DE4101492A1

DE4101492A1 - Stromdetektor

Info

Publication number: DE4101492A1
Application number: DE19914101492
Authority: DE
Inventors: Joachim Guenther; Karl Dipl Ing Hacker
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1991-01-19
Filing date: 1991-01-19
Publication date: 1992-07-23
Also published as: DE4101492C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit ei nem Laststromkreis, bestehend aus einem elektrischen Verbraucher und einer den Laststrom steuernden End stufe.

Es ist allgemein bekannt, zur Regelung des Laststromes in einem Laststromkreis mit einem elektrischen Verbrau cher, beispielsweise eines Gleichstrommotors, einen Shunt-Widerstand zu verwenden, der eine zum Laststrom proportionale Shunt-Spannung liefert. Diese Shunt-Span nung stellt einen Istwert für einen Regelkreis dar. Um eine vernünftige Auswertung dieser Shunt-Spannung durchführen zu können, muß dieselbe eine gewisse Größe aufweisen, das heißt, der Wert des Shunt-Widerstandes kann eine solche Größe erreichen, wodurch eine nicht mehr zu akzeptierende Verlustleistung in Kauf zu nehmen wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Detektion eines in einem Last stromkreis fließenden Laststromes anzugeben, die eine zum Laststrom proportionale Ausgangsspannung erzeugt, die eine zur Auswertung ausreichende Höhe aufweist und mit einem einen kleinen Widerstandswert aufweisenden Shunt-Widerstand auskommt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Schaltungsan ordnung der eingangs genannten Art durch die kennzeich nenden Merkmale des Patentanspruches 1 gegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht also darin, einen mit dem Laststromkreis verbundenen Schaltungszweig aufzu bauen, der die Serienschaltung eines ersten Widerstan des, eines steuerbaren Widerstandes und eines zweiten Widerstandes enthält. Hierbei wird der Strom durch die sen Schaltungszweig mittels des steuerbaren Widerstan des so gesteuert, daß sowohl an dem Shunt-Widerstand als auch an dem ersten Widerstand des genannten Schal tungszweiges der gleiche Spannungsabfall erzeugt wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß der an dem zweiten Widerstand auftretende Spannungsabfall proportional zum Laststrom ist und als Istwert des Laststromes einer Re gelschaltung zugeführt werden kann. Das Verhältnis der Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes zum ersten Wi derstand ist kleiner als 1, wodurch der Strom in diesem Schaltungszweig beliebig klein gemacht werden kann und somit auch die Verlustleistung in diesem Schal tungszweig gering bleibt. Die Höhe der zum Laststrom proportionalen Ausgangsspannung richtet sich nur nach der Höhe des zweiten Widerstandes in diesem besagten Schaltungszweig. Somit kann entsprechend der gewünsch ten Höhe der Ausgangsspannung der entsprechende Wider standswert für diesen zweiten Widerstand gewählt wer den.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Un teransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausfüh rungsbeispieles im Zusammenhang mit den Figuren erläu tert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltungsbild eines Aus führungsbeispieles der Erfindung und

Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild des Ausführungs beispieles nach Fig. 1.

In den Figuren sind einander sich entsprechende Bau teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Nach Fig. 1 bilden ein elektrischer Verbraucher V, eine Endstufe E und ein Shunt-Widerstand R_S einen Last stromkreis, wobei diese Bauelemente in der genannten Reihenfolge in Serie geschaltet sind und der elektri sche Verbraucher V einerseits auf dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung liegt und der Shunt-Widerstand R_S mit der Betriebsspannungsquelle U_B andererseits ver bunden ist. Zur Steuerung des Laststromes I_L wird der Endstufe E eine Steuerspannung U_st zugeführt. Der Shunt-Widerstand R_S weist einen ersten Anschluß 1 sowie einen zweiten Anschluß 2 auf, wobei, wie schon oben er wähnt, der erste Anschluß 1 mit der Betriebsspannungs quelle U_B verbunden ist und der zweite Anschluß 2 an die Endstufe E angeschlossen ist. Ein auf das Bezugspo tential der Schaltungsanordnung geführter Schaltungs zweig ist an den ersten Anschluß 1 des Shunt-Widerstan des R_S angebunden. Dieser Schaltungszweig enthält einen steuerbaren Widerstand T1 mit einem ersten Anschluß 3, einem zweiten Anschluß 4 und einem Steueranschluß 5, mit dessen Hilfe der durch diesen Schaltungszweig flie ßende Strom I_H steuerbar ist. Der erste Anschluß 3 die ses steuerbaren Widerstandes T1 ist über einen ersten Widerstand R₁ mit dem ersten Anschluß 1 des Shunt- Widerstandes R_S verbunden, während dessen zweiter An schluß 4 über einen zweiten Widerstand R₂ auf das Bezugspotential der Schaltungsanordnung geführt ist. Ferner ist an diesem Anschluß 4 auch eine zum Laststrom I_L proportionale Ausgangsspannung U_A abgreifbar.

