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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungserfassung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Schaltungsanordnungen finden beispielsweise in Systemen Verwendung,
bei denen an schaltbaren Lasten Spannungen anliegen, die einen gewissen
Maximalwert nicht überschreiten
dürfen. Überschreitet
die zu erfassende bzw. zu überwachende
Spannung einen einstellbaren Grenzwert, wird dies von der Schaltungsanordnung
detektiert und es können
geeignete Maßnahmen
zum Schutz, beispielsweise vor Zerstörung, getroffen werden.
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Eine
weitere Anwendungsmöglichkeit
ist die Regelung einer Spannung, bei der ein Istwert der zu regelnden
Spannung mit Hilfe einer derartigen Schaltungsanordnung erfasst
wird.
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Die
zu überwachende
Spannung wird üblicherweise
von einer Auswerteeinheit ausgewertet, die als integrierter Schaltkreis
realisiert sein kann. Die Eingänge
eines integrierten Schaltkreises sind in der Regel empfindlich gegenüber Überspannungen. Der
zulässige
Eingangsspannungsbereich wird normalerweise nach oben durch die
Versorgungsspannung der Schaltkreise begrenzt. Wenn die zu erfassende
Spannung höher
als die Versorgungsspannung ist, kann es folglich notwendig werden,
die zu erfassende Spannung zu reduzieren bzw. zu transformieren.
Der Bereich der Spannung, in dem eine Auswertung sinnvoll möglich ist,
liegt üblicherweise in
etwa mittig zwischen einer Bezugsspannung und der Versorgungsspannung
der Auswerteeinheit, beispielsweise zwischen 2V und 3V bei einer
Versorgungsspannung von 5V.
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Zur
Reduktion bzw. Transformation der zu erfassenden Spannung kann ein
Spannungsteiler verwendet werden, der aus der zu erfassenden Spannung
eine heruntergeteilte Auswertespannung erzeugt, die an einem Teilerknoten
des Spannungsteilers ansteht und von der Auswerteeinheit beispielsweise
mit einem Grenz- bzw. Referenzwert verglichen wird. Wenn die Auswertespannung
den Referenzwert überschreitet,
können
geeignete Maßnahmen,
beispielsweise eine Notabschaltung, ergriffen werden.
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Ein
durch den Spannungsteiler hervorgerufener Dauerstrom kann jedoch
bei verlustleistungssensitiven Anwendungen, insbesondere bei batteriebetriebenen
Systemen, die in einem sogenannten Stand-By-Betriebszustand über eine lange Zeitdauer betriebsbereit
bleiben müssen,
eine kritische Größe sein.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer
Schaltungsanordnung zur Spannungserfassung der eingangs genannten
Art zugrunde, welche bei reduzierter Verlustleistung eine Spannungserfassung
auf Versorgungsspannungsniveau ermöglicht.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung einer Schaltungsanordnung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist ein
ansteuerbares Schaltmittel im Strompfad des Spannungsteilers und eine
Steuereinheit zur Ansteuerung des Schaltmittels vorgesehen. Dies
ermöglicht
ein Auftrennen des Spannungsteiler-Strompfads, wenn eine Erfassung nicht
gewünscht
wird. Dadurch reduziert sich der Stromverbrauch der Erfassungsschaltung
und somit deren Verlustleistung. Folglich ist eine Spannungserfassung
auch in verlustleistungssensitiven Anwendungen problemlos möglich.
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In
einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 ist
das Schaltmittel zwischen die zu erfassende Spannung und den Teilerknoten eingeschleift.
Durch eine derartige Beschaltung wird bei geöffnetem Schaltmittel erreicht,
dass die am Teilerknoten anstehende Spannung auf eine Bezugsspannung
des Spannungsteilers gezogen wird, was auch als sogenanntes "Pull-Down" bezeichnet wird. Dies
verhindert ein Ansteigen der Auswertespannung auf Werte, die für nachfolgende
Schaltungsteile unzulässig
sein können.
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In
einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 umfasst
die Schaltungsanordnung eine mit dem Teilerknoten verbundene Auswerteeinheit
zur Auswertung der am Teilerknoten anstehenden Auswertespannung.
Vorteilhaft umfasst die Auswerteeinheit gemäß Anspruch 4 ein Logik-Gatter, ein
Schmitt-Trigger, einen Komparator oder einen Verstärker. Derartige
Auswerteeinheiten sind einfach zu realisieren und sorgen für eine definierte Schaltcharakteristik
in Abhängigkeit
von der regelungstechnischen Aufgabenstellung.
