DE3323905A1

DE3323905A1 - Schaltungsanordnung zum erfassen eines stromes in stromversorgungsgeraeten

Info

Publication number: DE3323905A1
Application number: DE3323905A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Ohms
Original assignee: ANT Nachrichtentechnik GmbH
Current assignee: Bosch Telecom GmbH
Priority date: 1983-07-02
Filing date: 1983-07-02
Publication date: 1985-01-10
Also published as: IT1174197B; IT8421392A0; US4684827A; FR2548377B1; FR2548377A1; CA1248180A; IT8421392A1; DE3323905C2

Description

Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes ■ · in Stromversorgungsgeräten '

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes in Stromversorgungsgeräten. .

Zur Erfassung von Strömen in Strqmversorgungsgeräten ist es üblich, den durch den Strom verursachten Spannungsabfall an einem ohmschen Widerstand auszuwerten. Eine solche Stromerfassung ist beispielsweise bekannt aus der DE-OS 28 22 897, ■ insbesondere Fig. 3. Ein solcher Stromshunt ist insbesondere ' für die Erfassung hoher Ströme sehr teuer. Durch den zusatz-, liehen Einbau'eines solchen Stromshunts verringert sich der, Wirkungsgrad des Stromversorgungsgerätes. Es ist auch denkbar, die Stromerfassung mit Hal I-Effekt-Elementen vorzunehmen Diese Art der Auswertung bringt jedoch Probleme bezüglich Offsetspannungen und Driftneigung.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zum Erfassen" eines Stromes in Stromversorgungsgeräten anzugeben,-welche mit minimalem Aufwand zu realisieren ist und welche keine zusätzlichen Leistungsverluste mit sich.bringt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung bzw. deren Verwendung angegeben. Es ist zwar beispielsweise aus der DE-OS 29 38 533 bekannt, zur Auswertung eines Stromes in Stromversorgungsgeräten einen Stromwandler zu verwenden, jedoch enthält diese Veröffentlichung keine Anregung hinsichtlich der Erfassung des Gleichstromwertes durch Kompensation der magnetischen

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Spannung der Hauptwicklung mittels der transformierten Spannung. ■ ■■■■'■■ ■.

Vorteilhaft bei der erf in'dungsgemäßen Realisierung ist insbesondere die Tatsache, daß kein zusätzlicher Shuntwiderstand erforderlich ist. Es kann die sowieso vorhandene Eingangsf i.lterdrossel zur Stromerfassung herangezogen werden, deren . Kupferwiderstand als Meßfühler verwendet wird. Die Meßwicklung erfüllt gleichzeitig folgende Forderungen:

Die magnetische Spannung der Hauptwicklung und der Temperaturgang des Wicklungswiderstandes der Hauptwicklung wird kompens iert

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine prinzipielle Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung , ■ ·

Fig. 2 einen Buckregler mit einer .Eingangs-Stromerfassungsschaltung,

Fig. 3 eine Drosselausführung mit zusammengeschalteten Teilwicklungen ,

Fig. 4 einen Wickel für eine Drossel mit mäanderförmig ausgestalteter Meßwicklung,

Fig. 5 ein Wickelschema für eine modifizierte Meßwicklung und Fig. 6 einen Spulenkörper.

In Fig. 1 durchfließt der zu erfassende Strom I zwischen Eingangsklemme E und Ausgangsklemme A die Hauptwicklung einer Drossel DR. Die Hauptwicklung HW ist in Fig. 1 dargestellt durch die Ersatzserienschaltung aus dem reinen ohmschen Wicklungswiderstand Ry und der reinen Induktivität L,,. Das .Wicklungsende der Hauptwick.lung HW ist mit dem Wicklungsanfang der Meßwicklung MW - ebenfalls dargestellt durch eine Ersatzserienschaltung aus einem reinen ohmschen .Wicklungs-Widerstand R_M,und einer reinen Induktivität L^ - verbunden,

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dargestellt durch den Verbindungspunkt VP. Der Wicklungssinn ' von Hauptwicklung HW und Me.ßwicklung MW ist derart gewählt, daß beide Spannungspfeile U. und U₂ an den Induktivitäten L_H_ und.Lu zum gemeinsamen Verbindungspunkt VP weisen. Bezüglich' der Wechselspannungstransformation weisen Hauptwicklüng HW und die magnetisch gekoppelte Meßwicklung MW gleiche Windungszahlen auf; d.h. die Windungszahlen" bezüglich der den Drosselkern umschlingenden Wicklungen ist gleich, obwohl die ohmschen

4 Wicklungswiderstände R_H und R_M um den Faktor 10 abweichen können. Da für die Hauptwicklung HW und.für die Meßwicklung MW der gleiche Temperaturgang gefordert ist, muß das Wicklungsmaterial gleich sein, bzw. de.n gleichen relativen "Widerstands-_ temperaturkoeffizienten k · θ aufweisen. j

