WO2008090022A1 - Circuit arrangement and method for detecting electrical quantities - Google Patents

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WO2008090022A1
WO2008090022A1 PCT/EP2008/050196 EP2008050196W WO2008090022A1 WO 2008090022 A1 WO2008090022 A1 WO 2008090022A1 EP 2008050196 W EP2008050196 W EP 2008050196W WO 2008090022 A1 WO2008090022 A1 WO 2008090022A1
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measuring
circuit
switching
detecting electrical
microcontroller
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PCT/EP2008/050196
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Thomas Rossmanith
Maximilian Schmidl
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Osram Gesellschaft mit beschränkter Haftung
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/25Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof using digital measurement techniques
    • G01R19/2506Arrangements for conditioning or analysing measured signals, e.g. for indicating peak values ; Details concerning sampling, digitizing or waveform capturing
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/04Voltage dividers

Definitions

  • Circuit arrangement and method for detecting electrical quantities are provided.
  • the invention relates to circuit arrangements for detecting one or more electrical variables.
  • the invention preferably relates to circuit arrangements for detecting electrical operating variables in electronic control gear for lamps.
  • Electronic control gear is used today for almost all types of bulbs. To mention here would be e.g. Operating equipment for low-voltage halogen lamps, for low-pressure discharge lamps and for high-pressure discharge lamps. Especially electronic control gear for high-pressure discharge lamps can be very complex and there are a variety of electrical variables to measure. Since these operating devices are usually controlled by a microcontroller today, this requires a variety of analog / digital converters (A / D converters) to measure the electrical variables. However, this causes high costs, since microcontrollers with several A / D converters are significantly more expensive than those with only one A / D converter.
  • a / D converters analog / digital converters
  • the measuring circuits must be designed in such a way that a certain current flows, which the A / D converter needs to measure properly. This causes not negligible in each measuring circuit Losses that add up considerably with a larger number of measurement circuits.
  • the object of the invention is to improve these disadvantages of the known electronic control gear in order to produce this cheaper, and at the same time to cause less power dissipation in the electronic control gear.
  • voltages are measured with a voltage divider where the voltage to be measured is scaled to an easy-to-handle level.
  • the voltages to be measured in conventional electronic control gear are several tens to a few hundred volts.
  • the voltage after the mains rectifier is eg 400V. Therefore, voltage dividers are designed to measure these voltages with a division ratio of 1: 100 so that the 400V is represented by a 4V voltage at the microcontroller input.
  • the A / D converter needs an input current of about 0.3-0, 4mA in order to be able to measure correctly.
  • the voltage divider must therefore be designed so that a current of 0.5 lmA flows continuously in order to operate the A / D converter. With a voltage of 400V to be measured, this then causes losses of approximately 200 to 40 ohms per voltage divider.
  • a shunt In order to be able to measure currents, a shunt is used, which is installed directly in the circuit to be measured. The voltage dropping across the shunt is measured, and with knowledge of the resistance value of the shunt, the current flowing there can be deduced.
  • a switching element is provided in each voltage divider between the resistors, which can open and close the current path of the voltage divider.
  • the corresponding switching element is now closed, the measurement carried out and the switching element then opened again. This now happens one after the other with all quantities to be measured. When all values are measured, the cycle starts over. This allows a microcontroller with only one A / D converter can be used, which only needs as many switching outputs as electrical values must be measured.
  • FIG. 1 circuit arrangement for measuring electrical quantities according to the prior art
  • FIG. 2 inventive circuit arrangement for measuring a voltage
  • FIG. 5 shows inventive circuit arrangement in which the switching transistor is operated in the linear range in order to measure a voltage.
  • Fig. 6 Circuit arrangement according to the invention, in which the track resistance of the switching transistor is used to measure a current.
  • FIG. 7 shows inventive circuit arrangement in which two currents are measured with an A / D converter input.
  • Fig. 8 inventive circuit arrangement, in which also two currents can be measured, which is additionally designed as an energy-saving measuring arrangement.
  • the switching element for voltage measurement consists of a MOSFET with driver circuit.
  • Fig. 11 inventive circuit arrangement in which two currents can be measured, which as energy-saving measuring arrangement is designed, and wherein only one (high-precision) measuring element is used.
  • a circuit arrangement for measuring electrical quantities according to the prior art is shown. It consists of the voltage dividers 2a, 5a and 2b, 5b, which are switched from a potential to be measured to ground. Between the resistors in each case a voltage (8a, 8b) is tapped, which is entered into the microcontroller. It is then converted to a digital value and multiplied by the divider ratio to regain the original voltage. For each size to be measured, therefore, an A / D converter is required.
  • Fig. 2 shows a circuit arrangement according to the invention, in which only a voltage is measured. Between the two voltage divider resistors 2 and 5, a switch is inserted, which can switch the current path on and off. The voltage is measured directly at the lower measuring element 5, so that the voltage drop at the switching element is not included in the measurement. The switching element is closed only at the measuring time. As a result, the power loss of the measuring circuit is minimized.
  • Fig. 3 shows such a measuring circuit with 2 measuring points.