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Vorteilhaft
ist die Auswerteeinheit gemäß Anspruch
5 mit der Steuereinheit verbunden und zur Bereitstellung eines Signals
für die
Steuereinheit eingerichtet, wenn die zu erfassende Spannung eine
einstellbare Maximalspannung überschreitet.
Bei Empfang des Signals steuert die Steuereinheit das Schaltmittel
zum Auftrennen des Strompfades an. Eine derartige Ausgestaltung
verhindert eine Beschädigung
der Auswerteein heit aufgrund einer Überspannung der zu erfassenden
Spannung bzw. der Auswertespannung, da bei einem Überschreiten der
Maximalspannung, beispielsweise aufgrund einer Fehlfunktion, der
Strompfad aufgetrennt wird und somit ein weiteres Ansteigen der
Auswertespannung, die eine Beschädigung
der Auswerteeinheit bewirken könnte,
verhindert wird.
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In
einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 umfasst
der Spannungsteiler einen ersten und einen zweiten Widerstand. Der
erste Widerstand, das Schaltmittel und der zweite Widerstand sind
in dieser Reihenfolge in Serie zwischen die zu erfassende Spannung
und ein Bezugspotential eingeschleift. Der Teilerknoten wird durch
einen Verbindungspunkt des Schaltmittels mit dem zweiten Widerstand
gebildet. Selbstverständlich
kann der Spannungsteiler auch andere Bauelementtypen anstelle von
Widerständen
umfassen, wie beispielsweise Dioden, Zenerdioden usw.. Auf diese
Weise ist durch geeignete Wahl der Widerstandswerte ein Herunterteilen
der zu erfassenden Spannung auf geeignete Werte möglich. Weiterhin
wird die Auswertespannung bei geöffnetem
Schaltmittel über
den zweiten Widerstand auf Bezugspotential gezogen, wodurch ein
zuverlässiger
Betrieb der Schaltung sichergestellt werden kann.
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In
einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 ist
das Schaltmittel ein Transistor, dessen Schaltstrecke im Strompfad
des Spannungsteilers liegt und dessen Steuereingang mit der Steuereinheit
verbunden ist. Vorteilhaft ist der Transistor gemäß Anspruch
8 ein MOS-Transistor,
an dessen Source-Anschluss die Auswertespannung ansteht und dessen
Gate-Anschluss mit der Steuereinheit verbunden ist. Die Steuereinheit
ist zur Bereitstellung eines Ansteuersignals mit einer maximalen Spannung
ausgebildet, die im Bereich einer maximal an die Auswerteeinheit
anlegbaren Auswertespannung liegt. Eine derartige Beschattung stellt
sicher, dass sowohl bei gesperrtem als auch bei durch geschaltetem
Transistor die Auswertespannung unabhängig von der Höhe der zu
erfassenden Spannung auf Werte im Bereich der maximalen Ansteuerspannung
begrenzt ist.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen schematisch:
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1 ein
Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Spannungserfassung
und
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2 ein
Schaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung zur Spannungserfassung.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Spannungserfassung,
beispielsweise zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, mit einem Spannungsteiler
ST1, der aus einer zu erfassenden Gleichspannung UE1, die beispielsweise
40V betragen kann, eine Auswertespannung UP1 erzeugt, die an einem
Teilerknoten N1 ansteht, einer Auswerteeinheit AE1 zur Auswertung
der Auswertespannung UP1 und einer Steuereinheit SE1 zur Ansteuerung
eines Schaltmittels SM, das in den Strompfad des Spannungsteilers
ST1 eingeschleift ist.
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Der
Spannungsteiler ST1 umfasst stromführende Elemente EL1 und EL2,
die in Serie zwischen die zu erfassende Spannung UE1 und Masse eingeschleift
sind. Die stromführenden
Elemente EL1 und EL2 können
beispielsweise als Widerstände,
Dioden und/oder Zenerdioden ausgeführt sein. Falls erforderlich,
können
auch weitere Elemente in den Spannungsteiler ST1 aufgenommen werden.
Die Dimensionierung der stromführenden
Elemente EL1 und EL2 bestimmt die Beziehung, beispielsweise das
Teilerverhältnis,
zwischen der zu erfassenden Spannung UE1 und der Auswertespannung
UP1.
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Die
Auswerteeinheit AE1, die als Komparator betrieben wird, wertet die
Auswertespannung UP1, die an einem ersten, hochohmigen Eingang EA1
der Auswerteeinheit AE1 anliegt, durch Vergleich mit einer an einem
zweiten Eingang EA2 anliegenden Referenzspannung UREF aus, um zu
detektieren, ob die zu erfassende Spannung UE1 einen bestimmten
Wert überschreitet.
