DE102009022135A1

DE102009022135A1 - Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischem Strom

Info

Publication number: DE102009022135A1
Application number: DE102009022135A
Authority: DE
Inventors: Werner Brockmann
Original assignee: OSNABRUECK, University of; Universitat Osnabrueck
Current assignee: OSNABRUECK, University of; Universitat Osnabrueck
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischem Strom, umfassend einen Stromwandler (4) zur Wandlung eines in einem Lastkreis hin zu einem ersten Bezugspotential (BP1) fließenden Messstroms (I) in einen gewandelten Strom (I) mit Stromrichtung hin zu einem zweiten Bezugspotential (BP2). Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung beinhaltet ferner einen Kondensator (C) zur Integration des gewandelten Stroms (I) zu einer Kondensatorspannung (U) sowie ein mit dem Kondensator (C) verbundenes Schaltelement (T), welches durch einen Schaltvorgang das Entladen des Kondensators (C) bewirkt. Darüber hinaus umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) zur Messung und Auswertung der Kondensatorspannung (U) und zum Auslösen eines Schaltvorgangs des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C), wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) derart ausgestaltet ist, dass sie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach einem ausgelösten Schaltvorgang die Kondensatorspannung (U) misst und hieraus einen mittleren Stromwert für den Messstrom (I) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischem Strom sowie ein entsprechendes Messverfahren.
Die Messung von elektrischem Strom ist in einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten von Bedeutung, z. B. um den Kraftzustand von elektromechanischen Aktoren oder Stellgliedern, wie Motoren, Elektromagneten und dergleichen, zu erfassen und zu regeln. Ebenso wird eine Strommessung auch zur Erfassung und Regelung von Stromfluss in Lampen, LED-Scheinwerfern und dergleichen eingesetzt. Herkömmlicherweise erfolgt eine Strommessung in einem Lastkreis über einen niederohmigen Messwiderstand, der in der stromführenden Leitung des Lastkreises liegt. Dieser Widerstand erzeugt eine zum Strom proportionale Messspannung, die dann beispielsweise mittels Analog-Digital-Wandlung digital erfasst werden kann.
In einer Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. bei der Regelung von Aktoren, werden gepulste Ströme eingesetzt. Dabei werden gepulste Ströme insbesondere basierend auf Pulsweitenmodulation erzeugt. Herkömmlichen Messverfahren, welche den mo mentanen Stromwert ermitteln, eignen sich nur bedingt zur Messung gepulster Ströme, denn der Augenblickswert des Stroms entspricht nicht dem mittleren effektiven Stromwert, der bei gepulsten Strömen die relevante Messgröße darstellt.
Um gepulsten Strom zu messen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die bei der Strommessung ermittelte Messspannung einer Tiefpassfilterung zu unterziehen, um hierdurch den Stromverlauf zu glätten. Eine Tiefpassfilterung kann beispielsweise in einfacher Weise durch einen Kondensator erfolgen, der geeignet in den Signalweg geschaltet ist und zusammen mit einem ohmschen Widerstand einen Tiefpassfilter bildet. Um eine hinreichende Glättung zu erzielen, muss dabei die Grenzfrequenz des Filters um ein Vielfaches kleiner sein als die entsprechende Pulsfrequenz des modulierten Stroms. Die Verwendung einer Tiefpassfilterung weist den Nachteil auf, dass unerwünschte Verzögerungen zwischen der Änderung des Stroms und der daraus resultierenden Änderung der Messspannung entstehen.
Bei der Messung von pulsweiten-modulierten Strömen ist es ferner bekannt, einen Stromwert basierend auf einer mit der Pulsung synchronisierten Strommessung zu ermitteln. Dabei erfolgt die Abtastung des Stroms bzw. der Messspannung dann, wenn ein Stromfluss sichergestellt ist. Abhängig von der Pulsdauer der Modulation ist die Zeit hierfür unter Umständen jedoch relativ kurz. Der Messvorgang muss daher per hart zeitkritischer Softwaresynchronisation umgesetzt werden. Die hierfür verwendete Software ist komplex und anfällig gegen Messfehler und Laufzeitverletzungen. Außerdem führen dynamische Einschwing- und Ausschwingvorgänge des zu messenden Stroms insbesondere bei kurzen Einschaltzeiten zu Messfehlern.
Die Druckschrift DE 198 03 722 C2 zeigt eine Austastschaltung für analoge, kapazitiv zwischenzuspeichernde Signalwerte, die über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden. Dabei wird ein entsprechender Kondensator, der zur Zwischenspeicherung der analogen Signalwerte verwendet wird, nach vorbestimmten Zeitintervallen entladen.
In der Druckschrift DE 40 41 845 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Ströme beschrieben, bei der zur Strommessung ein Relais geöffnet wird und hierdurch der Messstrom in einem Kondensator aufintegriert wird.
