DE3323905C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes gemäß dem Oberbegriff des ersten und des vierten Patentanspruchs sowie eine Anwendung hierzu.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt aus der DE-OS 23 39 856. Diese Anordnung eignet sich jedoch nicht zum Erfassen von Gleichströmen.

Zur Erfassung von Strömen (Gleich- und Wechselströme) in Stromversorgungsgeräten 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 zusätzlichen Einbau eines solchen Stromshunts verringert sich der Wirkungsgrad des Stromversorgungsgerätes. Es ist auch denkbar, die Stromerfassung mit Hall-Effekt-Elementen vorzunehmen. Diese Art der Auswertung bringt jedoch Probleme bezüglich Offsetspannungen und Driftneigung.

Es ist zwar beispielsweise aus der DE-OS 29 38 533 wie auch aus der DE-OS 23 39 856 bekannt, zur Auswertung eines Stromes in Stromversorgungsgeräten einen Stromwandler zu verwenden, jedoch ermöglichen die Gegenstände dieser Druckschriften keine Erfassung des Gleichstromwertes durch Kompensation der magnetischen Spannung der Hauptwicklung mittels der transformierten Spannung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes in Stromversorgungsgeräten anzugeben, welche mit minimalem Aufwand zu realisieren ist und welche einen ohmschen Shuntwiderstand nachbildet, ohne zusätzliche Leistungsverluste zu verursachen. Außerdem soll eine Verwendung aufgezeigt werden.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Anordnung durch die in den Patentansprüchen 1 oder 4 aufgeführten kennzeichnenden Merkmale gelöst. Anspruch 5 zeigt eine vorteilhafte Verwendung.

In den Unteransprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 angegeben.

Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Realisierung ist insbesondere die Tatsache, daß kein zusätzlicher Shuntwiderstand erforderlich ist. Es kann die sowieso vorhandene Eingangsfilterdrossel 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 kompensiert.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigt:

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 R _H und der reinen Induktivität L _H . Das Wicklungsende der Hauptwicklung HW ist mit dem Wicklungsanfang der Meßwicklung MW - ebenfalls dargestellt durch eine Ersatzserienschaltung aus einem reinen ohmschen Wicklungswiderstand R _M und einer reinen Induktivität L _M - verbunden, dargestellt durch den Verbindungspunkt VP. Der Wicklungssinn von Hauptwicklung HW und Meßwicklung MW ist derart gewählt, daß beide Spannungspfeile U₁ und U₂ an den Induktivitäten L _H und L _M zum gemeinsamen Verbindungspunkt VP weisen. Bezüglich der Wechselspannungstransformation weisen Hauptwicklung HW und die magnetisch gekoppelte Meßwicklung MW gleiche Windungszahlen auf; d. h. die Windungszahlen bezüglich der den Drosselkern umschlingenden Wicklungen sind gleich, obwohl die ohmschen Wicklungswiderstände R _H und R _M um den Faktor 10⁴ abweichen können. Da für die Hauptwicklung HW und für die Meßwicklung MW der gleiche Temperaturgang gefordert ist, muß das Wicklungsmaterial gleich sein bzw. den gleichen relativen Widerstandstemperaturkoeffizienten k · ϑ aufweisen.

Das Wicklungsende der Meßwicklung MW ist an den nichtinvertierenden Eingang V 1 der als Operationsverstärker ausgebildeten Vergleichsstufe VS angeschlossen. Der invertierende Eingang V 2 von VS ist an einen Abgreifpunkt AP im Stromkreis des Stromes I angeschlossen. AP wird vorzugsweise an den Wicklungsanfang 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 Anzeigekriterium zur Verfügung. 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 Knotenanalyse gilt:

Es bedeuten dabei R _{H( ϑ )} und R _{M( ϑ )} die Wicklungswiderstände von Hauptwicklung und Meßwicklung in Abhängigkeit der Temperatur.

Für R _{H( ϑ )} und R _{M( ϑ )} bestehen folgende Abhängigkeiten:

R _{H( ϑ ) = R H 0 [1 + k ϑ cu · (T - T 0)] und R M( ϑ ) = R M 0 [1 + k ϑ cu · (T - T 0)] wobei R H 0 den Wicklungswiderstand der Hauptwicklung bei einer Bezugstemperatur T 0 und R M 0 den Wicklungswiderstand der Meßwicklung ebenfalls bei der Bezugstemperatur T 0 bezeichnet. Mit k ϑ cu ist der relative Widerstandstemperaturkoeffizient des Wicklungsmaterials Kupfer bezeichnet. Setzt man diese Abhängigkeiten in die aus der Knotenanalyse erhaltene Formel ein, so erhält man: Es gilt somit: Die Schaltungsanordnung verhält sich also wie ein rein ohmscher Shuntwiderstand, wobei der sowieso vorhandene Wicklungswiderstand 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 E 1 und E 2 sind die Eingangs- und mit A 1 und A 2 die Ausgangsklemmen des Buckreglers bezeichnet. Zwischen Eingangsklemme E 1 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 ausgangsseitigen 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 verwendet. In Fig. 3 ist eine spezielle Ausführungsform der Drossel DR gezeigt. Sie besitzt für die Hauptwicklung 5 parallel geschaltete Primärteilwicklungen PW 1 . . . PW 5 und 5 gegenphasig hintereinandergeschaltete Sekundärteilwicklungen SW 1 . . . SW 5 für die 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, daß alle Wicklungen den gleichen Temperaturgang aufweisen. Eine weitere Ausführung der Drossel DR zeigt Fig. 4. Die Hauptwicklung HW besteht hier aus einem flachen Leiterstreifen LS, auf welchem eine Isolierung IS aufgebracht ist. Auf diese Isolierung sind die Wicklungsdrähte WD der Meßwicklung nebeneinander mäanderförmig aufgeklebt. Der Leiterstreifen LS besitzt an seinen Enden Anschlußpunkte. Der Verbindungspunkt VP von Haupt- und Meßwicklung wird durch Anlöten des Wicklungsanfanges von MW an den durch die Isolierung getrennten Leiterstreifen LS hergestellt. Der Leiterstreifen LS wird mit den mäanderförmig aufgebrachten Wicklungsdrähten WD auf den Drosselkern (nicht dargestellt) gewickelt. In Fig. 5 ist das Wickelschema der Meßwicklung MW für eine modifizierte Drossel dargestellt. Die Wicklungsdrähte WD der Meßwicklung MW sind auf einem Trägerkörper Tr aufgebracht, der am Wicklungsanfang VP und Ende V 1 Schlitze S 1 bis S 6 zum Durchführen der Wicklungsdrähte WD aufweist. Der Drahtanfang wird zuerst unter einen durch die zwei Schlitze S 1 und S 2 gebildeten Steg St 1 geführt und verläuft auf der Oberseite des Trägerkörpers Tr parallel zu dessen Längsausdehnung bis zu den Schlitzen S 3 und S 4 am Wicklungsende. Dort wird der Draht von unten um den Steg St 2 geführt, den die Schlitze S 3 und S 4 bilden. Der Draht läuft nun parallel ebenfalls auf der Oberseite zurück bis zum Steg St 1, umschlingt diesen und läuft zum Steg St 2, 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 Verfügung. 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 Wickeldraht der Meßwicklung an den Umkehrpunkten für das Hin- und Zurückwickeln analog dem Umschlingen der Stege geschlungen werden kann.}

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes (I) in Stromversorgungsgeräten, bei der eine von diesem Strom (I) durchflossene Drossel (DR) eine Meßwicklung (MW) mit gleichem Temperaturgang wie die vom Strom (I) durchflossene Hauptwicklung (HW) aufweist, dadurch gekennzeichnet, 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 Wicklungsanfang der Meßwicklung (MW) verbunden ist und daß eine Vergleichsstufe (VS) vorgesehen ist, deren erster Vergleichseingang (V 1) an das Wicklungsende der Meßwicklung (MW) angeschlossen ist und deren zweiter Vergleichseingang (V 2) an einen Abgreifpunkt (AP) im Stromkreis des zu erfassenden Stromes (I) angeschlossen ist, welcher in der Nähe der Drossel (DR) liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsstufe (VS) aus einem stark gegengekoppelten Operationsverstärker besteht.

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 hintereinandergeschalteten Sekudärteilwicklungen (SW 1, (SW 2, . . . ) aufgebaut ist.

4. Schaltungsanordnung zum Erfassen eines Stromes (I) in Stromversorgungsgeräten, bei der eine von diesem Strom (I) durchflossene Drossel (DR) eine Meßwicklung (MW) mit gleichem Temperaturgang wie die vom Strom (I) durchflossene Hauptwicklung (HW) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wicklungsende der Hauptwicklung (HW) mit dem Wicklungsanfang der Meßwicklung (MW) verbunden ist, daß eine Vergleichstufe (VS) vorgesehen ist, deren erster Vergleichseingang (V 1) an das Wicklungsende der Meßwicklung (MW) angeschlossen ist und deren zweiter Vergleichseingang (V 2) an einen Abgreifpunkt (AP) im Stromkreis des zu erfassenden Stromes (I) angeschlossen ist, welcher in der Nähe der Drossel (DR) liegt, daß die Hauptwicklung (HW) aus einem flachen Leiterstreifen (LS) besteht, daß auf diesen Leiterstreifen zumindest einseitig eine Isolierung (IS) aufgebracht ist und daß auf dieser Isolierung (IS) die Leiterstreifen oder Wicklungsdrähte (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 zur Verwendung für einen Schaltregler, wobei die Drossel (DR) die Eingangsfilterdrossel des Schaltreglers darstellt.