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Ein
Ausgangssignal an einem Ausgang AA1 der Auswerteeinheit AE1 wird
in Abhängigkeit
vom Ergebnis des Vergleichs auf einen "0"-Pegel
bzw. auf einen "1"-Pegel gesetzt. Das
Ausgangssignal wird in nachfolgenden, nicht gezeigten Schaltungsteilen weiterverarbeitet.
Wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur Spannungserfassung in einer geschlossenen Regelschleife verwendet
werden soll, mit der die erfasste Spannung UE1 beispielsweise auf
einen bestimmten Wert geregelt wird, kann die Auswerteeinheit AE1
anstatt diskreter Pegel auch analoge Stellgrößen ausgeben.
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Die
Auswerteeinheit AE1 wird durch eine Versorgungsspannung UV1 versorgt,
die kleiner als die zu erfassende Spannung UE1 ist. Die am hochohmigen
Eingang EA1 anstehende Auswertespannung UP1 sollte folglich nicht
größer werden
als die Versorgungsspannung UV1, falls innerhalb der Auswerteeinheit
AE1 keine hierfür
vorgesehene Begrenzungsschaltung vorgesehen ist. Es ist daher notwendig,
die Auswertespannung UP1 auf einen Maximalwert im Bereich der Versorgungsspannung
UV1 zu begrenzen.
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Diese
Begrenzung erfolgt einerseits durch eine entsprechende Dimensionierung
der stromführenden
Elemente EL1 und EL2 und andererseits durch das Schaltmittel SM,
das zwischen die stromführenden
Elemente EL1 und EL2 eingeschleift ist. Das Schaltmittel SM wird
von der Steuereinheit SE1 derart angesteuert, dass in Betriebszuständen, während de nen
keine Spannungserfassung erforderlich ist, der Strompfad des Spannungsteilers
ST1 durch Öffnen
des Schaltmittels SM aufgetrennt wird. Die Auswertespannung UP1
wird dann über
das Element EL1 auf Masse gezogen, wodurch ein Schutz des Eingangs
EA1 vor Überspannungen
sichergestellt wird. Bei geöffnetem
Schaltmittel SM fließt
kein Strom durch den Spannungsteiler ST1, wodurch die Verlustleistung
reduziert wird.
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Die
Entscheidung, ob die Spannungserfassung aktiv oder inaktiv sein
soll, wird in einem nicht gezeigten Schaltungsteil ermittelt und
in Form eines Steuersignals an einen Eingang ES1 der Steuereinheit
SE1 angelegt.
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In
Betriebszuständen,
während
denen eine Spannungserfassung erforderlich ist, erfolgt in der Auswerteeinheit
AE1 zusätzlich
ein Vergleich der Auswertespannung UP1 mit einer internen Schwellspannung.
Wenn die Auswertespannung UP1 auch diese Schwellspannung überschreitet,
droht eine Beschädigung
der Auswerteeinheit AE1 aufgrund einer Überspannung, wenn die Auswertespannung
UP1 danach noch weiter ansteigt. Diese Spannungsüberschreitung führt zum
Ausgeben eines Signals an einem Ausgang AA2 der Auswerteeinheit
AE1, der mit einem Eingang ES2 der Steuereinheit SE1 gekoppelt ist.
Die Steuereinheit SE1 empfängt
dieses Signal und öffnet
daraufhin das Schaltmittel SM, wodurch der Strompfad des Spannungsteilers
ST1 aufgetrennt wird. Die Auswertespannung UP1 wird dann über das
Element EL1 auf Masse gezogen, eine Beschädigung aufgrund der Überspannung
wird folglich vermieden. Diese Rückkopplung
zwischen Auswerteeinheit AE1 und Steuereinheit SE1 ist optional
und kann entfallen, wenn sichergestellt werden kann, dass die zu
erfassende Spannung UE1 keine Werte annimmt, die zu einer Beschädigung der
Auswerteeinheit AE1 führen
kann bzw. wenn die Auswerteeinheit AE1, beispielsweise durch einen
internen Spannungsbegrenzer, ausreichend spannungsfest ist.
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Die
Versorgung der Steuereinheit SE1 erfolgt ebenfalls durch die Versorgungsspannung
UV1, kann jedoch auch mit einem anderen Versorgungsspannungspegel
erfolgen.
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2 zeigt
ein Schaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung zur Spannungserfassung,
bei der ein MOS-Transistor T1 als Schaltmittel verwendet wird, dessen
Schaltstrecke im Strompfad eines Spannungsteilers ST2 liegt. Der
Spannungsteiler ST2 ist zwischen eine zu erfassende Spannung UE2 und
Masse eingeschleift und umfasst einen Widerstand R2 und einen Widerstand
R1, die in Serie zwischen die zu erfassende Spannung UE2 und Masse eingeschleift
sind.