In dem Dokument DE 2 308 788 ist ein Strommessgerät offenbart, bei dem der Strom einem Integrator zugeführt wird, wobei mittels eines nachgeschalteten Differenzierers eine zum Strom proportionale Spannung erzeugt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischem Strom und ein entsprechendes Messverfahren zu schaffen, mit denen auf einfache Weise und mit vernachlässigbarer Zeitverzögerung ein mittlerer Strom in einem Lastkreis gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst einen Stromwandler zur Wandlung eines in einem Lastkreis hin zu einem ersten Bezugspotential fließenden Messstroms in einen gewandelten Strom mit Stromrichtung hin zu einem zweiten Bezugspotential. Die Stromwandlung kann dabei unter Verwendung eines Messwiderstands erfolgen. Es können jedoch auch andere Prinzipien zur Stromwandlung ohne Messwiderstand verwendet werden, wie z. B. eine Stromwandlung mit Hall-Elementen oder basierend auf elektromagnetischer Induktionswirkung des Messstroms. In der Schaltungsanordnung ist ferner ein Kondensator zur Integration des gewandelten Stroms zu einer Kondensatorspannung vorgesehen. Der Kondensator ist mit einem Schaltelement verbunden, welches durch einen Schaltvorgang das Entladen des Kondensators bewirkt. Eine Steuer- und Auswerteeinrichtung dient zur Messung und Auswertung der Kondensatorspannung und zum Auslösen eines Schaltvorgangs des Schaltelements zum Entladen des Kondensators. Dabei ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach ei nem ausgelösten Schaltvorgang, der zum Entladen des Kondensators führt, die Kondensatorspannung misst und hieraus einen mittleren Stromwert für den Messstrom ermittelt. Dieser mittlere Stromwert ist dabei der Mittelwert des Messstroms innerhalb des Zeitraums zwischen dem Auslösen des Schaltvorgangs und dem vorbestimmten Messzeitpunkt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass universell und flexibel unter Zwischenschaltung eines Stromwandlers der mittlere Strom in einem Lastkreis basierend auf einem gewandelten Strom ermittelt werden kann. Durch die Integration über einen Kondensator kann dabei ohne Verzögerung ein gemittelter Stromwert bestimmt werden. Insbesondere kann dabei unabhängig von der Ausgestaltung des Lastkreises und dessen Betriebsweise ein Stromwert sowohl für gepulste als auch nicht gepulste Ströme ermittelt werden. Darüber hinaus muss bei einem pulweiten-modulierten Strom die Messung nicht synchron auf Zeitpunkte abgestimmt sein, zu denen ein Stromfluss im Abtastintervall der Modulation sichergestellt ist. Aufgrund der Proportionalität der Kondensatorspannung zum mittleren gewandelten Strom, dessen Wert wiederum eindeutig einem Messstromwert zuordenbar ist, kann auf einfache Weise der mittlere Messstrom berechnet werden, ohne dass Kompensationsrechnungen erforderlich sind.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird bei einem pulsweitenmodulierten Strom der mittlere Stromwert während der Zeitdauer zwischen Entladung des Kondensators und Messung der Kondensatorspannung unabhängig von der aktuellen Einschaltdauer des Stroms gemäß der Pulsweitenmodulation und unabhängig von der Lage des Einschaltimpulses während der Abtastperiode der Modulation gemessen. Es muss somit auch kein Mindestwert für die Einschaltdauer des pulsweiten-modulierten Stroms für eine verlässliche Strommessung sichergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann einfach und kostengünstig mit wenigen Bauelementen realisiert werden, wobei insbesondere auch Standardbauelemente, z. B. für den Stromwandler, das Schaltelement und den Kondensator, verwen det werden können. Die Schaltungsanordnung kann ferner weitestgehend in integrierte Schaltungen integriert werden, d. h. es ist lediglich ein Minimum an zusätzlichen externen Bauelementen bzw. IC-Pins erforderlich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist das zweite Bezugspotential vom ersten Bezugspotential entkoppelbar bzw. entkoppelt. Durch die Entkopplung des zweiten Bezugspotentials vom ersten Bezugspotential wird eine vom ersten Bezugspotential des Lastkreises unabhängige Strommessung ermöglicht, welche gegen Störungen im Lastkreis robust ist. Insbesondere sind für die Strommessung Spannungsschwankungen auf der Masseleitung des Lastkreises sowie Einstrahlungen und dadurch induzierte Spannungen nicht mehr kritisch.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden an sich aus dem Stand der Technik bekannte High-Side-Stromsensoren als Stromwandler verwendet. Diese Sensoren messen den Messstrom über einen Messwiderstand in der Zuleitung der Stromversorgung zum Verbraucher. Es können dabei sowohl Stromwandler verwendet werden, welche unmittelbar einen zum gemessenen Strom proportionalen Strom erzeugen als auch solche Stromwandler, welche mittelbar zunächst eine zum Messstrom proportionale Spannung erzeugen, die in der Schaltungsanordnung wiederum zu einem entsprechend gewandelten Strom führt. Anstatt eines High-Side-Stromsensors können gegebenenfalls auch andere Elemente zur Wandlung des Messstroms verwendet werden, beispielsweise ein entsprechend verschaltetes Hall-Element.