DE19915593A1 - Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives BauteilInfo
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Abstract
Vorgeschlagen wird eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung, bei der ein Anschluß des induktiven Bauteils mit einem Meßwiderstand verbunden ist und bei der der Stromfluß durch das induktive Bauteil mittels einer von einer Ansteuerschaltung generierten Pulsweitenmodulation gesteuert wird. DOLLAR A Zur Bestimmung der mittleren Stromstärke durch das induktive Bauteil ist dem Meßwiderstand ein Tiefpaß parallel geschaltet und ein dem Tiefpaß nachgeschaltetes von einer Ansteuerschaltung synchron zur Pulsweitenmodulation gesteuertes Ausleseelement vorgesehen.
Description
Induktive Bauteile, bsp. induktive Aktoren, werden in vielen Anwendungsgebieten
eingesetzt, bsp. im Kraftfahrzeugbereich in Steuergeräten als elektro-pneumatische
Wandler oder Proportionalventile (Magnetventile). Diese induktiven Bauteile beste
hen in der Regel aus einem Elektromagneten (einer Spule) und einem beweglichen
Anker, wobei die mit dem Elektromagneten erzeugte und den Anker bewegende
magnetische Feldstärke proportional zum Strom durch den Elektromagneten (die
Spule) ist. Zur Realisierung variabler Ströme und damit variabler magnetischer Feld
stärken, verwendet man oftmals die sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM); bei
dieser wird der Elektromagnet (die Spule) getaktet bestromt, indem von einer An
steuerschaltung ein bestimmtes Tastverhältnis (Puls-Pause-Verhältnis) variierbar
vorgegeben und hierdurch der Stromfluß durch den Elektromagneten (die Spule) und
damit durch das induktive Bauteil eingestellt wird: während der Pulsdauer (Ansteu
erphase) wird der Elektromagnet mit der Versorgungsspannung beaufschlagt, wo
durch der Ansteuerstrom im Ansteuerkreis und damit der Spulenstrom exponentiell
ansteigt; in der Pulspause (Freilaufphase) wird die Versorgungsspannung am Elek
tromagneten abgeschaltet, wodurch der Spulenstrom infolge der Selbstinduktion als
Freilaufstrom in einem Freilaufkreis weiterfließt und sich allmählich wieder abbaut.
In einigen Anwendungsfällen ist es erforderlich, den durch das induktive Bauteil flie
ßenden Strom bzw. den Spulenstrom zu bestimmen - bsp. um auf (insbesondere bei
externen Einflüssen oder Störgrößen auftretende) Veränderungen der Betriebsbe
dingungen des induktiven Bauteils angemessen reagieren zu können (bsp. auf eine
Änderung des Spulenwiderstands infolge Erwärmung); oftmals genügt es jedoch
dabei, nur den arithmetischen Mittelwert des durch das induktive Bauteil fließenden
Stroms bzw. den Mittelwert des Spulenstroms (den mittleren Spulenstrom) zu be
stimmen - bsp. wird die Auslenkung des Ankers durch den mittleren Spulenstrom
bestimmt, der sich aus dem durch die Ansteuerschaltung vorgegebenen Tastver
hältnis der Pulsweitenmodulation, dem Innenwiderstand der Spule und der Höhe der
Versorgungsspannung ergibt.
Üblicherweise erfolgt die Bestimmung des Spulenstroms mittels eines in Reihe zur
Spule geschalteten Meßwiderstands (Shunt), der die Spannungsverhältnisse so ge
ring wie möglich beeinflussen soll; dieser demzufolge niederohmige Meßwiderstand
wird sowohl vom Ansteuerstrom als auch vom Freilaufstrom durchflossen, wobei die
am Meßwiderstand abfallende Spannung ein Maß für den Spulenstrom ist. Aus
schaltungstechnischen Gründen ist oftmals ein Anschluß der Spule mit der Versor
gungsspannung verbunden, d. h. der Meßwiderstand ist an den nicht mit der Versor
gungsspannung verbundenen Anschluß der Spule angeschlossen; hierdurch ergibt
sich jedoch eine aufwendige und störanfällige Bestimmung des Spulenstroms, da
die am niederohmigen Meßwiderstand abfallenden kleinen Spannungen gleichzeitig
bei einer (aufgrund der Änderung des Bezugspotentials für den Meßwiderstand er
forderlichen) großen Gleichtaktunterdrückung gemessen werden müssen. Deshalb
werden hierfür üblicherweise hochgenaue Differenzverstärker eingesetzt, die jedoch
(insbesondere für den Serieneinsatz) sehr teuer sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, die auf einfache und kostengünstige
Weise realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Pa
tentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung ergeben sich aus den weite
ren Patentansprüchen.