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Am
Source-Anschluss S des Transistors T1, der mit einem hochohmigen
Eingang EA3 einer Auswerteeinheit AE2 verbunden ist, steht eine
Auswertespannung UP2 an, die in der Auswerteeinheit AE2 ausgewertet
wird. Zur Versorgung der Auswerteeinheit AE2 dient eine Spannung
UV2, die kleiner als die zu erfassende Spannung UE2 ist und beispielsweise 5V
betragen kann. Die Auswertespannung UP2 am Eingang EA3 darf nicht
größer werden
als die Versorgungsspannung UV2, falls in der Auswerteeinheit keine
hierfür
vorgesehene Begrenzungsschaltung vorgesehen ist.
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Der
Gate-Anschluss G des Transistors T1 ist mit einem Ausgang AS2 einer
Steuereinheit SE2 verbunden, die mit der Spannung UV2 versorgt wird.
Zur Deaktivierung des Spannungsteilers ST2 wird die Ausgangsspannung
UA am Ausgang AS2 auf Masse gezogen, wodurch der Transistor sperrt.
Der Widerstand R1 zieht in diesem Fall die Auswertespannung UP2
auf Masse. Bei Aktivierung des Spannungsteilers ST2 beträgt die Ausgangsspannung
UA am Ausgang AS2 beispielsweise 5V. Die Entscheidung, ob die Spannungserfassung
aktiv oder inaktiv sein soll, wird in einem nicht gezeigten Schaltungsteil
ermittelt und in Form eines Steuersignals an einen Eingang ES3 der
Steuereinheit SE2 angelegt. Der Widerstandswert zwischen Drain-
und Source-Anschluss D und S des Transistors T1 ist dann in einem
typischen Betriebspunkt der zu erfassenden Spannung UE2 deutlich
kleiner als die Widerstandswerte der Widerstände R1 und R2, wodurch der
Betrag der Auswertespannung im wesentlichen durch den Betrag der Spannung
UE2 und dem Teilerverhältnis
der Widerstände
R1 und R2 bestimmt wird.
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Wenn
die Spannung UE2 stark zunimmt, wird der Maximalwert der Auswertespannung
UP2 auf den Betrag der am Ausgang AS2 der Steuereinheit bzw. am
Gate-Anschluss G des Transistors T1 anliegenden Spannung UA abzüglich einer
Transistorschwellspannung begrenzt. Aufgrund von Selbstabschnürungseffekten
im Transistor T1 kann nämlich die
an seinem Source-Anschluss S anstehende Spannung UP2 nicht größer werden
als die Differenz aus der an seinem Gate-Anschluss G anstehenden Spannung
UA und seiner Schwellspannung. Dies ermöglicht einen zuverlässigen Schutz
des Eingangs EA3 der Auswerteeinheit AE2 vor Überspannungen sowohl bei aktiviertem
als auch bei deaktiviertem Spannungsteiler ST2. Die maximale Auswertespannung
UP2 kann durch geeignete Wahl der Ausgangsspannung UA der Steuereinheit
SE2 eingestellt werden.
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Wenn
lediglich ein Überspannungsschutz, jedoch
keine Deaktivierung des Spannungsteilers erforderlich ist, kann
der Gate-Anschluss G auch fest, beispielsweise mit der Versorgungsspannung
UV2, verdrahtet werden.
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Die
Auswerteeinheit AE2 wertet die Auswertespannung UP2 aus und gibt
in Abhängigkeit
vom Ergebnis der Auswertung ein analoges oder diskretes Signal an
einem Ausgang AA3 aus. Das Ausgangssignal wird in nachfolgenden,
nicht gezeigten Schaltungsteilen weiterverarbeitet. Wenn die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur Spannungser fassung in einer geschlossenen Regelschleife, beispielsweise
zur Regelung der Spannung UE2, verwendet werden soll, kann aufgrund
der Selbstabschnürung
des Transistors T1 eine Beschädigung der
Auswerteeinheit AE2 aufgrund von Überspannungen der zu regelnden
Größe zuverlässig verhindert
werden, selbst wenn die zu regelnde Spannung UE2, beispielsweise
aufgrund von Störeinflüssen, Werte
deutlich oberhalb eines einzustellenden Sollwertes annimmt.
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Wie
anhand der gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsformen deutlich wird,
ermöglicht
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eine Spannungserfassung auf Versorgungsspannungsniveau bei reduzierter
Verlustleistung, ohne dass hierfür
spezielle Spannungsbegrenzerschaltungen zum Überspannungsschutz, beispielsweise
in der Auswerteeinheit, notwendig sind.