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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Stromsensors mit einem eine gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie aufweisenden Messelement, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einen Stromsensor mit der Steuervorrichtung.
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Zur Durchführung von Messungen eines zwischen einer elektrischen Energiequelle und einem elektrischen Verbraucher fliesenden elektrischen Stromes in einem Kraftfahrzeug kann in Reihe zwischen die elektrische Energiequelle und den elektrischen Verbraucher ein Stromsensor geschaltet werden. Ein derartiger Stromsensor ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 078 548 A1 bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Strommessung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Einstellen eines Stromsensors mit einem eine gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie aufweisenden Messelement den Schritt Ändern des gebrochen rationalen Verlaufs der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie des Messelementes basierend auf wenigstens einer vorbestimmten Bedingung.
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Unter einem eine gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie aufweisenden Messelement im Rahmen des angegebenen Verfahrens soll ein elektrisches Bauelement verstanden werden, an dem ein Spannungsabfall in gebrochen rationaler Weise vom durchflossenen Strom abhängt. Im Gegensatz zu einem ohmschen Widerstand muss der durchflossene Strom zur mathematischen Beschreibung des Messelementes daher zusätzlich mit einem beliebigen negativen Exponenten potenziert werden.
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Unter einer Änderung des gebrochen rationalen Verlaufs der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie des Messelementes basierend auf wenigstens einer vorbestimmten Bedingung soll im Rahmen des angegebenen Verfahrens sowohl eine Änderung auf einen anderen gebrochen rationalen Verlauf als auch eine Änderung auf einen nicht gebrochen rationalen Verlauf fallen.
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Die Überlegung zu dem angegebenen Verfahren geht von dem eingangs genannten Stromsensor aus, der ein Messelement und einen Regelkreis aufweist, der einen Spannungsabfall am Messelement über den zu messenden Strom konstant hält. Mit diesem konstanten Spannungsabfall kann der elektrische Strom durch das Messelement selbst bei kleinen Strömen störungsrobust erfasst werden.
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Im Rahmen dieser Überlegung wird jedoch erkannt, dass die Regelung dem Messelement die zuvor genannte gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie aufzwingt, die im Idealfall einen gebrochen wurzelförmigen Verlauf aufweist. Der gebrochen rationale Verlauf kann nichtsdestotrotz mit einem beliebigen oben erwähnten negativen Exponenten ausgebildet werden. Durch die gebrochen rationale, im Idealfall gebrochen wurzelförmige Kennlinie des Messelementes wird die eigentlich quadratische Abhängigkeit zwischen der vom Messelement aufgenommenen elektrischen Leistung und dem elektrischen Strom durch das Messelement linearisiert. Durch diese lineare Abhängigkeit zwischen dem elektrischen Strom und der Leistungsaufnahme am Messelement nimmt das Messelement verglichen mit einem rein ohmschen Widerstand, bei dem der elektrische Strom quadratisch von der Leistungsaufnahme abhängt, jedoch mehr elektrische Leistung auf.
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Hier setzt das angegebene Verfahren an, im Rahmen dessen vorgeschlagen wird, die gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie situationsabhängig zu ändern. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung verschiedener Parameter des zuvor genannten Regelkreises erreicht werden. Beispiele dafür sind in den Unteransprüchen angegebenen.
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Um die zuvor genannte elektrische Leistungsaufnahme zu minimieren kann die gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie beispielswiese durch Einstellen des Regelkreises derart verändert werden, dass der gemessene Strom in jedem Messpunkt mit einem Signal/Rausch-Verhältnis erfasst wird, bei dem eine zuverlässige Auswertung des zu messenden Stromes garantiert wird. Auf diese Weise wird die Leistungsaufnahme auf ein Minimum reduziert, ohne dass Einbußen im Messergebnis hinzunehmen wären. Die oben genannte vorbestimmte Bedingung könnte für die Änderung des gebrochen rationalen Verlaus der Strom-Spannungskennlinie des Stromsensors und damit die situationsabhängige Veränderung der Strom-Spannungskennlinie des Messelementes könnte so am Messstrom selbst definiert werden.
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Überraschender Weise erlaubt die situationsabhängig veränderte Strom-Spannungskennlinie des Messelementes auch anderen Fehlern bei der Messung entgegenzutreten. Beispielsweise könnten durch eine temperaturabhängig und/oder feuchtigkeitsabhängig veränderte Strom-Spannungskennlinie des Messelementes entsprechend temperatur- und/oder feuchtigkeitsbedingte Messfehler kompensiert werden. Entsprechend könnten einer Vielzahl weiterer Einflüsse auf die Strommessung durch eine entsprechende Veränderung der Strom-Spannungskennlinie des Messelementes entgegengetreten werden.