Zur Bestimmung des Stroms durch das induktive Bauteil (zur Bestimmung des Spu
lenstroms) ist ein zum Meßwiderstand (Shunt) parallel geschalteter Tiefpaß (d. h. mit
den beiden Anschlüssen des Meßwiderstands verbundener Tiefpaß) und ein dem
Tiefpaß nachgeschaltetes, von der die Pulsweitenmodulation generierenden Ansteu
erschaltung angesteuertes Ausleseelement vorgesehen. Durch den Tiefpaß wird der
Spannungsabfall am Meßwiderstand gemittelt, wobei diese gemittelten Spannungs
werte ein Maß für den Mittelwert des Spulenstroms (den mittleren Spulenstrom)
sowohl in der Freilaufphase als auch in der Ansteuerphase sind; durch das Ausle
seelement werden die gemittelten Spannungswerte gezielt ausgelesen und als Aus
gangsspannung zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt. Da das Ausleseelement
von der gleichen Ansteuerschaltung wie für das Einschalten des Spulenstroms (d. h.
zur Generierung der Pulsweitenmodulation) angesteuert wird, werden die gemittel
ten Spannungswerte während einer Ansteuerphase nur dann zur Weiterverarbeitung
bereitgestellt, wenn die Pegelbedingungen "richtig" sind, d. h. wenn die (immer glei
chen) für ein Auslesen der Spannungswerte geeigneten Spannungsverhältnisse am
Tiefpaß vorliegen.
Durch geeignete Dimensionierung des bsp. aus einem Widerstand und einem Kon
densator bestehenden Tiefpasses - insbesondere wird die Zeitkonstante des Tief
passes passend zur Ansteuerfrequenz der Pulsweitenmodulation vorgegeben - wird
eine Mittelwertbildung des Spulenstroms vorgenommen, die hinreichend genau zur
Weiterverarbeitung ist; d. h. der Strom wird in einen Spannungsabfall am Meßwider
stand als Maß für den Strom durch das induktive Bauteil bzw. für den Spulenstrom
zur Weiterverarbeitung geeignet transformiert.
Zur Verstärkung des gemittelten Spannungsabfalls am Meßwiderstand kann dem
Tiefpaß ein Verstärker nachgeschaltet sein; dieser Verstärker ist bsp. als nicht-
invertierender Operationsverstärker (OPV) ausgebildet, d. h. der Eingang des Ver
stärkers ist mit dem Ausgang des Tiefpasses und der Ausgang des Verstärkers mit
dem Ausleseelement verbunden.
Die Weiterverarbeitung des gemittelten Spannungsabfalls (der Ausgangsspannung)
kann bsp. durch eine dem Ausleseelement nachgeschaltete Auswerteeinheit erfol
gen; diese Auswerteeinheit ist bsp. als Microcontroller ausgebildet, wobei in diesem
Fall das Ausleseelement bsp. als A/D-Wandler des Microcontrollers realisiert wer
den kann, dem der anstehende Meßwert synchron zu einer Ansteuerphase der
Pulsweitenmodulation für die Verarbeitung zur Verfügung gestellt wird.
Vorteilhafterweise wird mit der einfachen und billigen Schaltungsanordnung eine
direkte Strommessung am Meßwiderstand vorgenommen und damit sowohl der
Ansteuerstrom als auch der Freilaufstrom erfaßt, wobei das Auslesen der Meßwerte
nur beim Vorliegen günstiger Spannungsverhältnisse erfolgt.
