DE19743346C2 - Schaltungsanordnung zur getakteten Stromregelung von induktiven Lasten - Google Patents

Schaltungsanordnung zur getakteten Stromregelung von induktiven Lasten

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur getakte­ ten Stromregelung von induktiven Lasten gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bei der getakteten Stromregelung von induktiven Lasten, wie es z. B. bei der Drehzahlregelung von Gleichstrom-Motoren oder bei Schaltnetzteilen üblich ist, ist es oft erforder­ lich, die Amplitude des Stromes durch die induktive Last zu messen und abhängig hiervon das Taktverhältnis der Stromrege­ lung einzustellen. Ein Beispiel für eine solche getaktete Stromregelung ist in DE 91 05 697 U1 der Anmelderin be­ schrieben worden. Das in dieser Veröffentlichung beschriebene Schaltnetzteil weist einen in Serie zur Primärwicklung des Übertragers angeordneten Leistungs-MOSFET auf, dem ein sog. Shuntwiderstand in Serie zur Masse hin geschaltet ist. Die an diesem Widerstand abfallende Spannung wird als den Laststrom durch den Leistungs-MOSFET proportionales Signal erfaßt und als Regelsignal der den Leistungs-MOSFET ansteuernden Steuer­ einrichtung zugeführt.
Problematisch bei dieser Stromerfassung ist der in Serie zum Leistungsschalter vorgesehene Shuntwiderstand, weil dieser Verlustleistung erzeugt. Ein solcher Shuntwiderstand bzw. Se­ rienwiderstand zur induktiven Last war aber bisher die einzi­ ge angewandte Möglichkeit, um den Strom der induktiven Last zu erfassen. Neben der erhöhten Verlustleistung der Schal­ tungsanordnung mußte ein solcher Shuntwiderstand bisher re­ gelmäßig auch als separates Bauelement, der nicht integrier­ bar war, vorgesehen werden.
In der US 5,612,610 ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, die einen Abwärtswandler mit einer Diode, einem Schalter und einer Induktivität aufweist. Der Strom durch die Diode bzw. die Induktivität wird über eine Meßeinrichtung gemessen, wäh­ rend der Schalter geöffnet ist.
Die vorliegende Erfindung hat deshalb das Ziel, eine Schal­ tungsanordnung zur getakteten Stromregelung von induktiven Lasten anzugeben, bei der der durch die induktive Last flie­ ßende Strom ohne oder zumindest mit verminderter Verlustlei­ stung erfaßbar ist.
Diese Ziel wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung beruht also im we­ sentlichen darauf, parallel zur induktiven Last eine Frei­ laufanordnung mit Meßeinrichtung zu schalten, um die Strom­ messung während des Offen-Zustandes der Schalteinrichtung vorzusehen. Wenn die Schalteinrichtung eingeschaltet wird, steigt bekanntlich der Strom in der induktiven Last an. Nach dem Ausschalten der Schalteinrichtung, also deren Offen- Zustand, kann dagegen der Strom im Freilaufkreis weiterflie­ ßen. Der im Freilaufkreis bei abgeschalteter Schalteinrich­ tung fließende Strom wird erfindungsgemäß detektiert. Dieser Freilaufstrom ist ein Maß für den im eingeschalteten Zustand durch die induktive Last fließenden Strom und kann somit zu erforderlichen Regelzwecken ausgewertet werden.
Der entscheidende Vorteil einer solchen Strommessung im Ver­ gleich zu dem sonst üblichen Shuntwiderstand besteht in der nahezu verlustfreien Möglichkeit, den Strom zu erfassen.
Bei der Erfindung ist die Freilaufanordnung durch eine parallel zur induktiven Last ge­ schaltete erste Diode realisiert. Zur Erfassung des durch die induktive Last fließenden Stromes ist parallel zu dieser Diode eine zweite Diode geschaltet. Die Kathodenan­ schlüsse beider Dioden stehen miteinander in Verbindung und sind an einen Anschluß der integrierten Last angeschlossen. Die Anodenanschlüsse beider Dioden sind jeweils an einen an­ deren Eingang eines Operationsverstärkers geschaltet, an des­ sen Ausgang ein dem zu messenden Strom entsprechendes Signal durch die Meßeinrichtung erfaßt wird.