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Mit der situationsabhängigen Änderung der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie für den Messelement lässt sich daher die Qualität eines Messergebnisses des Stromsensors mit dem Messelement erhöhen.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist die gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie des Messelementes durch Ausregeln eines von einem Widerstandswert und einem zu messenden elektrischen Strom abhängigen Istspannungsabfalls am Messelement auf einen Sollspannungsabfall basierend auf einem Steuersignal einstellbar. Zwar könnte ein Messelement mit einer gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie theoretisch auch in jeder beliebigen anderen Weise umgesetzt werden, die Realisierung über den zuvor genannten Regelkreis ist jedoch auf diese Weise praktisch am effizientesten in einer elektrischen Schaltung realisierbar. Als Messelement kann dabei prinzipiell jeder über ein Steuersignal beeinflussbare klassische aktive und passive Widerstand gewählt werden. Beispiele dafür wären einstellbare ohmsche Widerstände oder Transistoren, wie Bipolartransistoren oder Feldeffekttransistoren.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Ändern des gebrochen rationalen Verlaufs der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie des Messelementes durch Einstellen des Sollspannungsabfalls gemäß einer physikalischen Größe. Das heißt, dass der Spannungsabfall am Messelement des Stromsensors nicht konstant gehalten werden braucht, sondern an die oben genannten Situationen angepasst werden könnte, die von bestimmten physikalischen Größen abhängig sind. Verändert sich beispielsweise ein Referenzwiderstandswert des Messelementes durch physikalische Größen, wie Feuchtigkeit, Verschmutzung oder Temperaturen, so würde der veränderte Referenzwiderstandswert entsprechend zu einer Verlaufsänderung der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie führen, die mit dem Regelkreis erzeugt wird. Diese Verlaufsänderung bedingt dann entsprechend Fehler in der beabsichtigten Strommessung. Mit der angegebenen Weiterbildung wird die Verlaufsänderung der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie über eine entsprechende Veränderung des Sollspannungsabfalls korrigiert und so der entsprechende Messfehler kompensiert.
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Die physikalische Größe selbst kann dabei beliebig sein. Beispielsweise kann sie in nicht einschränkender Weise eine Temperatur, der elektrische Strom, ein Messbereich des elektrischen Stromes und/oder der Istspannungsabfall sein.
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In einer alternativen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Verändern der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie durch Beeinflussen des Steuersignals unabhängig von der Regelung. Auf diese Weise steht eine alternative oder zusätzliche Einflussgröße zu Verfügung, mit der die durch den Regelkreis erzeugte gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie des Messelementes verändert werden kann.
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In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird zum Beeinflussen des Steuersignals das Steuersignal konstant gehalten, so dass der Widerstandswert des Messelementes konstant bleibt. Mit anderen Worten wird der Regelkreis unterbrochen und die gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie des Messelementes somit in eine herkömmliche lineare Strom-Spannungskennlinie wie an einem ohmschen Widerstand geändert. So würde sich zwar das eingangs genannte Problem der schlechten Messergebnisse für vergleichsweise kleine zu messende elektrische Ströme ergeben, bei hohen zu messenden elektrischen Strömen kann jedoch die Leistungsaufnahme des Stromsensors gesenkt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird das Steuersignal konstant gehalten, wenn der elektrische Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Im Einzelnen schlägt die Weiterbildung vor, die gebrochen rationale Strom-Spannungskennlinie des Messelementes nur in Messbereichen des zu messenden elektrischen Stromes zu aktivieren, in denen die Messergebnisse aufgrund des quadratischen Verlaufes des oben genannten ungeregelten klassischen aktiven oder passiven Widerstands zu unpräzise sind. Ab einer bestimmten Höhe des zu messenden Stromes, ab der der elektrische Strom auch mit einem ungeregelten und damit beispielsweise klassischen ohmschen Widerstand ausreichend präzise erfassbar ist, können die Vorteile der geringen Leistungsaufnahme des klassischen ohmschen Widerstands genutzt werden.
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In einer noch anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens umfasst das Beeinflussen des Steuersignals eine Regelung des Steuersignals auf eine vom Istspannungsabfall verschiedene physikalische Größe. Das heißt, dass dem Regelkreis zum Erzeugen der gebrochen rationalen Strom-Spannungskennlinie des Messelementes ein weiterer Regelkreis unter- oder überlagert werden kann, mit dem die oben genannten Fehlereinflüsse, wie Temperatur, Feuchtigkeit und/oder Verschmutzung ausgeregelt werden können, um die Präzision des Messergebnisses weiter zu steigern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine schematische Ansicht einer an einen Fahrzeugbatteriepol angeschlossene Fahrzeugbatterieschaltung mit zwei Stromsensoren;
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2 eine schematische Ansicht eines Regelkreises zur Steuerung des Stromsensors aus 1;
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3 ein Diagramm, in dem ein zu messender Strom einer Leistungsaufnahme eines Widerstandes gegenübergestellt ist, den der zu messenden Strom durchfließt; und
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4 ein Diagramm, eine Strom-Spannungskennlinie eines Widerstands in einem Stromsensor der 1 zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf die 1 und 2 Bezug genommen, die entsprechend eine schematische Ansicht einer an einen Fahrzeugbatteriepol 2 angeschlossene Fahrzeugbatterieschaltung 4 mit zwei Stromsensoren 6 und eine schematische Ansicht eines Regelkreises 8 zur Steuerung der Stromsensoren 6 aus 1 zeigen.