Die Erfindung soll nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben
werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms
durch das induktive Bauteil,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung.
Gemäß dem Prinzipschaltbild der Fig. 1 besteht die Schaltungsanordnung aus dem
induktiven Bauteil 1, dessen einer Anschluß mit der Versorgungsspannung UB (bsp.
im Kraftfahrzeug mit der Klemme 15) und dessen anderer Anschluß mit dem Meßwi
derstand 2 (Shunt) mit einem Widerstandswert von bsp. 0.1 Ω verbunden ist. Der
Stromfluß durch das induktive Bauteil 1 wird durch ein von einer Ansteuerschaltung
3 mittels Pulsweitenmodulation PWM angesteuertes Schaltelement 4 (bsp. ein Feld
effekt-Transistor) vorgegeben, wobei in der Ansteuerphase der Pulsweitenmodula
tion PWM das Schaltelement 4 geschlossen ist und der Ansteuerstrom IA durch das
induktive Bauteil 1 und den Meßwiderstand 2 fließt, während in der Freilaufphase
der Pulsweitenmodulation PWM das Schaltelement 4 geöffnet ist und der Freilauf
strom IF über die Freilaufdiode 5 fließt.
Zur Bestimmung des Stromflusses durch das induktive Bauteil 1 ist parallel zum
Meßwiderstand 2 der Tiefpaß 6 vorgesehen, der bsp. aus dem Widerstand R1 und
dem Kondensator C1 besteht. Die Spannung UC am Kondensator C1 bzw. am Aus
gang des Tiefpasses 6 ist ein Maß für den direkt am Meßwiderstand 2 gebildeten
Mittelwert des Stroms durch das induktive Bauteil 1. Am Ausgang des Tiefpasses 6
ist ein Ausleseelement 7 angeordnet, das von der Ansteuerschaltung 3 synchron
zum Schaltelement 4 angesteuert wird. Hierdurch wird am Schaltungsausgang A nur
dann eine Ausgangsspannung als Maß für die mittlere Stromstärke durch das induk
tive Bauteil 1 zur Weiterverarbeitung bereitgestellt, wenn der Kondensator C1 des
Tiefpasses 6 mit Bezugspotential (Masse) verbunden ist und die Spannung UC am
Kondensator C1 daher auf einfache Weise ausgelesen werden kann. Diese Span
nung UC als Maß für die mittlere Stromstärke bzw. für den mittleren Stromfluß durch
das induktive Bauteil 1 kann durch eine am Schaltungsausgang A angeschlossene
Auswerteeinheit verarbeitet werden.
Durch geeignete Dimensionierung des parallel zum Meßwiderstand 2 angeordneten
Tiefpasses 6 (insbesondere durch Vorgabe der Zeitkonstante des Tiefpasses 6), d. h.