  • the measuring voltage is tapped on the common measuring element 5.
  • the circuit then splits into two or more paths, each having a switching element (3a, 3b) and a measuring element (2a, 2b) connected in series therewith, which in turn is connected to the voltage to be measured.
  • the switching elements are controlled by switching outputs (7a, 7b) from the microcontroller.
  • FIG. 4 shows the basic circuit structure of a current measurement.
  • the switching element is connected in parallel to the measuring element 5.
  • the voltage at the measuring element is again measured against ground and connected via a tap 8 to the A / D converter.
  • the switch is open during the measurement period and closed during the normal operating time. This is illustrated by an inverter 9, which is arranged in the drive path of the switching element.
  • the measuring element is bridged and can no longer produce any relevant power loss.
  • FIG. 5 shows a further simplification of a voltage measuring circuit in which the upper measuring element is replaced by a switching transistor.
  • the transistor is not only operated here as a switch, but it is operated in the 'state' in the linear range, so that the track resistance of the transistor corresponds to the upper measuring element resistance.
  • an internal measurement control can be created, so that the measurement gets compensation characteristic.
  • the track resistance of the transistor can be used as a measuring resistor in the fully turned-on state.
  • This type of current measurement is mainly used when in the circuit in any case a switching transistor is provided, for example in the DC-DC converter or in the inverter. In such a case, of course, the current measurement must take place when the transistor is just turned on. This then requires an interaction between the control of the switching transistor and the measurement control.
  • a circuit as shown in FIG. 7 can be used.
  • the current always flows through the respective measuring element, and the voltage at the measuring element is switched to the A / D converter input only during the measurement.
  • this circuit has the disadvantage that the power loss can not be reduced.
  • FIG. 8 This requires a somewhat more complex circuit, as shown in Fig. 8.
  • two further switching elements are arranged parallel to the measuring elements. These switching elements are again inverted driven, since they are open during the measurement and closed during normal operation. This significantly reduces the power loss during normal operation.
  • the non-inverting switching elements in FIGS. 7 and 8 may possibly include a driver circuit, since the reference potential, the voltage across the sensing elements 2c or 2d, and the Switching potential, so the switching outputs 7c or 7d may be very close to each other under certain circumstances.
  • FIG. 9 A circuit in which voltages and currents can be measured is shown in FIG. 9.
  • voltages are measured on the rails Ia and Ib, while on the paths Ic and Id the current is measured.
  • the measuring element 5 is parallel to the current measuring elements 2c or 2d.
  • the resistance of the voltage measuring element 5 is at least ten times as large in the resistance as the resistance of the current measuring elements 2c or 2d, the element 5 does not fall into consideration in the current measurement.
  • the measuring element 5 is larger by a factor of 1000 than the measuring elements 2c or 2d. Thus, the falsification of the measurement by the measuring element 5 is irrelevant.
  • a switching element can also be arranged between the measuring element 5 and the A / D converter input 8 so that the measuring element 5 switches away during the current measurement.
  • Fig. 10 shows a circuit diagram of a preferred embodiment of the invention in which the switching element consists of a switching transistor, in this case a MOSFET with suitable driver circuit.
  • the switching outputs of a microcontroller usually can only represent logic voltages against circuit ground, there is, as already mentioned, the problem that the switching voltage of the switching transistor can be too small, since the voltage at the measuring element 5 is also in the range of logic voltage.
  • This problem is solved by another Switching transistor 10 is remedied, which is controlled via the microcontroller, and an existing in the circuit higher voltage, for example, 15V, on the gate of the actual sense transistor 3 switches to turn this safely.
  • the resistance elements 11 and 12 are used only for the calibration of the power consumption and the on and off speed.
  • the voltage divider resistor element 2 was an example here divided into two series-connected resistive elements 2 and 2 al a2 so as not to exceed the dielectric strength of the individual resistive elements in the measured high voltage.
  • FIG. 11 once again shows another variant of an energy-saving current measurement.
  • only one measuring element 2 is used here for the measurement.
  • the two switching elements each have the complementary function, which is also indicated by the inverting function of switched on in normal operation switching elements.
  • the non-inverting switching elements may require a driver stage, as already explained for FIGS. 7-9.
  • the switches are closed one after the other and the assigned electrical values are measured.
  • This method offers the advantage that only one A / D converter is required for several electrical quantities to be measured.
  • the electrical quantities to be measured must relate only to a reference potential.
  • the measurement can take place in a strict order, so that all measured values are obtained the same number of times, or an asymmetric measurement can also take place in which different cycle times can be realized for the measured values.
  • a timer can be activated for each measured variable, which initiates a new measurement at the end of the process. This has the advantage that the necessary measuring cycles can be technically optimally designed, and measured variables which are subject to a large temporal variation more frequently than sizes which change little.

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement and to a method for detecting electrical quantities by means of a measuring circuit for measuring voltages and flows. Said measuring circuit comprises a common measuring element wherein the voltage is input into an A/D-converter. Each branch of the measuring circuit comprises a switch element that is only switched on during the measuring time of each branch.