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuer- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie periodisch in Messzyklen vorgegebener Zeitlänge die Kondensatorspannung zu einem festen Messzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Messzyklus misst und den Schaltvorgang des Schaltelements zum Entladen des Kondensators zu einem festen Auslösezeitpunkt innerhalb des jeweiligen Messzyklus auslöst. Auf diese Weise kann kontinuierlich der mittlere Strom ge messen werden, ohne dass explizit die Zeitdauer zwischen der Entladung des Kondensators und der Messung der Kondensatorspannung eingestellt werden muss. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Messzykus dabei durch eine Abtastperiode vorgegeben, wobei ein Messzyklus eine oder mehrere Abtastperioden umfasst. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung in geeigneter Weise dadurch verändert werden, dass die Länge des Messzyklus durch Veränderung der Anzahl der darin enthaltenen Abtastperioden variiert wird.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung löst die Steuer- und Auswerteeinheit in einem jeweiligen Messzyklus unmittelbar nach der Messung der Kondensatorspannung den Schaltvorgang des Schaltelements zum Entladen des Kondensators aus. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass eine im Wesentlichen über die Gesamtlänge des Messzyklus aufintegrierte Kondensatorspannung gemessen wird.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann zur Messung beliebiger Ströme verwendet werden, welche beispielsweise im Bereich von einigen Milliampere bis zu einigen Ampere liegen. In einer bevorzugten Variante der Erfindung dient die Schaltungsanordnung zur Messung eines pulsweiten-modulierten Messstroms. In diesem Fall entspricht die Zeitdauer zwischen dem Schaltvorgang des Schaltelements zum Entladen des Kondensators und dem vorbestimmten Zeitpunkt, an dem die Kondensatorspannung gemessen wird, vorzugsweise einer oder mehrerer Perioden der Pulsweitenmodulation. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass immer der Mittelwert des pulsweiten-modulierten Stroms gemessen wird. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, dass die Zeitdauer zwischen Entladung des Kondensators und Spannungsmessung wesentlich größer als die Periode der Pulsweitenmodulation gewählt wird, wodurch Messfehler, welche daraus resultieren, dass die Zeitdauer zwischen Entladen des Kondensators und Messung nicht auf die Periode der Pulsweitenmodulation abgestimmt ist, gering gehalten werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist das Schaltelement parallel zu dem Kondensator geschaltet und der Schaltvorgang des Schaltelements zum Entladen des Kondensators entspricht einem Umschalten des Schaltelements von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand für eine vorbestimmte Zeitspanne, die sehr kurz sein kann, aber zum Entladen des Kondensators ausreicht. Der Schaltvorgang des Schaltelements umfasst somit das Schalten vom geöffneten in den geschlossenen Zustand und das anschließende Schalten vom geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand nach Ablauf der vorbestimmten Zeitspanne.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird als Schaltelement ein Feldeffekttransistor eingesetzt, der schnelle Schaltzeiten durch Ansteuerung der Gate-Spannung des Transistors ermöglicht. Es können dabei Entladezeiten durch Umschalten des Transistors im Bereich von unter 1 μs erreicht werden, so dass Verfälschungen der Integrationszeit durch die Entladezeit des Kondensators praktisch vernachlässigbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist zwischen Kondensator und Schaltelement ein Element zur Begrenzung des Entladestroms beim Entladen des Kondensators, insbesondere ein ohmscher Widerstand, vorgesehen. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Schaltelements durch einen zu hohen Entladestrom verhindert.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Mittel zur Begrenzung der Kondensatorspannung vorgesehen, um hierdurch eine Beschädigung der Steuer- und Auswerteeinheit durch zu hohe Spannungen am Kondensator zu vermeiden. Das Mittel zur Begrenzung der Kondensatorspannung kann dabei beispielsweise eine Zener-Diode und/oder eine Schottky-Diode und/oder einen Operationsverstärker umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Stromwandler und zumindest das Schaltelement in einem einzigen Bauteil integriert, wobei gegebenenfalls auch die oben beschriebenen Elemente zur Begrenzung des Entladestroms bzw. zur Begrenzung der Kondensatorspannung in diesem Bauteil integriert sein können.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird vorzugsweise durch einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikrocontroller gebildet, in den der Analog-Digital-Wandler integriert sein kann. Der Analog-Digital-Wandler wandelt die analoge Messspannung in einen entsprechenden digitalen Wert, aus dem dann der Messstrom mit dem Mikrocontroller bestimmt wird. Der Mikrocontroller übernimmt ferner die Aufgabe der geeigneten Ansteuerung des Schaltelements zum Auslösen des Schaltvorgangs und die darauf abgestimmte Durchführung des Messvorgangs.