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Der Fahrzeugbatteriepol 2 ist einer von zwei Fahrzeugbatteriepolen 2 einer Fahrzeugbatterie 10. Über die Fahrzeugbatteriepole 2 und die an einen der Fahrzeugbatteriepole 2 angeschlossene Fahrzeugbatterieschaltung 4 kann ein elektrischer Strom 12 von einer elektrischen Energiequelle 14, wie beispielsweise einer Steckdose aufgenommen oder an einen elektrischen Verbraucher 16, wie beispielsweise einen Antriebsmotor eines nicht weiter dargestellten Fahrzeuges abgegeben werden.
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Um den elektrischen Verbraucher 16 nicht direkt an die elektrische Energiequelle 14 anschließen zu müssen, können die elektrische Energiequelle 14 und der elektrische Verbraucher 16 zusätzlich über einen Umschalter 18 voneinander elektrisch getrennt sein, so dass abhängig von der Stellung des Umschalters 18 entweder die elektrische Energiequelle 14 oder der elektrische Verbraucher 16 an die Fahrzeugbatterie 10 angeschlossen ist.
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Die Fahrzeugbatterieschaltung
4 mit den Stromsensoren
6 kann gemäß dem in der
DE 10 2011 078 548 A1 offenbarten aktiven Shunt aufgebaut sein. Dazu weist jeder Stromsensor
6 in der vorliegenden Ausführung einen nicht näher referenzierten Feldeffekttransistor und eine nicht näher referenzierte Freilaufdiode auf, die in Durchlassrichtung von Source nach Drain verschaltet ist. Beide Stromsensoren
6 sind miteinander antiparallel zur Fahrzeugbatterieschaltung
4 verschaltet.
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In 1 ist ferner eine Auswerteschaltung 20 gezeigt. Die Auswerteschaltung 20 kann Teil der Fahrzeugbatterieschaltung 4 oder als getrennte Schaltung ausgebildet sein. In der vorliegenden Ausführung ist die Fahrzeugbatterieschaltung 4 beispielhaft getrennt von der Auswerteschaltung 20 ausgebildet.
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Die Auswerteschaltung 20 steuert in der vorliegenden Ausführung die Feldeffekttransistoren der Stromsensoren 6 derart, dass ein Spannungsabfall 22 über den Stromsensoren auf einem bestimmten Sollwert gehalten wird. Dazu empfängt die Auswerteschaltung 20 ein erstes elektrisches Potential 24, das von der Fahrzeugbatterie 10 aus gesehen vor den Stromsensoren 6 abgegriffen wird und ein zweites elektrisches Potential 26 das von der Fahrzeugbatterie 10 aus gesehen hinter den Stromsensoren 6 abgegriffen wird. Der Spannungsabfall 22 bestimmt sich aus der Differenz zwischen dem ersten elektrischen Potential 24 und dem zweiten elektrischen Potential 26.
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Durch Ansteuern der Gates der Feldeffekttransistoren der Stromsensoren
6 mit je einem Steuersignal
28 für die Stromsensoren
6 wird der Spannungsabfall
22 über den in
2 gezeigten Regelkreis
8 auf dem Sollwert
30 gehalten. Die Steuersignale
28 sind, wie in der
DE 10 2011 078 548 A1 gezeigt, abhängig vom zu messenden elektrischen Strom
12. Daher kann, wenn diese Abhängigkeit in der Auswerteschaltung
20 hinterlegt ist, der elektrische Strom
12 unmittelbar aus den Steuersignalen
28 abgeleitet werden. In der vorliegenden Ausführung können die Steuersignale über noch zu beschreibende Begrenzer
29 auf einen bestimmten Wert begrenzt werden.
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Der Regelkreis 8 umfasst in der vorliegenden Ausführung als Regelstrecke die Fahrzeugbatterieschaltung 4, die über die Steuersignale 28 in der zuvor beschriebenen Weise angesteuert wird, so dass über den Stromsensoren 6 der Fahrzeugbatterieschaltung 4 der Spannungsabfall 20 abgegriffen werden kann. Dieser Spannungsabfall 2 wird an einem Differenzglied 32 dem Sollwert 30 durch Differenzbildung gegenübergestellt, wobei sich eine Regeldifferenz 34 ergibt, die an einen dem Fachmann bekannten und in der Auswerteschaltung 20 angeordneten Regler 36 ausgegeben wird. Der Regler 36 erzeugt dann wiederum die Steuersignale 28, um den Spannungsabfall 22 auf dem Sollwert 30 zu halten.