Description

Beschreibung description
Schaltungsanordnung und Verfahren zum Erfassen elektrischer Größen.Circuit arrangement and method for detecting electrical quantities.
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft Schaltungsanordnungen zum Erfassen einer oder mehrerer elektrischer Größen. Die Erfindung betrifft Vorzugsweise Schaltungsanordnungen zum Erfassen elektrischer Betriebsgrößen in elektronischen Betriebsgeräten für Leuchtmittel.The invention relates to circuit arrangements for detecting one or more electrical variables. The invention preferably relates to circuit arrangements for detecting electrical operating variables in electronic control gear for lamps.
Stand der TechnikState of the art
Elektronische Betriebsgeräte werden heutzutage für fast alle Arten von Leuchtmitteln verwendet. Zu nennen wären hier z.B. Betriebsgeräte für Niedervolt-Halogenlampen, für Niederdruck-Entladungslampen und für Hochdruck- Entladungslampen. Speziell elektronische Betriebsgeräte für Hochdruck-Entladungslampen sind mitunter sehr komplex und es gibt eine Vielzahl an elektrischen Größen zu mes- sen. Da diese Betriebsgeräte heutzutage in der Regel über einen MikroController gesteuert werden, benötigt dieser eine Vielzahl von Analog/Digitalwandlern (A/D-Wandlern) , um die elektrischen Größen messen zu können. Dies verursacht jedoch hohe Kosten, da MikroController mit mehreren A/D-Wandlern deutlich teurer sind als solche mit nur einem A/D-Wandler.Electronic control gear is used today for almost all types of bulbs. To mention here would be e.g. Operating equipment for low-voltage halogen lamps, for low-pressure discharge lamps and for high-pressure discharge lamps. Especially electronic control gear for high-pressure discharge lamps can be very complex and there are a variety of electrical variables to measure. Since these operating devices are usually controlled by a microcontroller today, this requires a variety of analog / digital converters (A / D converters) to measure the electrical variables. However, this causes high costs, since microcontrollers with several A / D converters are significantly more expensive than those with only one A / D converter.
Hinzu kommt noch, dass die Messschaltungen so konzipiert sein müssen, dass ein gewisser Strom fließt, den der A/D- Wandler benötigt um richtig messen zu können. Dies verur- sacht in jeder Messschaltung nicht zu vernachlässigende Verluste, die sich bei einer größeren Anzahl an Messschaltungen beträchtlich aufsummieren .In addition, the measuring circuits must be designed in such a way that a certain current flows, which the A / D converter needs to measure properly. This causes not negligible in each measuring circuit Losses that add up considerably with a larger number of measurement circuits.
Aufgabetask
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bekannten elektronischen Betriebsgeräte zu verbessern, um diese günstiger Herstellen zu können, und gleichzeitig weniger Verlustleistung im elektronischen Betriebsgerät zu verursachen .The object of the invention is to improve these disadvantages of the known electronic control gear in order to produce this cheaper, and at the same time to cause less power dissipation in the electronic control gear.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Mik- rocontroller mit nur einem Analog/Digital-Wandler, aber mehreren Schaltausgängen oder einer Ansteuerlogik verwendet wird.This is inventively achieved in that a micro- rocontroller with only one analog / digital converter, but a plurality of switching outputs or a control logic is used.
Üblicherweise werden in Schaltungen nach dem Stand der Technik Spannungen mit einem Spannungsteiler gemessen, bei dem die zu messende Spannung auf ein leicht zu handhabendes Niveau skaliert wird. Die zu messenden Spannungen bei üblichen elektronischen Betriebsgeräten betragen einige Zehn bis einige hundert Volt. Bei Betriebsgeräten, die mit 230 Volt Netzspannung betrieben werden beträgt die Spannung nach dem Netzgleichrichter z.B. 400V. Daher werden Spannungsteiler zum Messen dieser Spannungen mit einem Teilungsverhältnis von 1:100 konzipiert, so dass die 400V durch eine 4V Spannung am Mikrocontrollereingang dargestellt werden. Der A/D-Wandler braucht, um richtig messen zu können, einen Eingangsstrom von etwa 0,3-0, 4mA. Der Spannungsteiler muss daher so konzipiert sein, dass dauerhaft ein Strom von 0,5-lmA fliesst, um den A/D- Wandler bedienen zu können. Bei einer zu messenden Spannung von 400V verursacht das dann Verluste von etwa 200- 40OmW pro Spannungsteiler.Typically, in prior art circuits, voltages are measured with a voltage divider where the voltage to be measured is scaled to an easy-to-handle level. The voltages to be measured in conventional electronic control gear are several tens to a few hundred volts. With operating devices that are operated with 230 Volt mains voltage, the voltage after the mains rectifier is eg 400V. Therefore, voltage dividers are designed to measure these voltages with a division ratio of 1: 100 so that the 400V is represented by a 4V voltage at the microcontroller input. The A / D converter needs an input current of about 0.3-0, 4mA in order to be able to measure correctly. The voltage divider must therefore be designed so that a current of 0.5 lmA flows continuously in order to operate the A / D converter. With a voltage of 400V to be measured, this then causes losses of approximately 200 to 40 ohms per voltage divider.