Der Eingang des Opera­ tionsverstärkers, der mit der oben erwähnten zweiten Diode in Verbindung steht, kann über einen ohmschen Widerstand mit dem Ausgang des Operationsvertärkers in Verbindung stehen.
Die oben erwähnten beiden Dioden können auch als geschaltete Dioden, z. B. durch MOSFET, realisiert sein. Zweckmäßigerwei­ se ist hierbei auch die Schalteinrichtung als MOSFET reali­ siert. Die Ansteuerung der Schalteinrichtung und der geschal­ teten Dioden, also der insgesamt drei MOSFET, erfolgt durch ein hierfür geeignete Ansteuereinrichtung.
Die erwähnten beiden Dioden bzw. geschalteten Dioden sind zweckmäßigerweise in einen Halbleiterkörper monolithisch in­ tegriert, um eine Temperaturunabhängigkeit der Messung zu ge­ währleisten.
Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Prinzipschaltbild zum getakteten Ansteuern einer induktiven Last, der ein Freilaufzweig parallel ge­ schaltet ist,
Fig. 2 Strom- und Spannungsverläufe zur Schaltungsanord­ nung von Fig. 1,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsan­ ordnung mit Strommeßschaltung nach der Erfindung,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsan­ ordnung nach der Erfindung mit Strommeßschaltung, und
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsan­ ordnung mit Strommeßschaltung nach der Erfindung.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild einer Halbbrückenschal­ tung mit Freilaufkreis gezeigt. Die Schaltungsanordnung weist zwei Versorgungsspannungsklemmen 1, 2 auf. Die erste Versor­ gungsspannungsklemme 1 ist an positives Potential +V und die zweite Versorgungsspannungsklemme 2 mit Bezugspotential in Verbindung. Zwischen den beiden Versorgungsspannungsklemmen 1, 2 ist die Serienschaltung einer Schalteinrichtung 1 und einer induktiven Last L angeordnet, wobei die induktive Last L mit der Versorgungspannungsklemme 2 in Verbindung steht und damit mit einem Anschluß an Bezugspotential gelegt ist. Par­ allel zur induktiven Last L ist eine Diode D1 als Freilaufdi­ ode geschaltet. Hierfür ist der Kathodenanschluß der Diode D1 mit dem Verbindungspunkt der induktiven Last L und der Schalteinrichtung S1 in Kontakt. Der Anodenanschluß der Diode D1 ist an Bezugspotential geschaltet.
Wie aus den Signalverläufen von Fig. 2 ersichtlich, stellt sich beim Ein- und Ausschalten der Schalteinrichtung S1 ein Stromfluß durch die induktive Last L ein, der von einem vor­ gegebenen Wert während den Einschaltphasen der Schalteinrich­ tung S1 langsam ansteigt, um dann während der Ausschaltpha­ sen, also während des Offen-Zustandes der Schalteinrichtung S1, wieder leicht abzufallen. Wird die Schalteinrichtung S1 wieder geschlossen, wiederholt sich der Vorgang und der Strom I steigt wieder leicht an bis zum Abschalten der Schaltein­ richtung S1.
Der Stromfluß während der Ausschaltphasen der Schalteinrich­ tung S1 wird durch den durch die Diode D1 gebildeten Freilauf sichergestellt. Bei ausgeschalteter Schalteinrichtung S1 kann nämlich der von der induktiven Last L gespeicherte Strom über die Diode D1 nach Bezugspotential abfließen. Während der Einschaltphasen der Schalteinrichtung S1 fällt an der Diode D1 eine Spannung U1 ab, die etwa dem Versorgungsspannungspo­ tential +V entspricht. Ist die Schalteinrichtung S1 dagegen ausgeschaltet, fällt an der Diode D1 etwa eine Spannung von -0,7 Volt ab.
Die Erfassung des Stromes erfolgt während den Offen-Zuständen der Schalteinrichtung S1 beispielhaft in folgender Art und Weise.