durch Dimensionierung des Widerstands R1 und des Kondensators C1 unter Be
rücksichtigung der von der Ansteuerschaltung 3 vorgegebenen Ansteuerfrequenz für
die Pulsweitenmodulation PWM, wird eine geeignete Mittelwertbildung vorgenom
men, d. h. der Spannungsabfall am Meßwiderstand 2 wird gemittelt und in einen
leicht verarbeitbaren Meßbereich transformiert. Bsp. beträgt der Widerstandswert
des Widerstands R1 22 kΩ, der Kapazitätswert des Kondensators C1 1µF, so daß
sich bei einer Ansteuerfrequenz für die Pulsweitenmodulation PWM von 140 kHz
eine Dämpfung der Wechselspannung am Meßwiderstand 2 um ca. 26 dB ergibt; bei
einem Widerstandswert des Meßwiderstands 2 von bsp. 0.1 Ω ergibt sich eine Än
derungsrate der am Kondensator C1 anliegenden Kondensatorspannung UC von
0.1 V/A.
Gemäß der Fig. 2 ist zur Verstärkung der am Kondensator C1 anliegenden gemit
telten Spannung UC dem Tiefpaß 6 ein Verstärker 9 nachgeschaltet; der Verstärker 9
ist als nicht-invertierender Operationsverstärker ausgebildet, dessen nicht-
invertierender Eingang (+) mit dem Widerstand R1 und dem Kondensator C1 ver
bunden ist, und an dessen invertierenden Eingang (-) das Rückkoppelnetzwerk mit
den Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist. Der Widerstand R2 des Rückkop
pelnetzwerks ist mit dem Bezugspunkt K verbunden, an dem das Schaltelement 4
und ein Anschluß des Meßwiderstands 2 angeschlossen sind; hiermit wird sicherge
stellt, daß nur die am Kondensator C1 anliegende Spannung UC durch den Operati
onsverstärker 9 verstärkt wird und daß sich die Ausgangsspannung des Operations
verstärkers 9 auf das Potential dieses Bezugspunkts K und nicht auf das Bezugspo
tential (Masse) der Schaltungsanordnung bezieht.
Das von der Ansteuerschaltung 3 mittels Pulsweitenmodulation PWM angesteuerte
Schaltelement 4 ist bsp. als bipolarer Schalttransistor ausgebildet; während einer
Ansteuerphase der Pulsweitenmodulation PWM ist der Schalttransistor 4 leitend, der
Bezugspunkt K liegt daher auf Bezugspotential, so daß die am Operationsverstärker
9 anliegenden Spannungen in dessen Aussteuerbereich liegen. Die Ausgangsspan
nung am Operationsverstärker 9 entspricht der Summe aus der verstärkten Span
nung UC am Kondensator C1 und der Kollektor-Emitter-Spannung des bipolaren
Schalttransistors 4, wobei die Verstärkung des Operationsverstärkers 9 so gewählt
wird, daß die Ausgangsspannung groß gegenüber der Kollektor-Emitter-Spannung
des durchgeschalteten Schalttransistors 4 ist. Am Ausgang des Operationsverstär
kers 9 ist eine als Microcontroller ausgebildete Auswerteeinheit 8 vorgesehen, de
ren Eingangsstufe aus einem das Ausleseelement 7 realisierenden A/D-Wandler
besteht. Der am Eingang des Microcontrollers anstehende Spannungsmeßwert wird
synchron zu einer Ansteuerphase der Pulsweitenmodulation PWM in den A/D-
Wandler 7 übernommen und vom Microcontroller 8 digital weiterverarbeitet.
Claims (6)
1. Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil
(1), wobei ein Anschluß des induktiven Bauteils (1) mit der Versorgungsspan
nung (UB) und der andere Anschluß des induktiven Bauteils (1) mit einem Meß
widerstand (2) verbunden ist, und wobei der Stromfluß durch das induktive Bau
teil mittels einer von einer Ansteuerschaltung (3) generierten Pulsweitenmodula
tion (PWM) gesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Meßwiderstand (2) ein Tiefpaß (6) parallel geschaltet ist,
und daß ein dem Tiefpaß nachgeschaltetes, von der Ansteuerschaltung (3) syn
chron zur Pulsweitenmodulation (PWM) gesteuertes Ausleseelement (7) vorge
sehen ist, an dem eine gemittelte Spannung als Maß für die mittlere Stromstärke
durch das induktives Bauteil (1) anliegt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit
konstante des Tiefpasses (6) in Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz der
Pulsweitenmodulation (PWM) gewählt ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Tiefpaß (6) und dem Ausleseelement (7) ein Verstärker (9) ange
ordnet ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver
stärker (9) als nicht-invertierender Operationsverstärker ausgebildet ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich
net, daß das Ausleseelement (7) als A/D-Wandler ausgebildet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der A/D-
Wandler (7) die Eingangsstufe eines Mikrocontrollers (8) bildet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999115593 DE19915593A1 (de) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1999115593 DE19915593A1 (de) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19915593A1 true DE19915593A1 (de) | 2000-11-16 |
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ID=7903727
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1999115593 Ceased DE19915593A1 (de) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Schaltungsanordnung zur Bestimmung des Stroms durch ein induktives Bauteil |
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