Um Ströme messen zu können, wird ein Shunt verwendet, der direkt in den zu messenden Stromkreis eingebaut wird. Die an dem Shunt abfallende Spannung wird gemessen, und mit Wissen des Widerstandswertes des Shunts kann auf den dort fließenden Strom geschlossen werden.In order to be able to measure currents, a shunt is used, which is installed directly in the circuit to be measured. The voltage dropping across the shunt is measured, and with knowledge of the resistance value of the shunt, the current flowing there can be deduced.
Müssen mehrere Spannungen und Ströme gemessen werden, so werden mehrere Spannungsteiler oder Shunts vorgesehen, die jeweils einen Abgriff haben der mit jeweils einem A/D-Wandler des MikroControllers verbunden ist (Fig. 1).If several voltages and currents have to be measured, several voltage dividers or shunts are provided, each of which has a tap which is connected in each case to an A / D converter of the microcontroller (FIG. 1).
Hier setzt die Erfindung an. Erfindungsgemäß ist in jedem Spannungsteiler zwischen den Widerständen ein Schaltelement vorgesehen, das den Strompfad des Spannungsteilers öffnen und schließen kann. Zum Messen wird nun das entsprechende Schaltelement geschlossen, die Messung durch- geführt und das Schaltelement danach wieder geöffnet. Dies geschieht nun nacheinander mit allen zu messenden Größen. Sind alle Werte gemessen beginnt der Zyklus von vorne. Dadurch kann ein MikroController mit nur einem A/D-Wandler verwendet werden, der lediglich soviele Schaltausgänge braucht wie elektrische Werte gemessen werden müssen.This is where the invention starts. According to the invention, a switching element is provided in each voltage divider between the resistors, which can open and close the current path of the voltage divider. For measuring, the corresponding switching element is now closed, the measurement carried out and the switching element then opened again. This now happens one after the other with all quantities to be measured. When all values are measured, the cycle starts over. This allows a microcontroller with only one A / D converter can be used, which only needs as many switching outputs as electrical values must be measured.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)Short description of the drawing (s)
Fig. 1 Schaltungsanordnung zum Messen von elektrischen Größen nach dem Stand der Technik Fig. 2 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen einer SpannungFig. 1 circuit arrangement for measuring electrical quantities according to the prior art Fig. 2 inventive circuit arrangement for measuring a voltage
Fig. 3 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen von zwei SpannungenFig. 3 inventive circuit arrangement for measuring two voltages
Fig. 4 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Messen eines Stromes4 shows inventive circuit arrangement for measuring a current
Fig. 5 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der der Schalttransistor im linearen Bereich betrieben wird, um eine Spannung zu messen.5 shows inventive circuit arrangement in which the switching transistor is operated in the linear range in order to measure a voltage.
Fig. 6 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der der Bahnwiderstand des Schalttransistors benutzt wird, um einen Strom zu messen.Fig. 6 Circuit arrangement according to the invention, in which the track resistance of the switching transistor is used to measure a current.
Fig. 7 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der zwei Ströme mit einem A/D-Wandlereingang gemes- sen werden.7 shows inventive circuit arrangement in which two currents are measured with an A / D converter input.
Fig. 8 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der ebenfalls zwei Ströme gemessen werden können, die zusätzlich noch als energiesparende Messanordnung ausgelegt ist.Fig. 8 inventive circuit arrangement, in which also two currents can be measured, which is additionally designed as an energy-saving measuring arrangement.
Fig. 9 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der Spannungen und Ströme mit nur einem A/D- Wandlereingang gemessen werden können.9 shows inventive circuit arrangement in which voltages and currents can be measured with only one A / D converter input.
Fig. 10 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der das Schaltelement zur Spannungsmessung aus einem MOSFET mit Treiberschaltung besteht.10 shows inventive circuit arrangement in which the switching element for voltage measurement consists of a MOSFET with driver circuit.
Fig. 11 Erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der zwei Ströme gemessen werden können, die als energiesparende Messanordnung ausgelegt ist, und wobei nur ein (hochgenaues) Messelement Verwendung findet.Fig. 11 inventive circuit arrangement in which two currents can be measured, which as energy-saving measuring arrangement is designed, and wherein only one (high-precision) measuring element is used.