In Fig. 3 ist parallel zur Diode D1 eine zweite Diode D2 ge­ schaltet. Der Kathodenanschluß dieser zweiten Diode D2 ist mit dem Kathodenanschluß der Diode D1 in Verbindung und damit ebenfalls an den Verbindungspunkt der Schalteinrichtung S1 und der induktiven Last L geschaltet. Der Anodenanschluß der Diode D1 ist mit dem nicht invertierenden Eingang und der An­ odenanschluß der Diode D2 mit dem invertierenden Eingang ei­ nes Operationsverstärkers OP in Verbindung. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP ist zusätzlich über ei­ nen ohmschen Widerstand R mit dem Ausgang des Operationsver­ stärkers OP in Kontakt. Am Ausgang des Operationsverstärkers OP ist eine Meßeinrichtung M anschließbar, die bezogen auf das Bezugspotential die Spannung am Ausgang des Operations­ verstärkers OP erfaßt. Das am Ausgang des Operationsverstär­ kers OP anstehende Spannungssignal ist ein Maß für den durch die induktive Last L fließenden Strom und kann deshalb zu Re­ gelzwecken bei einer getakteten Ansteuerung der Schaltein­ richtung S1 herangezogen werden.
Die Diode D2 ist kleiner dimensioniert als die Diode D1, d. h. daß die wirksame Diodenfläche der Diode D2 ist kleiner als die wirksame Diodenfläche der Diode D1 ausgebildet. For­ ciert man durch diese zweite Diode D2 so viel Strom, daß die Anodenspannung die Diode D2 auch 0 Volt beträgt, entsteht folgender Zusammenhang:
I1/I2 = AD1/AD2,
wobei I1 der durch die Diode D1 fließende Strom und I2 der durch die Diode D2 fließende Strom ist. AD1 entspricht der wirksamen Diodenfläche der Diode D1 und AD2 der wirksamen Di­ odenfläche der Diode D2.
Darüber hinaus gilt auch folgender Zusammenhang:
U0 = R . I2 = R . I1 . AD2/AD1.
Die Dioden D1 und D2 sind vorzugsweise in einen gemeinsamen Halbleiterkörper monolithisch integriert, um die oben erwähn­ te Proportionalität der Ströme I1/I2 temperaturunabhängig zu gewährleisten.
In Fig. 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung von Fig. 3 ist die induktive Last L jetzt mit einer Klemme direkt an die Versorgungsspannungs­ klemme 1 und damit an positives Potential +V und mit dem an­ deren Anschluß über die Schalteinrichtung S1 an Bezugspoten­ tial und damit die Versorgungsspannungsklemme 2 geschaltet. Der Anodenanschluß der Diode D1 ist jetzt mit dem Verbin­ dungspunkt der Schalteinrichtung S1 und der induktiven Last L in Kontakt. Die Kathodenanschlüsse der beiden Dioden D1 und D2 sind einerseits mit der Versorgungsspannungsklemme 1 und andererseits mit dem nicht invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers OP verbunden. Der Anodenanschluß der Diode D2 ist, wie auch in Fig. 3, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und mit einem Anschluß des ohm­ schen Widerstandes R in Kontakt. Der andere Anschluß des ohm­ schen Widerstandes R ist wiederum mit dem Ausgang des Opera­ tionsverstärkers OP in Verbindung. Die Meßeinrichtung M ist dazu vorgesehen, den zwischen der Versorgungsspannungsklemme 1 und dem Ausgang des Operationsverstärkers OP bestehenden Spannungsunterschied zu messen.
Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel. Die im Zusam­ menhang mit den Fig. 2 und 4 erläuterten Dioden D1, D2 sind jetzt durch geschaltete Dioden erstetzt, indem zwei MOSFET T1, T2 vorgesehen sind. Die beiden Drainanschlüße D der MOSFET T1, T2 sind mit der Schalteinrichtung S1 in Verbin­ dung. Der Sourceanschluß S des MOSFET T1 ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und der Sourceanschluß des MOSFET T2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP in Kontakt. Die Drain-Source- Strecken der beiden MOSFET T1, T2 sind jeweils durch Schutz­ dioden DS überbrückt. Die Gateanschlüße G beider MOSFET T1, T2 sind miteinander in Verbindung und mit einer in Fig. 5 der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Ansteu­ ereinrichtung in Verbindung. Die Ansteuereinrichtung sorgt dafür, daß im ausgeschalteten Zustand der Schalteinrichtung S1 die MOSFET T1, T2 eingeschaltet werden, um ein Freilaufen des zuvor durch die induktive Last L fließenden Stromes si­ cherzustellen.