Neben der soeben beschriebenen Schaltungsanordnung betrifft die Erfindung ferner eine Messeinrichtung umfassend eine Mehrzahl solcher Schaltungsanordnungen, wobei jede Schaltungsanordnung zur Messung eines separaten Messstroms vorgesehen ist. Dabei sind die Schaltungsanordnungen vorzugsweise derart verschaltet, dass alle gewandelten Ströme der jeweiligen Schaltungsanordnungen eine Stromrichtung hin zu dem gleichen zweiten Bezugspotential aufweisen, wobei das zweite Bezugspotential von den ersten Bezugspotentialen, zu denen die jeweiligen Messströme fließen, entkoppelt ist. Auf diese Weise wird ein einheitliches, von Störungen in der Masseleitung der jeweiligen Lastkreise entkoppeltes Bezugspotential für alle Strommessungen geschaffen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Messeinrichtung werden die Steuer- und Auswerteeinrichtungen aller Schaltungsanordnungen durch eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit gebildet. Die gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit umfasst dabei vorzugsweise einen mehrkanaligen Analog-Digital-Wandler, wobei jeder Kanal zur Messung und Auswertung der Kondensatorspannung einer der Schaltungsanordnungen vorgesehen ist.
Neben der oben beschriebenen Schaltungsanordnung betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Messung von elektrischem Strom mit einer solchen Schaltungsanordnung. Dabei wird mit einem Stromwandler ein durch einen Messwiderstand in einem Lastkreis hin zu einem ersten Bezugspotential fließender Messstrom in einen gewandelten Strom mit Stromrichtung hin zu einem zweiten Bezugspotential gewandelt. Der gewandelte Strom wird durch einen Kondensator zu einer Kondensatorspannung aufintegriert. Schließlich wird mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung die Kondensatorspannung gemessen und ausgewertet und ein Schaltvorgang des Schaltelements zum Entladen des Kondensators ausgelöst, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach einem ausgelösten Schaltvorgang die Kondensatorspannung misst und hieraus einen mittleren Stromwert für den Messstrom ermittelt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie die darauf basierende Messeinrichtung bzw. das darauf basierende Verfahren können zur Messung von beliebigen Strömen in beliebigen Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere können bei entsprechender Anordnung der Messeinrichtung sowohl Gleichströme als auch Wechsel- bzw. Drehströme gemessen werden. Anwendungsgebiete sind z. B. die elektrische Antriebstechnik, z. B. für Gleichstrommotoren in der Kraftfahrzeug- oder Medizintechnik, oder die Beleuchtungstechnik, z. B. die Steuerung von LEDs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Strommessung gemäß dem Stand der Technik; und
2 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Strommessung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine herkömmliche Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischem Strom I_mess, der in einem Lastkreis mit einer Stromversorgung 1 und einem Verbraucher 2 hin zu einem Bezugspotential BP1 fließt. Die Strommessung erfolgt dabei in der Leitung für den Rückfluss des Laststroms vom Verbraucher zum Bezugspotential über den Messwiderstand R_shunt. Zur Ermittlung des Messstroms wird der Spannungsabfall U_mess in Bezug auf das Potential BP1 über den Widerstand R_shunt gemessen und anschließend durch eine Auswerteeinrichtung 3 umfassend einen Analog-Digital-Wandler ausgewertet. In 1 ist ferner durch eine gestrichelte Linie die optionale Verwendung einer Schottky-Diode D als Freilaufdiode angedeutet, welche bei zu hohen Werten der Messspannung U_mess Strom auf die positive Spannungsreferenz des Analog-Digital-Wandlers in der Auswerteeinrichtung 3 umlenkt, wodurch eine Spannungsbegrenzung zum Schutz des Wandlers vor zu hohen Spannungen erreicht wird.
Die Schaltungsanordnung gemäß 1 weist den Nachteil auf, dass sie nicht zur Messung von schnell schwankenden Strömen, wie z. B. von über Pulsweitenmodulation gepulsten Strömen, geeignet ist, da der Augenblickswert der Messspannung U_mess erfasst wird und nicht der effektiv wirksame Strom, der bei einer Pulsweitenmodulation durch den Mittelwert über eine Abtastperiode der Modulation repräsentiert wird. Ebenso werden starke Schwankungen durch ein kurzfristig veränderliches dynamisches Verhalten der Last nicht berücksichtigt. Darüber hinaus können weitere Messfehler dadurch auftreten, dass das Bezugspotential für den Analog-Digital-Wandler in der Auswerteeinrichtung 3 dem Bezugspotential des Lastkreises entspricht. Somit führen Störungen, z. B. induzierte Spannungen und Spannungsschwankungen auf der Leitung vom Verbraucher zum Bezugspotential, zu verfälschten Messergebnissen.
Die nachfolgend anhand von 2 beschriebene Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Strommessung behebt die in der Messanordnung der 1 auftretenden Probleme. Analog zur Schaltungsanordnung der 1 wird auch in der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung der hin zu einem Bezugspotential BP1 fließende Laststrom I_mess in einem entsprechenden Lastkreis mit Stromversorgung 1 und Verbraucher 2 gemessen. Im Unterschied zu 1 erfolgt die Strommessung nunmehr in der Zuleitung der Stromversorgung vor dem Verbraucher 2 über einen entsprechenden Messwiderstand R_shunt.