Das Wicklungsende der Meßwicklung MW ist. an den nichtinver- ; tierenden Eingang V1 der als Operationsverstärker ausgebildeten V.ergleichsstufe VS angeschlossen. Der invertierende Eingang V2 von VS ist an einen Abgreifpunkt AP im Stromkreis des . Stromes 1 angeschlossen.-AP wird vorzugsweise an den Wicklungs anfang oder das Wicklungsende von HW gelegt, damit kein die Kompensation unwirksam machender zusätzlicher Spannungsabfall in den Zuleitungen auftritt. Der Operationsverstärker VS ist durch den Widerstand Rg gegengekoppelt. -Am Ausgang des Operationsverstärkers steht die Ausgangsspannung U_A .zur weiteren Verarbeitung oder als. Anzeigekr.iterium zur Verfügung. ~_t Wie folgende Rechnung zeigt, hängt U_A nur vom zu erfassenden Strom I, den rein ohmschen Wicklungswiderständen und vom Gegenkopplungswiderstand Rg ab. Eine Temperaturabhängigkeit tritt durch die gewählte Schaltungsanordnung nicht auf. .Mit der Knotenänalyse gilt: . . -

V V

Es bedeuten dabei R_H/$\ und R_M($\ die Wicklungswiderstände von Hauptwicklung und Meßwicklung in Abhängigkeit der Temperatur.

Für Ru/^\ und" R_M/_Öχ bestehen folgende Abhängigkeiten:

. · h(Z) - ^RHo-t ^{1 + k} *cu * ^(T - V ^ ■

und ■-...·

-. ./><*) = ^RMo M^+k'*_cu· <^T - V}

wobei Rj^₀ den Wicklungswiderstand der Hauptwicklung bei einer Bezugstemperatur T_Q und R_M' den Wicklungswiderstand der Meßwicklung bei ebenfalls der Bezugstemperatur T bezeichnet. Mit U_cu ist de-r relative Widerstandstemperaturkoeffizient des Wicklungsmaterials Kupfer bezeichnet. Setzt man diese Abhängigkeiten in die aus der Knotenanalyse erhaltene Formel ein, so "erhält man:

R_Ho [ ^{1 + k θ} cu * ^(T - V ^] U_A = Rg · I . _J1° ZU o

' ^RMo ^{C 1 + k θ} cu · (^T - V ^]. Es gilt somit:

^KMo

Die Schaltungsanordnung verhält sich also wie ein rein ohmscher Shuntwiderstand, wobei der sowieso vorhandene Wicklungswider-stand der Hauptwicklung zur Stromerfassung herangezogen wird. •Der Wicklungswiderstand der Meßwicklung MW kompensiert den Temperaturgang des Wicklungswiderstandes der Hauptwicklung MW.

In Fig. 2" ist die Verwendung der Schaltungsanordnung für einen Buckregler gezeigt. Mit E1 und E2 sind die Eingangs- und mit A1 und A2 die Ausgangsklemmen des Buckreglers bezeichnet.

A/-^' ■ .Zwischen Eingangsklemme E1 und dem Schalttransistor Ts .liegt •die Hauptwicklung der Eingangsfilterdrossel DR. Die Eingangsfilterdrossel DR weist eine zusätzliche Meßwicklung MW auf, die wie in Fig. 1 .geschaltet ist. La und Ca sind die ausgangs-—-. seitigen Siebmittel und der Kondensator Ce wirkt zusammen mit der Hauptwicklung HW als eingangsseitiges Siebmittel. Der Kupferwiderstand der Eingangsfilterdrossel DR wird als Meßfühler für den zu erfassenden Strom I des Buckreglers ver-■■ wendet. ■ "- · ■

In Fig. 3. ist eine spezielle Ausführungsform der Drossel DR". '■■ ·. gezeigt. Sie besftzt für die Hauptwicklung. 5 parallel geschal· • . tete Primärteilwicklüngen PW1 ... PW5 und 5 gegenphasig hintet einandergeschaltete Sekundärteilwicklun.gen SW1 ... SW5 für di< Meßwicklung MW. Als-Wechselspannung'fällt-nur eine Wicklungsspannung an. Diese wird im Zweig der Meßwicklung gegenphasig zur Wechselspannung der Hauptwicklung geschaltet., .so daß sich beide aufheben. Voraussetzung für die Kompensation ist es, dal alle Wicklungen den gleichen Temperaturgang aufweisen.

Eine weitere Ausführung der Drossel DR ze.igt Fig. 4. DieHaup' wicklung HW besteht hier aus einem flachen Leiterstreifen LS, auf welchen eine Isolierung IS aufgebracht ist. Auf diese Isolierung sind die Wicklungsdrähte WD der Meßwicklung nebeneinander mäanderförmig aufgeklebt. Der Leiterstreifen LS besi.tzt an seinen Enden Anschlußpunkte. Der Verbindungspun'kt. VP von .Haupt- und Meßwicklung wird durch Anlöten des Wicklungsanfanges von MW an den durch die.Isolierung getrennten Leiter streifen LS'hergestelIt. Der Leiterstreifen LS wird mit den mäanderförmig aufgebrachten Wicklungsdrähten WD auf den Drosselkern, nicht dargestellt, gewickelt.