Weiterhin ist ein Operationsverstärker OP vorgesehen, dessen Ausgang mit dem Steueranschluß 5 des steuerbaren Widerstandes T1 verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Operationsverstärkers OP ist an den er sten Anschluß 3 des steuerbaren Widerstandes T1 ange schlossen, während der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers OP mit dem zweiten Anschluß 2 des Shunt-Widerstandes R_S verbunden ist.

Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist nun folgende:
An dem Anschluß 2 des Shunt-Widerstandes R_S bzw. an dem Anschluß 3 des steuerbaren Widerstandes T1 tritt fol gender Spannungspegel U₂ bzw. U₃ auf:

U₂ = U_B - R_S · I_L (1)

U₃ = U_B - R₁ · I_H (2)

wobei U_B der Spannungswert der Betriebsspannungsquelle, R₁ bzw. R_S der Widerstandswert des ersten bzw. Shunt- Widerstandes R₁ bzw. R_S und I_L bzw. I_H der Wert des durch den ersten bzw. Shunt-Widerstandes R₁ bzw. R_S fließenden Stromes ist.

Die Differenz dieser beiden Spannungspegel U₂ und U₃ wird auf den Operationsverstärker OP geführt, der den steuerbaren Widerstand T1 so steuert, daß die genannte Differenz zwischen den Spannungspegeln U₂ und U₃ ver schwindet. Somit ergibt sich durch Gleichsetzung der beiden Gleichungen 1 und 2 für den Strom I_H durch den ersten Widerstand R₁ folgende Gleichung:

I_H = R_S/R₁ · I_L (3)

Da dieser Strom I_H auch annähernd durch den zweiten Wi derstand R₂ fließt, erzeugt er an diesem Widerstand R₂ einen Spannungsabfall U_A nach folgender Gleichung:

U_A = R₂ · R_S/R₁ · I_L (4)

Dieser Spannungsabfall ist die Ausgangsspannung U_A, die nach der Gleichung 4 proportional zum Laststrom I_L ist. Durch entsprechende Wahl der Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes R_S und des ersten Widerstandes R₁ kann das Widerstandsverhältnis R_S/R₁ sehr klein gewählt werden, um hierdurch auch den durch den Widerstand R₁ fließenden Strom I_H - siehe Gleichung 3 - möglichst klein zu machen. Des weiteren kann durch entsprechende Wahl des Widerstandswertes des Widerstandes R₂ eine Ausgangsspannung U_A erzeugt werden, die die gewünschte Höhe aufweist.

In dem detaillierten Schaltbild nach Fig. 2 ist als Verbraucher V ein Universalmotor dargestellt, dem eine Freilaufdiode D sowie zur Störunterdrückung eine Rei henschaltung aus einem Widerstand R₇ und einem Konden sator C parallelgeschaltet sind. Zur Steuerung der Drehzahl dieses Motors wird der Laststrom I_L getaktet, indem einem Feldeffekttransistor der Endstufe E ein pulsweitenmoduliertes Signal als Steuersignal U_st zuge führt wird.

Der steuerbare Widerstand T1 ist in diesem Ausführungs beispiel als NPN-Transistor ausgeführt. Anstelle dieses Transistors kann auch ein Feldeffekttransistor einge setzt werden.

Ein weiterer Unterschied zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 besteht darin, daß die Spannungspegel an dem Anschluß 2 als auch an dem Anschluß 3 nicht direkt auf den invertierenden bzw. nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP geführt sind, sondern über einen mit zwei Widerständen R₃ und R₄ aufgebauten er sten Spannungsteiler 6 bzw. über einen mit zwei weite ren Widerständen R₅ und R₆ aufgebauten zweiten Spannungsteiler 7, indem jeweils der Verbindungspunkt der beiden den Spannungsteiler aufbauenden Widerstände auf den entsprechenden Eingang des Operationsverstär kers geführt sind. Dies ist erforderlich, damit der Operationsverstärker nicht an der oberen Grenze seines Betriebsspannungsbereichs betrieben wird.