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zum Messen von elektrischen Größen nach dem Stand der Technik gezeigt. Sie besteht aus den Spannungsteilern 2a, 5a und 2b, 5b, die von einem zu messenden Potential nach Masse geschal- tet sind. Zwischen den Widerständen wird jeweils eine Spannung (8a, 8b) abgegriffen, die in den MikroController eingegeben wird. Diese wird dort in einen Digitalwert umgewandelt, und mit dem Teilerverhältnis multipliziert, um wieder die Originalspannung zu erhalten. Für jede zu Mes- sende Größe wird daher ein A/D-Wandler benötigt.In Fig. 1, a circuit arrangement for measuring electrical quantities according to the prior art is shown. It consists of the voltage dividers 2a, 5a and 2b, 5b, which are switched from a potential to be measured to ground. Between the resistors in each case a voltage (8a, 8b) is tapped, which is entered into the microcontroller. It is then converted to a digital value and multiplied by the divider ratio to regain the original voltage. For each size to be measured, therefore, an A / D converter is required.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der lediglich eine Spannung gemessen wird. Zwischen den beiden Spannungsteilerwiderständen 2 und 5 ist ein Schalter eingefügt, der den Strompfad Ein- und Ausschal- ten kann. Die Spannung wird direkt am unteren Messelement 5 gemessen, so dass der Spannungsabfall am Schaltelement nicht in die Messung eingeht. Das Schaltelement wird lediglich zur Messzeit geschlossen. Dadurch wird die Verlustleistung der Messschaltung minimiert.Fig. 2 shows a circuit arrangement according to the invention, in which only a voltage is measured. Between the two voltage divider resistors 2 and 5, a switch is inserted, which can switch the current path on and off. The voltage is measured directly at the lower measuring element 5, so that the voltage drop at the switching element is not included in the measurement. The switching element is closed only at the measuring time. As a result, the power loss of the measuring circuit is minimized.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Messverfahrens kommen allerdings erst bei mehreren Messstellen zur Geltung. Fig. 3 zeigt eine solche Messschaltung mit 2 Messstellen. Die Messspannung wird am gemeinsamen Messelement 5 abgegriffen. Danach teilt sich die Schaltung dann in zwei oder auch mehrere Pfade auf, die jeweils ein Schaltelement (3a, 3b) aufweisen und ein dazu in Serie geschalte- tes Messelement (2a, 2b) , das wiederum mit der zu messenden Spannung verbunden ist. Die Schaltelemente werden über Schaltausgänge (7a, 7b) vom MikroController angesteuert .The advantages of the measuring method according to the invention, however, come into their own only at several measuring points. Fig. 3 shows such a measuring circuit with 2 measuring points. The measuring voltage is tapped on the common measuring element 5. After that, the circuit then splits into two or more paths, each having a switching element (3a, 3b) and a measuring element (2a, 2b) connected in series therewith, which in turn is connected to the voltage to be measured. The switching elements are controlled by switching outputs (7a, 7b) from the microcontroller.
Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Schaltungsaufbau einer Strommessung. Hier ist das Schaltelement parallel zum Messelement 5 geschaltet. Die Spannung am Messelement wird wieder gegen Masse gemessen und über einen Abgriff 8 an den A/D-Wandler angeschlossen. Hier ist während der Messdauer der Schalter geöffnet, und während der normalen Betriebsdauer geschlossen. Dies wird durch einen Invertierer 9 verdeutlicht, der im Ansteuerpfad des Schaltelementes angeordnet ist. So wird das Messelement überbrückt und kann keine relevante Verlustleistung mehr erzeugen.4 shows the basic circuit structure of a current measurement. Here, the switching element is connected in parallel to the measuring element 5. The voltage at the measuring element is again measured against ground and connected via a tap 8 to the A / D converter. Here the switch is open during the measurement period and closed during the normal operating time. This is illustrated by an inverter 9, which is arranged in the drive path of the switching element. Thus, the measuring element is bridged and can no longer produce any relevant power loss.
Fig. 5 schließlich zeigt eine weitere Vereinfachung einer Spannungsmessschaltung, bei der das obere Messelement durch einen Schalttransistor ersetzt ist. Der Transistor wird hier nicht nur als Schalter betrieben, sondern er wird im eingeschaltetem' Zustand im linearen Bereich betrieben, so dass der Bahnwiderstand des Transistors dem oberen Messelementwiderstand entspricht. Dadurch kann eine interne Messregelung geschaffen werden, so dass die Messung Kompensationscharakteristik bekommt. Unter Umständen kann es nötig sein, für die Ansteuerung der Transistoren noch eine Treiberschaltung zu verwenden, um si- cherzustellen, dass die Ansteuerspannung trotz der Spannung am Messelement 5 immer hoch genug bleibt. Fig. 6 wiederum stellt eine Strommessung ohne ein eigenes Messelement dar. Hier werden im Gegensatz zur Spannungsmessung sehr niedrige Widerstände benötigt, so dass der Bahnwiderstand des Transistors im voll durchgeschaltetem Zustand als Messwiderstand Verwendung finden kann. Diese Art der Strommessung findet vor allem dann Anwendung, wenn in der Schaltung auf jeden Fall ein Schalttransistor vorgesehen ist, z.B. im Gleichspannungswandler oder im Wechselrichter. In solch einem Fall muss die Strommessung natürlich dann stattfinden, wenn der Transistor gerade eingeschaltet ist. Dies erfordert dann eine Interaktion zwischen der Regelung des Schalttransistors und der Messregelung.Finally, FIG. 5 shows a further simplification of a voltage measuring circuit in which the upper measuring element is replaced by a switching transistor. The transistor is not only operated here as a switch, but it is operated in the 'state' in the linear range, so that the track resistance of the transistor corresponds to the upper measuring element resistance. As a result, an internal measurement control can be created, so that the measurement gets compensation characteristic. Under certain circumstances, it may be necessary to use a driver circuit for controlling the transistors, in order to ensure that the drive voltage always remains high enough despite the voltage at the measuring element 5. FIG. 6, in turn, represents a current measurement without a separate measuring element. Here, in contrast to the voltage measurement, very low resistances are required, so that the track resistance of the transistor can be used as a measuring resistor in the fully turned-on state. This type of current measurement is mainly used when in the circuit in any case a switching transistor is provided, for example in the DC-DC converter or in the inverter. In such a case, of course, the current measurement must take place when the transistor is just turned on. This then requires an interaction between the control of the switching transistor and the measurement control.