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In Fig. 5 ist das Wickelschema der Meßwicklung MW für eine modifizierte Drossel dargestellt. Die Wicklungsdrähte WD der Meßwicklüng MW sind auf einem Trägerkörper·Tr aufgebracht, der am Wicklungsanfang VP und Ende V1 Schlitze S1 bis S6 zum Durchführen der Wicklungsdrähte WD aufweist. Der Drahtanfang wird zuerst unter einen durch die zwei Schlitze S1 und S2 gebildeten Steg St1 geführt und verläuft auf der Oberseite des Trägerkörpers Tr parallel zu dessen Längsausdehnung bis zu den Schlitzen S3 und S4 am Wicklungsende. Dort wird der Draht von unten um den Steg St2 geführt, den die Schlitze S3 und S4 bilden. Der Draht läuft nun parallel ebenfalls auf der Oberseite zurück bis,zum Steg St1, umschlingt diesen und läuft zum Steg St2, usw., bis er schließlich das Wicklungsende der Meßwicklung MW erreicht hat. Auf die Meßwicklung MW wird anschließend der. Leiterstreifen LS der Hauptwicklung HW entsprechend Fig. 4 aufgeklebt.

Fig. 6 zeigt einen zylindrischen Spulenkörper SK, der am äußeren Mantel einen eingängigen, schraubenlinienförmig die Zylinderlängsachse umlaufenden, im Querschnitt rechteckigen, dreieckigen oder trapezförmigen Ansatz An aufweist. Als Wickelraum für die entsprechend- Fig. 5 hin- und zurücklaufende Meßwicklung MW und die. darüber geklebte Hauptwicklung HW steht der Abstand zwischen zwei benachbarten Gängen des Ansatzes An - also die Ganghöhe - entsprechend der Bezeichnung bei einer Schraube - zur Verfugung. Anstelle der Schlitzung des Spulenkörpers SK gemäß der Ausführung nach Fig. 4, kann der Spulenkörper- SK im Wickelraum am Wickelanfang und -ende kreisförmige knopfartige Erhebungen tragen, um die der Wicklungsdraht der Meßwicklung an den Umkehrpunkten für das Hin- und Zurückwickeln analog · dem Umschlingen der Stege geschlungen werden kann.

Claims

ANT Nachrichtentechnik GmbH. E7/Sp/ht

Gerberstraße 33 . BK 82/130

D-7150 Backnang ·

Patentansprüche:

Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes (I)Jh' Stromversorgungsgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß eine von diesem Strom (I) "durchflossen· Drossel (DR) eine Meßwicklung (MW) mit gleichem Temperaturgang wie die vom -Strom (I) durchflossene Hauptwicklung (HW) aufweist, daß die Meßwicklung (MW)^- bezüglich der Hauptwicklung (HW) derart gewickelt ist, daß beide Wicklungen (HW, MW) im Sinne der Wechselspannungstransformation gleiche Windungszahlen aufweisen, daß das Wicklungsende der Hauptwicklung (HW) mit dem Wicklungs-" anfang- der Meßwicklung (MW) verbunden ist und daß eine ■ Vergleichsstufe (VS) vorgesehen ist,.deren erster Vergleichseingang (V1) an das Wicklungsende der Meßwicklung (MW) angeschlossen ist und deren zweiter Vergleichseingang (V2) an einen Abgreifpunkt (AP) im Stromkreis des zu erfassenden Stromes (I) angeschlossen ist, welcher in der Nä.he der Drossel (DR) liegt.
2.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich· net, daß die Vergleichsstufe (VS) aus einem stark gegengekoppelten Operationsverstärker besteht.

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3.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung (HW) aus mehreren parallel geschalteten Primärteilwicklungen (PW 1, PW 2, ) besteht und daß

. die Meßwicklung (MW) aus mehreren gegenphasig hintereinander·

geschalteten Sekundärteilwicklungen (SW 1, SW 2, ) auf- ·

.gebaut ist; · ■ ·
4.) Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwicklung (HW) aus einem flachen Leiterstreifen .(LS) besteht ,· daß auf diesen Leiterstreifen zumindest ein-• seitig eine Isolierung (IS) aufgebracht ist und daß auf dieser Isolierung (IS) die Leiterstreifen oder Wicklungs- . drähte (WD) der Meßwicklung (MW) mäanderförmig aufgebracht sind, wobei die Fortpflanzungsrichtung des so gebildeten " Mäanders senkrecht zur Längsrichtung des flachen Leiterstreifens (LS) ausgerichtet ist.
5.) Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung für einen Schalt-■ regler, wobei die Drossel (DR) die Eingangsfilterdrossel des. Schaltreglers darstellt.

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