemie GmbH, Weinheim, 5. Auflage, 1972 sowie aus der FR-A-2 336 841 sind bereits nichtlineare Regler bekannt, deren Beschreibungsfunktion beziehungsweise Übertragungsfunktion im Bereich um den Nullpunkt eine tote Zone aufweist.
  • Aus der DE-A-1 513 127 ist weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung von Fehlfunktionen eines elektrischen Hauptkreises bekannt, die verhindert, daß eine Einschaltung des Hauptkreises erfolgt, bevor die notwendige Speisespannung erreicht ist. Hierzu ist dem Hauptkreis eine Steuer- oder Verstärkereinheit vorgeschaltet, die den Hauptkreis erst einschaltet, wenn seine notwendige Speisespannung erreicht ist.
  • Aus dem Aufsatz von Claude Boisard, "Un CI regulateur de vitesse pour moteur à courant continu à aimant permanent", in der Zeitschrift "Electronique Industrielle et Microélectronique (EMI)", Nr. 162 vom 15. Oktober 1972, Seiten 57 bis 60 ist des weiteren ein Geschwindigkeitsregler für einen Elektromotor mit Permanentmagnet bekannt, der im Motorerregerkreis einen npn-Endstufentransistor enthält, dessen Emitter an eine negative Versorgungsspannung angeschlossen ist. Dem npn-Endstufentransistor ist hierbei ein Operationsverstärker vorgeschaltet, um den npn-Endstufentransistor in Abhängigkeit von der Regelgröße und einer Referenzspannung ein- und auszuschalten.
  • Aus der DE-PS 21 47 179, Figur 4, ist des weiteren ein dort als steuerbare Stromquelle bezeichneter Stromregler nach der Gattung des Anspruches 1 bekannt, der für kleine Ausgangsströme ausgelegt ist.
    • Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem für große Ströme ausgelegten Stromregler nach der Gattung des Hauptanspruchs die niedrigen Ströme auszublenden.
  • Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
  • Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Ausgang des Komparators mit dem Ausgang des Operationsverstärkers über die Kollektor-Basis-Strecke eines npn-Hilfstransistors verbunden ist, dessen Emitter mit Masse verbunden ist.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann der Komparator ein Komparator mit Hysterese sein. Dadurch wird erreicht, daß der Ausgangsstrom des Stromreglers im stromziehenden Bereich mit fallender Eingangsspannung bei einem niedrigeren Wert der Eingangsspannung ausgeschaltet wird als er eingeschaltet wird.
    • Zeichnung
  • Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2 erläutert. Figur 1 zeigt die Transferkennlinie, Figur 2 das Blockschaltbild des Stromreglers.
    • Beschreibung der Erfindung
  • In Figur 1 ist die Transferkennlinie 13 des Ausgangsstroms I eines Stromreglers für I nenn = 30 A als Funktion einer Eingangsgröße E mit 5 Einheiten dargestellt. Der Einfachheit halber wurde ein linearer Zusammenhang angenommen. Die Eingangsgröße E kann eine von außen zugeführte elektrische Spannung oder ein elektrischer Strom sein; sie kann aber auch, wie etwa im Fall eines monolithisch integrierten Stromreglers, im Innern der Schaltung selbst erzeugt werden wie etwa durch eine Temperatur für einen Temperaturregler mit einem Kühlgebläse oder auch durch andere Größen wie etwa mechanische Verspannungen, einen Lichtstrom oder dergleichen. Bei einem linearen Zusammenhang zwischen Ausgangsstrom und Eingangsgröße wie in diesem Beispiel kann der Bereich, in dem der Ausgangsstrom Null ist, durch den Ausgangsstrom oder die Eingangsgröße definiert werden. Da der Ausgangsstrom für die dynamische Instabilität maßgebend ist, ist es vorteilhaft, diesen Bereich auch mittels des Ausgangsstroms zu definieren.
  • In diesem Beispiel wird der Ausgangsstrom durch eine von Null aus ansteigende Eingangsgröße erst eingeschaltet, nachdem sie bei 11 einen Stromwert von ca. 4 A ergibt; entsprechend wird bei fallender Eingangsgröße der Ausgangsstrom erst ausgeschaltet, wenn bei 12 ein Stromwert von ca. 3 A unterschritten wird. Diese Hysterese ist erforderlich, um definierte Verhältnisse zu schaffen und so ein Schwingen um den Schaltpunkt zu verhindern. Außerdem ist wie üblich die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangsstroms beim Einschalten den Verhältnissen anzupassen, was möglich ist, ohne die obere Grenzfrequenz des Regelkreises zu beeinflussen. Als vorteilhaft für den Einschaltpunkt hat sich ein Stromwert von bis zu ca. 20 % vom maximalen Ausgangsstrom erwiesen mit einer Hysterese von ca. 50 % bis 80 % dieses Werts. Je mehr sich der Ausgangsstrom beim Einschaltpunkt dem Wert "Null" nähert, desto kritischer wird die dynamische Stabilität des Stromreglers bzw. desto tiefer ist seine obere Grenzfrequenz zu legen. Der Gegenstand der Erfindung ist also besonders für schnelle Stromregler mit kurzen Übergangszeiten vorteilhaft, insbesondere auch für monolithisch integrierte Schaltungen, da dort der Aufwand für frequenzabsenkende Kapazitäten große Chipflächen erfordert.
  • Im Blockschaltbild der Figur 2 ist mit 1 der masseseitige Anschluß, mit 2 der Eingang und mit 3 der Ausgang des Stromreglers bezeichnet. Ferner bilden die Widerstände 4 und 5 einen Spannunggsteiler mit dem Verbindungspunkt 16 zur Anpassung der Transferkennlinie an den geforderten Eingangsspannungsbereich, 6 ist der Meßwiderstand für den Ausgangsstrom ; 7 ist der Operationsverstärker im Regelkreis mit seinem Ausgang 18. Mit 8 ist ein nachgeschalteter Transistor als Emitterfolger zur weiteren Stromverstärkung und mit 9 der Leistungstransistor bezeichnet. Die positive Eingangsklemme des Operationsverstärkers 7 liegt am Punkt 16 des Widerstandsteilers, die negative am Punkt 17 des Meßwiderstands 6; damit ist der Regelkreis geschlossen. Auf die Darstellung von Maßnahmen zum Erreichen der dynamischen Stabilität wurde verzichtet.
  • Der Abschnitt 11, 12 der Transferkennlinie wird erreicht mittels des Komparators 10 mit Hysterese, dessen negative Eingangsklemme ebenfalls mit der Eingangsspannung (Klemme 16) und dessen positive Eingangsklemme mit einer Referenzspannung 14 verbunden ist. Anstelle des Komparators 10 mit Referenzspannung 14 kann auch ein Schmitt-Trigger eingesetzt sein. Der Ausgang des Komparators 10 ist mit der Basis des Transistors 15 verbunden, dessen Kollektor am Ausgang 18 des Operationsverstärkers 7 eingreift.
  • Ist das Eingangspotential 16/1 (Potential der Klemme 16 gegen die Masse 1) kleiner als die Referenzspannung 14, so ist der Ausgang 19 des Komparators hoch, der Transistor 15 erhält Basisstrom, sein Kollektor zieht den Ausgang 18 des Operationsverstärkers 7 gegen Massepotential, die Transistoren 8, 9 erhalten keinen Basisstrom, der Ausgangsstrom bleibt so lange Null, bis das Potential 16/1 größer wird als das von 14; von diesem Punkt ab schlägt der Komparator 10 um, sein Ausgang 19 geht gegen Massepotential, der Transistor 15 wird stromlos und ermöglicht so die Ansteuerung des Endverstärkers mit den Transistoren 8, 9.
  • Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung zum Ausblenden eines an "Null" grenzenden Abschnitts der Transferkennlinie eines Stromreglers für relativ große Ausgangsströme. Da diese Regler wegen der stromdichteabhängigen Transitfrequenz der Leistungstransistoren besonders bei kleinen Strömen zu dynamischer Instabilität neigen, ist es vorteilhaft, den Bereich der nicht benötigten kleinen Ströme auszublenden. Das Ziel, die Stromregler für beliebige in einem Kraftfahrzeug auftretende Kabelbäume dynamisch stabil zu machen, läßt sich so mit einem geringeren Schaltungsaufwand erreichen, was sich besonders bei monolithisch integrierten Schaltungen kostensenkend auswirkt. Darüber hinaus wird so eine etwa vorhandene Offsetspannung des Operationsverstärkers und ein etwa am Eingang vorhandener Potentialversatz eliminiert.