Zur Messung mehrerer Ströme kann eine Schaltung wie in Fig. 7 dargestellt Verwendung finden. In dieser Variante fließt der Strom immer durch das jeweilige Messelement, und es wird nur während der Messung die Spannung am Messelement auf den A/D-Wandlereingang geschaltet. Diese Schaltung birgt aber den Nachteil, dass die Verlustleis- tung nicht reduziert werden kann.For measuring a plurality of currents, a circuit as shown in FIG. 7 can be used. In this variant, the current always flows through the respective measuring element, and the voltage at the measuring element is switched to the A / D converter input only during the measurement. However, this circuit has the disadvantage that the power loss can not be reduced.
Dafür benötigt man eine etwas aufwendigere Schaltung, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. Hier sind gegenüber der Schaltung in Fig. 7 zwei weitere Schaltelemente Parallel zu den Messelementen angeordnet. Diese Schaltelemente werden wieder invertiert angesteuert, da sie während der Messung offen sind und während des Normalbetriebes geschlossen. Damit lässt sich die Verlustleistung im Normalbetrieb deutlich senken. Die nicht invertierenden Schaltelemente in Fig. 7 und 8 können unter Umständen ei- ne Treiberschaltung beinhalten, da das Bezugspotential, die Spannung an den Messelementen 2c oder 2d, und das Schaltpotential, also die Schaltausgänge 7c oder 7d unter Umständen sehr nahe beieinander liegen können.This requires a somewhat more complex circuit, as shown in Fig. 8. Here, in comparison to the circuit in FIG. 7, two further switching elements are arranged parallel to the measuring elements. These switching elements are again inverted driven, since they are open during the measurement and closed during normal operation. This significantly reduces the power loss during normal operation. The non-inverting switching elements in FIGS. 7 and 8 may possibly include a driver circuit, since the reference potential, the voltage across the sensing elements 2c or 2d, and the Switching potential, so the switching outputs 7c or 7d may be very close to each other under certain circumstances.
Eine Schaltung, in der Spannungen und Ströme gemessen werden können, ist aus Fig. 9 ersichtlich. Hier werden Spannungen auf den Schienen Ia und Ib gemessen, während auf den Pfaden Ic und Id der Strom gemessen wird. Der einzige Unterschied liegt darin, dass im Falle der Strommessung, das Meßelement 5 parallel zu den Strommesselementen 2c oder 2d liegt. Da aber der Widerstand des Span- nungsmesselementes 5 mindestens zehn mal so groß im Widerstand ist wie der Widerstand der Strommesselemente 2c oder 2d, fällt das Element 5 bei der Strommessung nicht ins Gewicht. Normalerweise ist das Messelement 5 eher um den Faktor 1000 größer als die Messelemente 2c oder 2d. Damit ist die Verfälschung der Messung durch das Messelement 5 unerheblich. Sollte in einem Spezialfall das Mess- elementδ doch einmal eine nicht zu vernachlässigende Verfälschung der Messung bewirken, so kann zwischen dem Messelement 5 und dem A/D-Wandlereingang 8 auch noch ein Schaltelement angeordnet sein, dass das Messelement 5 bei der Strommessung wegschaltet.A circuit in which voltages and currents can be measured is shown in FIG. 9. Here voltages are measured on the rails Ia and Ib, while on the paths Ic and Id the current is measured. The only difference is that in the case of current measurement, the measuring element 5 is parallel to the current measuring elements 2c or 2d. However, since the resistance of the voltage measuring element 5 is at least ten times as large in the resistance as the resistance of the current measuring elements 2c or 2d, the element 5 does not fall into consideration in the current measurement. Normally, the measuring element 5 is larger by a factor of 1000 than the measuring elements 2c or 2d. Thus, the falsification of the measurement by the measuring element 5 is irrelevant. If, in a special case, the measuring element 8 nevertheless causes a falsification of the measurement which can not be neglected, then a switching element can also be arranged between the measuring element 5 and the A / D converter input 8 so that the measuring element 5 switches away during the current measurement.