Die Messung des Laststroms I_mess erfolgt in der Ausführungsform der 2 unter Verwendung eines Stromwandlers in der Form eines sog. High-Side-Stromsensors 4, der den Strom über den Widerstand R_shunt in der Zuleitung der Stromversorgung erfasst. Der High-Side-Stromsensor 4 ermöglicht eine Wandlung des Laststroms I_mess in einen gewandelten Strom I_wandel, der proportional zum Strom I_mess ist und gemäß der Ausführungsform der 2 hin zu einem separaten zweiten Bezugspotential BP2 fließt. Dieses zweite Bezugspotential ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform entkoppelt vom Bezugspotential BP1 des Lastkreises, was in 2 durch eine entsprechende gestrichelte Linie L1 angedeutet ist. Durch eine solche Entkopplung wird eine vom Bezugspotential BP1 unabhängige Messung des Stroms I_mess beruhend auf dem gewandelten Strom I_wandel erreicht. Es müssen deshalb keine besonderen Restriktionen bezüglich der Ausgestaltung der Masseleitung vom Verbraucher 2 zum Bezugspotential BP1 beachtet werden. Die Masseleitung kann insbesondere stromführend sein und auch Masseschleifen aufweisen. Ebenfalls sind Einstrahlungen auf die Masseleitung unkritisch. Somit kann die Messanordnung gemäß 2 auch gut in elektromagnetisch verschmutzter Umgebung eingesetzt werden.
Wie oben erwähnt, wird in der Ausführungsform der 2 ein sog. High-Side-Stromsensor 4 zur Wandlung des Laststroms I_mess in einen gewandelten Strom I_wandel verwendet. Es können dabei beliebige aus dem Stand der Technik bekannte High-Side-Stromsensoren eingesetzt werden, beispielsweise der High-Side-Stromsensor ZXCT1009 der Firma ZETEX SEMICONDUCTORS. Anstatt eines High-Side- Stromsensors kann gegebenenfalls auch ein Hall-Element zur Stromwandlung verwendet werden. Üblicherweise weisen Hall-Elemente einen Spannungsausgang auf. Jedoch können derartige Elemente auch problemlos mit einem Stromausgang anstatt eines Spannungsausgangs hergestellt werden. Insbesondere ist auch nicht zwingend ein einzelner Widerstand R_shunt separat zum Stromwandler nötig, sondern dieser Widerstand kann auch in dem Stromwandler integriert sein. Ebenso können andere Prinzipien zur Strom-Strom-Wandlung eingesetzt werden, welche keinen Messwiderstand R_shunt benötigen, wie z. B. eine Stromwandlung basierend auf dem oben erwähnten Hall-Element oder über elektromagnetische Induktionswirkung. In diesem Fall ist der Stromwandler unmittelbar in den Lastkreis geschaltet und ersetzt dort den Widerstand R_shunt.
Der in der Anordnung der 2 gewandelte Strom I_wandel wird in einem Kondensators C₂ über eine vorbestimmte Zeitspanne aufintegriert. Die Kapaität des Kondensators C₂ liegt dabei beispielsweise im Bereich von 100 nF. Die aus der Integration resultierende Kondensatorspannung U_C wird anschließend gemessen. Zur Messung ist eine entsprechende Steuer- und Auswerteeinheit 3 mit einem Analog-Digital-Wandler und einem Mikrocontroller vorgesehen, welche in einem vorbestimmten Abtasttakt arbeitet. Die Periode des Abtasttakts liegt dabei beispielsweise im Bereich von 1 ms und innerhalb eines Taktzyklus wird die Kondensatorspannung U_C gemessen und der Kondensator entladen. Die Entladung erfolgt über einen parallel zum Kondensator C₂ geschalteten Feldeffekttransistor T, wobei das Schalten des Transistors über dessen Gate-Spannung U_gate mittels der Steuer- und Auswerteeinheit 3 gesteuert wird. Die Steuerung des Transistors durch die Steuer- und Auswerteeinheit 3 ist dabei durch die gestrichelte Linie L2 angedeutet, welche von der Steuer- und Auswerteeinheit zum Anschluss der Gate-Spannung U_gate führt.
In einer bevorzugten Variante erfolgt die Ansteuerung des Transistors und die Messung der Spannung U_mess derart, dass in einem Abtastzyklus zunächst der Kondensator C₂ aufgeladen wird, wobei während des Aufladevorgangs der Transistor derart angesteuert ist, dass er im geöffneten Schaltzustand ist und somit kein Strom über den Transistor fließt. Am Ende des Abtastzyklus erfolgt dann die Messung der Spannung U_C und anschließend die sofortige Entladung des Kondensators, indem der Transistor T durch entsprechende Ansteuerung seines Gates in den geschlossenen Schaltzustand geschaltet wird, so dass sich der Kondensator über den Transistor entlädt. Die Entladung kann dabei mit Standard-Mikrocontrollern sehr schnell in Zeitfenstern von unter 1 μs erfolgen und ist deshalb gegenüber Abtastzyklen im Bereich von 1 ms vernachlässigbar klein. Alternativ kann die die Entladezeit auch einfach herausgerechnet werden.