Claims (3)

  1. Stromregler, der einen npn-Endstufentransistor (9) enthält, dessen Emitter (17) mit Masse (1) verbunden ist, wobei in der Emitterzuleitung des Endstufentransistors (9) ein Meßwiderstand (6) für den Ausgangsstrom des Stromreglers vorgesehen und die Basis des Endstufentransistors (9) mit dem Ausgang (18) eines Operationsverstärkers (7) verbunden ist, dessen invertierender Eingang mit dem Emitter (17) des Endstufentransistors (9) und dessen nicht invertierender Eingang mit der positiven Eingangsspannung (E) des Stromreglers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verwendung des Reglers für große Ausgangsströme unter Verwendung eines Leistungstransistors als Endstufentransistor (9) ein Komparator (10) vorgesehen ist, der mit seinem nicht invertierenden Eingang mit einer Referenzspannung (14), mit seinem invertierenden Eingang mit der positiven Eingangsspannung (E) des Stromreglers und mit seinem Ausgang (19) so mit dem Ausgang (18) des Operationsverstärkers (7) verbunden ist, daß der Endstufentransistor (9) in einem von Null verschiedenen Bereich der positiven Eingangsspannung (E) ausgeschaltet ist.
  2. Stromregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (19) des Komparators (10) mit dem Ausgang (18) des Operationsverstärkers (7) über die Kollektor-Basis-Strecte eines npn-Hilfstransistors (15) verbunden ist, dessen Emitter mit Masse (1) verbunden ist.
  3. Stromregler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (10) ein Komparator mit Hysterese ist.
EP89911525A 1988-11-02 1989-10-21 Stromregler Expired - Lifetime EP0441805B1 (de)

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DE3837215 1988-11-02
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DE3933433 1989-10-06

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EP0441805A1 (de) 1991-08-21
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