Um den Fehler in der Proportionalität der Ausgangsspan nung U_A möglichst gering zu halten, sollte der Eingang des Operationsverstärkers OP möglichst hochohmig sowie einen geringen Offsetfehler aufweisen. Hierdurch wird eine geringe Belastung der Spannungsteiler 6 und 7 er reicht, die ihrerseits durch Wahl von Widerständen mit eng tolerierten Widerstandswerten zu einer Verbesserung der Proportionalität beitragen. Wenn anstatt des NPN- Transistors T1 nach Fig. 2 ein Feldeffekttransistor verwendet wird, wird eine weitere Verbesserung der Proportionalität der Ausgangsspannung U_A erzielt, da die Ansteuerung eines solchen Feldeffekttransistors stromlos erfolgt. Schließlich sollte auch das Widerstandsverhältnis des Shunt-Widerstandes R_S zum er sten Widerstand R₁ eng toleriert werden.

Für die Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes R_S so wie der Widerstände R₁ bis R₆ können folgende Werte eingesetzt werden:

R_S = 5 mΩ
R₁ = 56 Ω
R₂ = 2,2 kΩ
R₃ = 10 kΩ
R₄ = 33 kΩ
R₅ = 100 kΩ
R₆ = 330 kΩ

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 wird mit einer po sitiven Betriebsspannung U_B von 8 . . . 32 V betrieben. Diese Schaltungsanordnung kann auch mit einer Betriebsspannung mit der entgegengesetzten Polarität betrieben werden, wenn anstatt des NPN-Transistor T1 ein PNP-Transistor eingesetzt wird. Auch muß die Frei laufdiode D entsprechend der geänderten Polarität ge schaltet werden.

Claims

1. Schaltungsanordnung mit einem Laststromkreis, beste hend aus einem elektrischen Verbraucher (V) und einer den Laststrom (I_L) steuernden Endstufe (E), dadurch ge kennzeichnet, daß zur Detektion des Laststromes (I_L) folgende Merkmale vorgesehen sind:

a) in den Laststromkreis ist ein Shunt-Widerstand (R_S) geschaltet, der einen ersten und zweiten An schluß (1, 2) aufweist,
b) ferner ist ein steuerbarer Widerstand (T1) mit ei nem ersten und zweiten Anschluß (3, 4) sowie einem Steueranschluß (5) vorgesehen,
c) weiterhin ist ein erster Widerstand (R₁) vorgese hen, der den ersten Anschluß (1) des Shunt-Wider standes (R_S) mit dem ersten Anschluß (3) des steu erbaren Widerstandes (T1) verbindet,
d) weiterhin ist ein Operationsverstärker (OP) vorge sehen, wobei ein erster Schaltungszweig (6) den einen Eingang des Operationsverstärkers mit dem zweiten Anschluß (2) des Shunt-Widerstandes (R_S) und ein zweiter Schaltungszweig (7) den anderen Eingang des Operationsverstärkers mit dem ersten Anschluß des steuerbaren Widerstandes (T1) verbin det und zur Steuerung des steuerbaren Widerstandes (T1) der Ausgang dieses Operationsverstärkers (OP) auf dessen Steueranschluß (5) geführt ist,
e) schließlich ist ein zweiter, eine zum Laststrom (I_L) proportionale Ausgangsspannung (U_A) liefern der Widerstand (R₂) vorgesehen, der mit seinem einen Anschluß auf dem Bezugspotential der Schal tungsanordnung liegt und mit seinem anderen An schluß mit dem zweiten Anschluß (4) des steuerba ren Widerstandes (T1) verbunden ist,
f) das Verhältnis (R_S/R₁) der Widerstandswerte des Shunt-Widerstandes (R_S) zum ersten Widerstand (R₁) kleiner als Eins ist,
g) der Widerstandswert des zweiten Widerstandes (R₂) ist im Vergleich zu dem genannten Verhältnis (R_S/R₁) groß.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

h) der erste Schaltungszweig (6) weist einen aus zwei Widerständen (R₃, R₄) aufgebauten ersten Span nungsteiler auf, wobei der Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände (R₃, R₄) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geführt ist,
i) der zweite Schaltungszweig (7) weist einen aus zwei weiteren Widerständen (R₅, R₆) aufgebauten zweiten Spannungsteiler auf, wobei der Verbin dungspunkt dieser beiden weiteren Widerstände (R₅, R₆) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Opera tionsverstärkers (OP) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (T1) ein Transistor ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (T1) ein Feldeffekttransistor ist.