Aufgrund der Integration des gewandelten Strom I_wandel, der unter Berücksichtigung einer entsprechenden Wandlungskonstante proportional zum Messstrom I_mess ist, ergibt sich folgender Zusammengang zwischen der Kondensatorspannung U_C, welche der gemessenen Spannung U_mess entspricht, und dem zu messenden Strom I_mess:
mit

C: = Kapazität des Kondensators C₂,
T: = Dauer eines Messintervalls gemäß dem Abtastzyklus,
k: = Wandlungskonstante des Stromwandlers 4,
K: = resultierende Integrationskosntante.

Man erkennt aus obiger Beziehung, dass U_C proportional zum mittleren Strom innerhalb des Messintervalls ist, so dass durch die Schaltungsanordnung in der Tat nicht mehr der Augenblickswert, sondern der mittlere Stromwert ermittelt werden kann. Hierzu wird die gemessene Spannung U_mess über den Analog-Digital-Wandler digitalisiert und der digitalisierte Wert wird durch die Integrationskonstante K mittels des Mikrocontrollers geteilt, wodurch ein digitalisierter Wert des mittleren Stroms erhalten wird. Auf diese Weise kann unabhängig von entsprechenden Schaltvorgängen, welche beispielsweise bei der Pulsweitenmodulation des Stroms auftreten, oder an deren dynamischen Stromänderungen ein geeigneter mittlerer Stromwert gemessen werden. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten RC-Tiefpassfilterung, bei der zur Glättung des Stromverlaufs eine Widerstand-Kondensator-Kombination verwendet wird, erfolgt in der Schaltungsanordnung gemäß 2 wegen der Stromspeisung des Kondensators tatsächlich eine echte Integration des Messstroms und keine Filterbildung. Gegenüber der Verwendung eines Tiefpassfilters weist die Schaltungsanordung der 2 ferner den Vorteil auf, dass durch die Messung des über eine Abtastperiode integrierten Stroms keine zusätzliche Zeitverzögerung entsteht, wie dies bei einer Filterung der Fall ist.
Um den Spannungsbereich des in der Steuer- und Auswerteeinheit 3 vorgesehenen Analog-Digital-Wandlers optimal auszuschöpfen, kann die Integrationskonstante K an die verwendete Abtastperiodendauer durch Wahl des Kondensators C₂ und/oder Einstellung der Wandlungskonstante k des Stromwandlers so eingestellt werden, dass die Integration des maximal zu messenden Stroms I_mess gerade den maximal für den Analog-Digital-Wandler zulässigen Spannungswert für U_mess liefert. Üblicherweise liegen maximale Spannungswerte für bekannte Analog-Digital-Wandler im Bereich von einigen Volt.
In der Ausführungsform der Schaltungsanordnung gemäß 2 ist zwischen dem Kondensator C₂ und dem Transistor T ferner ein Widerstand R₂ zwischengeschaltet. Dieser Widerstand ist optional und dient zur Begrenzung des Entladestroms. Durch den Widerstand wird die Entladezeit des Kondensators C₂ beeinflusst und der Widerstand sollte passend zum kurzzeitig zulässigen Maximalstrom des Transistors T dimensioniert werden.
In der Ausführungsform der 2 sind als optionale Elemente ferner eine Schottky-Diode D gezeigt, welche die gleiche Funktion wie die Schottky-Diode D in 1 erfüllt. Sie dient als Freilaufdiode, um den gewandelten Strom I_wandel auf die positive Spannungsreferenz des Analog-Digital-Wandlers umzulenken, um hierdurch eine Spannungsbegrenzung zu erreichen. Eine Spannungsbegrenzung kann ferner durch die optional vorgesehene Zener-Diode D' erreicht werden, welche parallel zu dem Kondensator C₂ geschaltet ist. Darüber hinaus können entsprechende Spannungsbegrenzungen auch mit anderen Schaltelementen, insbesondere mit einer geeigneten Operationsverstärkerschaltung, gewährleistet werden.
Gemäß der Ausführungsform der 2 erfolgt das Entladen des Kondensators C₂ unmittelbar nach der Messung der Spannung U_mess in einem Abtastzyklus. Es ist jedoch auch möglich, dass das Entladen des Kondensators mit einem festen Zeitversatz nach der Messung erfolgt. Hierdurch wird lediglich die Integrationszeit des Kondensators verringert. Es ist aber immer noch Proportionalität zwischen der gemessenen Spannung und dem mittleren Stromwert für I_mess gegeben. Es werden in dieser Variante lediglich nicht alle dynamischen Änderungen des Stroms I_mess erfasst.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Feldeffekttransistor T inklusive Schutzwiderstand R₂ und gegebenenfalls Zener- bzw. Schottky-Diode D' und D in den Stromwandler 4 integriert werden, um hierdurch den Bauteileaufwand und damit die Kosten sowie den Platzbedarf und die Auswahlwahrscheinlichkeit der Anordnung zu minimieren. Es müssen dann lediglich in dem entsprechenden Halbleiterbauteil zusätzliche Pins für die Steuerung von U_gate vorgesehen sein.
In einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung wird ein mehrkanaliger Analog-Digital-Wandler in der Steuer- und Auswerteeinheit 3 verwendet. Dabei kann jeder Kanal zur Messung einer entsprechenden Spannung U_mess mittels einer separaten Schaltungsanordnung mit eigenem Stromwandler, Transistor und Kondensator verwendet werden. Somit können mehrere Schaltungsanordnungen parallel zur Messung verschiedener Messströme, beispielsweise aus unterschiedlichen Lastkreisen, eingesetzt werden. Bei einem mehrkanaligen Analog-Digital-Wandler kann zur Messung in allen Kanälen einheitlich das Bezugspotential BP2 verwendet werden. Es kann somit auf eine separate Messung entsprechender Bezugspotentiale für jeden Kanal zur Bestimmung von U_mess verzichtet werden, so dass jeder Eingang des Analog-Digital-Wandlers zur Messung eines Stromwerts verwendet werden kann.
Bei der Verwendung eines mehrkanaligen Analog-Digital-Wandlers ergibt sich durch die Schaltungsanordnung der 2 ein besonderer Vorteil. Erfahrungsgemäß entstehen bei mehrkanaligen Analog-Digital-Wandlern mit Analog-Multiplexer beim schnellen Umschalten zwischen den Kanälen Interferenzen zwischen zwei aufeinander folgend angesprochenen Kanälen, welche von der Spannungsdifferenz zwischen den Kanälen abhängen. Die Ursache dafür ist das Umladen des internen Kondensators des Abtast-Halte-Glieds, wenn die zu messende Spannung zu hochohmig angeschlossen ist, aber so schnell gemessen wird, dass die Einschwing-/Umladevorgänge noch nicht abgeschlossen sind. Dadurch, dass der Kondensator C₂ in der Anordnung der 2 unmittelbar an den Eingang des Analog-Digital-Wandlers angeschlossen ist und in der Regel um mehrere Größenordnungen größer als der interne Halte-Kondensator des Abtast-Halte-Glieds ist, stabilisiert der Kondensator C₂ auch die Messspannung in dem Zeitpunkt, zu dem der Multiplexer auf einen anderen Kanal umschaltet. Dadurch sind die Interferenzen durch Rückwirkung praktisch eliminiert, was insbesondere bei einer hohen Wandlungsgeschwindigkeit vorteilhaft ist.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, weist die soeben beschriebene Ausführungsform der Erfindung eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird eine schnelle, vom Bezugspotential des Lastkreises unabhängige Messung eines gemittelten Stroms erreicht. Die Schaltungsanordnung eignet sich somit für eine Vielzahl von verschiedenen Anwendungen. Insbesondere kann die Erfindung in der Mess- und Automatisierungstechnik oder zur Absicherung von Leistungstreibern verwendet werden. Zum Beispiel kann mit der Schaltungsanordnung der mittlere Strom statt bzw. in Ergänzung zur Begrenzung des Spitzenstroms überwacht werden. Die Schaltungsanordnung kann dabei sowohl zur Messung von Gleichstrom, z. B. basierend auf Versorgungsspannungen von 10 V bis 14 V, als auch zur Messung von Wechselströmen, z. B. basierend auf Spannungen im Bereich von 230 V, eingesetzt werden.