Fig. 10 schließlich zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei der das Schaltelement aus einem Schalttransistor, in diesem Falle ein MOSFET mit geeigneter Treiberschaltung besteht. Da die Schaltausgänge eines MikroControllers üblicherweise nur Logikspannungen gegen Schaltungsmasse darstellen können, gibt es, wie schon erwähnt, das Problem, dass die Schaltspannung des Schalttransistors zu klein werden kann, da die Spannung am Messelement 5 ebenfalls im Bereich der Logikspannung liegt. Diesem Problem wird durch einen weiteren Schalttransistor 10 abgeholfen, der über den Mikrocont- roller angesteuert wird, und eine in der Schaltung vorhandene höhere Spannung, z.B. 15V, auf das Gate des eigentlichen Messtransistors 3 schaltet, um diesen sicher einzuschalten. Die Widerstandselemente 11 und 12 dienen lediglich der Kalibrierung des Stromverbrauchs und der Ein- und Ausschaltgeschwindigkeit. Das Spannungsteilerwiderstandselement 2 wurde hier Beispielhaft in 2 in Serie geschaltete Widerstandselemente 2al und 2a2 aufgeteilt, um die Spannungsfestigkeit der einzelnen Widerstandselemente bei der zu messenden hohen Spannung nicht zu überschreiten .Finally, Fig. 10 shows a circuit diagram of a preferred embodiment of the invention in which the switching element consists of a switching transistor, in this case a MOSFET with suitable driver circuit. Since the switching outputs of a microcontroller usually can only represent logic voltages against circuit ground, there is, as already mentioned, the problem that the switching voltage of the switching transistor can be too small, since the voltage at the measuring element 5 is also in the range of logic voltage. This problem is solved by another Switching transistor 10 is remedied, which is controlled via the microcontroller, and an existing in the circuit higher voltage, for example, 15V, on the gate of the actual sense transistor 3 switches to turn this safely. The resistance elements 11 and 12 are used only for the calibration of the power consumption and the on and off speed. The voltage divider resistor element 2 was an example here divided into two series-connected resistive elements 2 and 2 al a2 so as not to exceed the dielectric strength of the individual resistive elements in the measured high voltage.
In Fig. 11 ist noch einmal eine andere Variante einer energiesparenden Strommessung dargestellt. Im Gegensatz zur Messung aus Fig. 8 wird hier nur ein Messelement 2 für die Messung verwendet. Es gibt wieder für jeden Messpfad ein Schaltelement, dass im Normalbetrieb eingeschaltet ist, und ein Schaltelement, dass den Messpfad auf das Messelement 2 schaltet, wenn eine Messung durchgeführt wird. Die beiden Schaltelemente haben jeweils die komplementäre Funktion, was auch durch die invertierende Funktion der im Normalbetrieb eingeschalteten Schaltelemente angedeutet wird. Auch hier bedürfen die nicht invertierenden Schaltelemente unter Umständen einer Treiberstufe, wie schon für die Fig. 7-9 ausgeführt.FIG. 11 once again shows another variant of an energy-saving current measurement. In contrast to the measurement from FIG. 8, only one measuring element 2 is used here for the measurement. Again there is a switching element for each measuring path which is switched on in normal operation and a switching element which switches the measuring path to the measuring element 2 when a measurement is carried out. The two switching elements each have the complementary function, which is also indicated by the inverting function of switched on in normal operation switching elements. Again, the non-inverting switching elements may require a driver stage, as already explained for FIGS. 7-9.
So werden nacheinander die Schalter geschlossen und die zugeordneten elektrischen Werte gemessen. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass für mehrere zu messende elektrische Größen nur ein A/D-Wandler benötigt wird. Die zu messenden elektrischen Größen müssen sich lediglich auf ein Bezugspotential beziehen. Dabei kann die Messung in einer strengen Reihenfolge geschehen, so dass alle Messwerte gleich oft eingeholt werden, oder es kann auch eine asymmetrische Messung stattfinden, bei der für die Messwerte verschiedene Zykluszei- ten realisierbar sind. Es kann z.B. für jede Messgröße ein Timer aktiviert werden, der bei Ablauf eine erneute Messung initiiert. Dies hat den Vorteil dass die notwendigen Messzyklen technisch optimal ausgestaltet werden können, und Messgrößen, die einer großen Zeitlichen Vari- anz unterliegen öfter gemessen werden können als Größen die sich wenig ändern.Thus, the switches are closed one after the other and the assigned electrical values are measured. This method offers the advantage that only one A / D converter is required for several electrical quantities to be measured. The electrical quantities to be measured must relate only to a reference potential. In this case, the measurement can take place in a strict order, so that all measured values are obtained the same number of times, or an asymmetric measurement can also take place in which different cycle times can be realized for the measured values. For example, a timer can be activated for each measured variable, which initiates a new measurement at the end of the process. This has the advantage that the necessary measuring cycles can be technically optimally designed, and measured variables which are subject to a large temporal variation more frequently than sizes which change little.
Bei vielen zu messenden Größen kann es sinnvoller sein, anstatt vieler Schaltausgänge am MikroController einen Ausgang zu verwenden, der ein kodiertes digitales Signal ausgibt, das die Schaltzustände aller Schaltelemente repräsentiert. Ein externer Baustein kann in diesem Fall das Signal einlesen und die Schalter entsprechend dem Inhalt des Signals bedienen. For many variables to be measured, it may be more appropriate, instead of many switching outputs on the microcontroller, to use an output which outputs a coded digital signal representing the switching states of all the switching elements. An external device can in this case read in the signal and operate the switches according to the content of the signal.