Wie in Fig. 5 angedeutet, kann die Schalteinrichtung S1 eben­ falls durch einen MOSFET realisiert sein.
Strichliert ist in Fig. 5 die Möglichkeit angedeutet, den die Schalteinrichtung S1 bildenden MOSFET und die beiden MOSFET T1, T2 in einen gemeinsamen Halbleiterkörper als integrierten Schaltkreis 50 zu integrieren. Ein solcher integrierter Schaltkreis 50 muß von außen zugängliche Anschlußklemmen a, b, c, d, e und f aufweisen, um einerseits die Ansteuermög­ lichkeit der Schalteinrichtung S1 und der MOSFET T1, T2 über die Klemmen e und f sicherzustellen und andererseits An­ schlußmöglichkeiten für die induktive Last L und den Operati­ onsverstärker OP zu gewähren.
Das Stromverhältnis durch die MOSFET T1, T2 entspricht dem Verhältnis der Zellenzahl NT1/NT2, also
I1/I2 = NT1/NT2.
Bezugszeichenliste
1
Versorgungsspannungsklemme
2
Versorgungsspannungsklemme
50
integrierter Schaltkreis
a. . .f Klemmen
D Drainanschluß
D1 Diode
D2 Diode
G Gateanschluß
I1 Strom
I2 Strom
IL Laststrom
ILL Freilaufstrom
L induktive Last
M Meßeinrichtung
OP Operationsverstärker
R Widerstand
S Sourceanschluß
S1 Schalteinrichtung
t Zeit
T1 Transistor
T2 Transistor
V0 Spannung
V1 Spannung

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung zur getakteten Stromregelung von in­ duktiven Lasten (L) mit einer zwischen zwei Versorgungsspan­ nungsklemmen (1, 2) geschalteten Reihenschaltung einer Schalteinrichtung (S1) und einer induktiven Last (L) sowie mit einer Meßeinrichtung (M) zum Erfassen eines dem Strom durch die induktive Last (L) entsprechenden Signals, wobei parallel zur induktiven Last (L) eine Diode (D1) und die Meßeinrichtung (M) geschaltet ist zur Strommessung während des Offen-Zustandes der Schalteinrichtung (S1), dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur ersten Diode (D1) eine zweite Diode (D2) ge­ schaltet ist, daß die Kathodenanschlüsse (K) der beiden Di­ oden (D1, D2) miteinander verbunden und gemeinsam an eine Klemme der induktiven Last (L) geschaltet sind, und daß die Anodenanschlüsse beider Dioden (D1, D2) an jeweils eine ande­ re Eingangsklemme eines Operationsverstärkers (OP) geschaltet sind, und daß am Ausgang des Operationsverstärkers (OP) ein dem durch die induktive Last (L) fließenden Strom entspre­ chendes Signal in der Meßeinrichtung (M) erfaßbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (OP) und dem Eingang, an dem die zweite Diode (D2) geschaltet ist, ein ohmscher Widerstand (R) geschaltet ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Diodenfläche der zweiten Diode (D2) kleiner als die wirksame Diodenfläche der ersten Diode (D1) ausgebil­ det ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden (D1, D2) als geschaltete Dioden durch Transistoren (T1, T2) gebildet sind.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Last (L) mit einem Anschluß an die an Be­ zugspotential zu legende Versorgungsspannungsklemme (2) und mit dem anderen Anschluß über die Schalteinrichtung (S1) an die an positives Versorgungspotential zu legende Versorgungs­ spannungsklemme (1) geschaltet ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Last (L) mit einem Anschluß an die an posi­ tives Versorgungspotential zu legende Versorgungsspannungs­ klemme (1) und mit dem anderen Anschluß über die Schaltein­ richtung (S1) an die an Bezugspotential zu legende Versor­ gungsspannungsklemme (2) geschaltet ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (S1) als Leistungs- Halbleiterschalter und insbesondere als Leistungs-MOSFET aus­ gebildet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (S1) und die Dioden (D1, D2) in ei­ nen gemeinsamen Halbleiterkörper als integrierter Schaltkreis (50) integrierend angeordnet sind.
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