Ein Anwendungsbereich ist beispielsweise die Verwendung der Schaltungsanordnung in geregelten Wechsel- und Drehstromantrieben, welche meistens gepulst be trieben werden und für welche eine genaue Strommessung essentiell ist. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Strommessung in der elektrischen Antriebstechnik, z. B. für geregelte oder drehmoment-begrenzte Gleichstrommotoren in der Kraftfahrzeug- und Medizintechnik, wie für Fensterheber, Sitzverstellung, Relais, Elektromagnete und dergleichen. Ebenso kann die Schaltungsanordnung zur Strommessung in der Beleuchtungstechnik verwendet werden, beispielsweise für LED-Scheinwerfer in Kraftfahrzeugen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann sowohl mit diskreten Bauelementen als auch in integrierter Form in einem IC-Bauteil realisiert werden. Mit der Schaltungsanordnung können durch geeignete Dimensionierung seiner Komponenten auch Ströme in beliebigen Größen, z. B. im Milliampere- oder Ampere-Bereich, gemessen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19803722 C2 [0006]
- DE 4041845 A1 [0007]
- DE 2308788 [0008]

Claims

Schaltungsanordnung zur Messung von elektrischem Strom, umfassend: – einen Stromwandler (4) zur Wandlung eines in einem Lastkreis hin zu einem ersten Bezugspotential (BP1) fließenden Messstroms (I_mess) in einen gewandelten Strom (I_wandel) mit Stromrichtung hin zu einem zweiten Bezugspotential (BP2); – einen Kondensator (C₂) zur Integration des gewandelten Stroms (I_wandel) zu einer Kondensatorspannung (U_C); – ein mit dem Kondensator (C₂) verbundenes Schaltelement (T), welches durch einen Schaltvorgang das Entladen des Kondensators (C₂) bewirkt; – eine Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) zur Messung und Auswertung der Kondensatorspannung (U_C) und zum Auslösen eines Schaltvorgangs des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C₂), wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) derart ausgestaltet ist, dass sie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach einem ausgelösten Schaltvorgang die Kondensatorspannung (U_C) misst und hieraus einen mittleren Stromwert für den Messstrom (I_mess) ermittelt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bezugspotential (BP2) vom ersten Bezugspotential (BP1) entkoppelbar oder entkoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (4) einen High-Side-Stromsensor umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) derart ausgestaltet ist, dass sie periodisch in Messzyklen vorgegebener Zeitlänge die Kondensatorspannung (U_C) zu einem festen Messzeitpunkt innerhalb des jeweiligen Messzyklus misst und den Schaltvorgang des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C₂) zu einem festen Auslösezeitpunkt innerhalb des jeweiligen Messzyklus auslöst.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messzyklus durch eine Abtastperiode vorgegeben ist, wobei ein Messzyklus eine oder mehrere Abtastperioden umfasst.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) in einem jeweiligen Messzyklus unmittelbar nach der Messung der Kondensatorspannung (U_C) den Schaltvorgang des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C₂) auslöst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung zur Messung eines pulsweitenmodulierten Messstroms (I_mess) vorgesehen ist, wobei die Zeitdauer zwischen dem Schaltvorgang des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C₂) und dem vorbestimmten Zeitpunkt, an dem die Kondensatorspannung (U_C) gemessen wird, einer oder mehreren Perioden der Pulsweitenmodulation entspricht.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) parallel zu dem Kondensator (C₂) geschaltet ist und der Schaltvorgang des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C₂) einem Umschalten des Schaltelements (T) von einem geöffneten Zustand in einen geschlossenen Zustand für eine vorbestimmte Zeitspanne entspricht.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (T) ein Feldeffekttransistor ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kondensator (C₂) und Schaltelement (T) ein Element zur Begrenzung des Entladestroms beim Entladen des Kondensators (C₂), insbesondere ein ohmscher Widerstand (R₂), vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel (D, D') zur Begrenzung der Kondensatorspannung (U_C) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (D, D') zur Begrenzung der Kondensatorspannung (U_C) eine Zener-Diode (D') und/oder Schottky-Diode (D) und/oder einen Operationsverstärker umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (4) und zumindest das Schaltelement (T) in einem Bauteil integriert sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikrocontroller umfasst.
Messeinrichtung, umfassend eine Mehrzahl von Schaltungsanordnungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Schaltungsanordnung zur Messung eines separaten Messstroms (I_mess) vorgesehen ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnungen derart verschaltet sind, dass alle gewandelten Ströme (I_wandel) der jeweiligen Schaltungsanordnungen eine Stromrichtung hin zu dem gleichen zweiten Bezugspotential (BP) aufweisen, wobei das zweite Bezugspotential (BP2) von den ersten Bezugspotentialen (BP1), zu denen die jeweiligen Messströme (I_mess) fließen, entkoppelt ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinrichtungen (3) aller Schaltungsanordnungen durch eine gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit gebildet werden.
Messeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Steuer- und Auswerteeinheit einen mehrkanaligen Analog-Digital-Wandler umfasst, wobei jeder Kanal zur Messung und Auswertung der Kondensatorspannung (U_C) einer der Schaltungsanordnungen vorgesehen ist.
Verfahren zur Messung von elektrischem Strom mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass: – mit einem Stromwandler (4) ein in einem Lastkreis hin zu einem ersten Bezugspotential (BP1) fließender Messstroms (I_mess) in einen gewandelten Strom (I_wandel) mit Stromrichtung hin zu einem zweiten Bezugspotential (BP2) gewandelt wird; – durch einen Kondensator (C₂) der gewandelte Strom (I_wandel) zu einer Kondensatorspannung (U_C) aufintegriert wird; – mittels einer Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) die Kondensatorspannung (U_C) gemessen und ausgewertet wird und ein Schaltvorgang des Schaltelements (T) zum Entladen des Kondensators (C₂) ausgelöst wird, wobei die Steuer- und Auswerteeinrichtung (3) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt nach einem ausgelösten Schaltvorgang die Kondensatorspannung (U_C) misst und hieraus einen mittleren Stromwert für den Messstrom (I_mess) ermittelt.