Claims

Ansprüche claims
1. Schaltungsanordnung zum Erfassen elektrischer Größen mit einer Messschaltung zum Messen von Spannungen oder Strömen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messschaltung ein gemeinsames Messelement (5) besitzt, dessen Spannung in einen A/D-Wandler eingegeben wird, und die Messschaltung mehrere Äste (2a, 3a; 2b, 3b) aufweist, wobei jeder Ast der Messschaltung ein Schaltelement (3a, 3b) beinhaltet, das nur wäh- rend der Messzeit des jeweiligen Astes umgeschaltet wird.1. A circuit arrangement for detecting electrical quantities with a measuring circuit for measuring voltages or currents, characterized in that the measuring circuit has a common measuring element (5) whose voltage is input to an A / D converter, and the measuring circuit a plurality of branches (2a , 3a, 2b, 3b), each branch of the measuring circuit including a switching element (3a, 3b) which is switched over only during the measuring time of the respective branch.
2. Schaltungsanordnung zum Erfassen elektrischer Größen mit einer Messschaltung zum Messen von Spannungen oder Strömen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen MikroController (4) oder ein integriertes Steuerbauteil beinhaltet, wobei der MikroController oder das integrierte Steuerbau- teil einen A/D-Wandler pro Messschaltung aufweisen.2. Circuit arrangement for detecting electrical variables with a measuring circuit for measuring voltages or currents according to claim 1, characterized in that the circuit arrangement includes a microcontroller (4) or an integrated control component, wherein the microcontroller or the integrated control part an A / D Have converters per measurement circuit.
3. Schaltungsanordnung zum Erfassen elektrischer Größen mit einer Messschaltung zum Messen von Spannungen oder Strömen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der MikroController (4) oder das integrierte Steuerbauteil Schaltausgänge (7a-d) aufweisen, die die Schaltelemente (3a-d) der Messschaltungsäste ansteuern. 3. A circuit arrangement for detecting electrical quantities with a measuring circuit for measuring voltages or currents according to claim 2, characterized in that the microcontroller (4) or the integrated control component switching outputs (7a-d), the switching elements (3a-d) of Control the measuring circuit branches.
4. Schaltungsanordnung zum Erfassen elektrischer Größen mit einer Messschaltung zum Messen von Spannungen oder Strömen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (3a-d) in den MikroController oder das integrierte Steuerbauteil integriert sind.4. Circuitry for detecting electrical quantities with a measuring circuit for measuring voltages or currents according to claim 2, characterized in that the switching elements (3a-d) are integrated in the microcontroller or the integrated control component.
5. Schaltungsanordnung zum Erfassen elektrischer Größen mit einer Messschaltung zum Messen von Spannungen oder Strömen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der MikroController (4) oder das integrierte Steuerbauteil kodierte Signale ausgibt, die in einem weite- ren Baustein decodiert werden und die Schaltelemente der Messschaltung aufgrund des Signalinhalts ein- und ausgeschaltet werden.5. A circuit arrangement for detecting electrical quantities with a measuring circuit for measuring voltages or currents according to claim 2, characterized in that the microcontroller (4) or the integrated control component outputs coded signals which are decoded in a further building block and the switching elements of Measuring circuit due to the signal content on and off.
6. Verfahren zum Betreiben einer Messschaltung zum Er- fassen elektrischer Größen gekennzeichnet durch folgende Schritte:6. A method for operating a measuring circuit for detecting electrical quantities characterized by the following steps:
- Einschalten eines Messstrangschaltelementes (3a-d)Switching on a measuring-circuit switching element (3a-d)
- Messen der elektrischen Größe- Measuring the electrical size
- Timer setzen für erneute Messung und Ausschalten des Messstrangschaltelementes (3a-d)- set timer for re-measurement and switch-off of the measuring circuit switching element (3a-d)
- warten, bis der Timer für den zeitlich nächstfolgenden Messstrang abgelaufen ist- wait until the timer for the next consecutive measuring string has expired
7. Verfahren zum Betreiben einer Messschaltung zum Er- fassen elektrischer Größen, wobei eine Schleife wiederholt von 1 bis zur Anzahl der Äste der Messschaltung durchlaufen wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte innerhalb der Schleife:7. A method for operating a measurement circuit for detecting electrical quantities, wherein a loop is repeatedly traversed from 1 to the number of branches of the measuring circuit, characterized by the following Steps within the loop:
- Einschalten eines Messstrangschaltelementes (3a-d)Switching on a measuring-circuit switching element (3a-d)
- Messen der elektrischen Größe- Measuring the electrical size
- Ausschalten des Messstrangschaltelementes (3a-d) - Warten für eine vorbestimmte Zeit - Switching off the Meßstrangschaltelementes (3a-d) - Waiting for a predetermined time
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