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Weitere Details der Stromsensoren
6 beziehungsweise ihrer Auswerteschaltung
20 können der bereits genannten
DE 10 2011 078 548 A1 entnommen werden.
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Es wird auf 3 mit einem Diagramm 38 Bezug genommen, in dem der zu messende Strom 12 einer Leistungsaufnahme 40 einer der Stromsensoren 6 gegenübergestellt ist, den der zu messenden Strom 12 durchfließt.
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In 3 ist mit einer durchgezogenen Linie eine Gerade 42 dargestellt, die die Leistungsaufnahme 40 des Stromsensors 6 darstellt, wenn das Steuersignal 28 beliebig hohe Werte annehmen könnte, und damit unabhängig vom Begrenzer 29 wäre. In diesem Fall wäre die Leistungsaufnahme 40 des Stromsensors 6 über den gesamten Wertebereich des zu messenden Stromes 12 linear.
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Demgegenüber ist in 3 mit einer gestrichelten Linie eine Parabel 44 dargestellt, die die Leistungsaufnahme 40 des Stromsensors 6 zeigen würde, wenn dieser als ungeregelter passiver Widerstand ausgebildet wäre.
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Aus 3 ist deutlich zu sehen, dass der zu messende Strom 12 in einem unteren Wertebereich kaum Änderungen in der Leistungsaufnahme 40 des passiven Widerstandes hervorruft. Entsprechend ließen sich bei Änderungen des zu messenden Stromes 12 in diesem unteren Wertebereich mit dem passiven Widerstand kaum Änderungen im Spannungsabfall 22 erfassen. Diesem Problem wird mit dem in 1 gezeigten Regelkreis 8 begegnet, der die Leistungsaufnahme 40 des Stromsensors 6 linearisiert und auch im unteren Messbereich des zu messenden Stromes 12 präzise Messergebnisse erlaubt.
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Wie jedoch ebenfalls aus 3 zu sehen verläuft die Gerade 42 oberhalb der Parabel 44, was heißt, dass die Leistungsaufnahme 40 des Stromsensors 6 im mit dem Regelkreis 8 geregelten Fall spürbar höher ist, als wenn ein passiver Widerstand verwendet werden würde.
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Dieser hohen Leistungsaufnahme 40 wird mit dem Begrenzer 29 begegnet, indem der Stromsensor 6 nur bis zu einem bestimmten maximalen Strom 46 mit dem Regelkreis 8 geregelt wird. Ab diesem maximalen Strom 46 unterbricht der Begrenzer 29 den Regelkreis und der Stromsensor 6 wirkt wie ein gewöhnlicher passiver Widerstand. Auf diese Weise können die präzise Erfassung des zu messenden Stromes mit dem geregelten Stromsensors 6 im unteren Wertebereich und die niedrige Leistungsaufnahme 40 eines passiven Widerstandes in höheren Wertebereichen des zu messenden Stromes kombiniert werden.
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Der Begrenzer kombiniert daher die Gerade 42 und die Parabel 44 zu einer Kombinationskennlinie 48 für den Stromsensor 6.
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Es wird auf 4 mit einem Diagramm 50 Bezug genommen, in dem der zu messende Strom 12 dem Spannungsabfall 22 am zuvor im Rahmen der 3 diskutieren Stromsensor 6 gegenübergestellt ist, den der zu messenden Strom 12 durchfließt. Das heißt, dass in 4 die Strom-Spannungskennlinie 52 dieses Stromsensors 6 dargestellt ist.
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Wie aus 4 zu sehen verläuft die Strom-Spannungskennlinie 52 in einem unteren Teilbereich 44‘ bis zum oben genannten maximalen Strom 46 gebrochen rational, im Einzelnen gebrochen wurzelförmig. Der gebrochen rationale Verlauf wird durch den Regelkreis 8 bestimmt. Ab dem maximalen Strom 46 wird der Regelkreis 8 durch den Begrenzer 29 wirkungslos und der Stromsensor 6 verhält sich in einem oberen Teilbereich 42‘ wie ein linearer Widerstand.
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Die Begrenzung durch den Begrenzer 28 kann dabei basierend auf Erfahrungswerten für das Steuersignal 28 durchgeführt werden. In nicht dargestellter Weise kann die Begrenzung aber auch basierend auf dem zu messenden Strom 12 derart erfolgen, dass der Begrenzer ab einem bestimmten Wert des zu messenden Stromes 12 aktiviert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078548 A1 [0002, 0034, 0037, 0039]
