DE3502212A1 - Circuit for full-wave detection of a load current - Google Patents
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Abstract
Description
Schaltung zur Vollweg-Erfassung eines Last stromesCircuit for full-travel detection of a load current
Die Erfassung eines Laststromes ist beispielsweise zur Steuerung von Universal-Reihenschlußmotoren erforderlich, und zwar zur drehzahlstabilen Laststromkompensation. Die Erfassung des Laststromes unter Ausschaltung IC-spezifischer Parameter erfolgt bei einer Versorgung mit nur einer Betriebsspannung bisher nur in einer Halbwelle des Laststromes. Diese bekannte Laststrom-Erfassungsmethode hat jedoch den Nachteil, daß dabei die Reaktionsgeschwindigkeit halbiert wird und außerdem eine Gleichstromkomponente im Laststrom vorhanden ist.The detection of a load current is used, for example, to control Universal series motors required, namely for constant speed load current compensation. The detection of the load current takes place with the deactivation of IC-specific parameters with a supply with only one operating voltage so far only in one half-wave of the load current. However, this known load current detection method has the disadvantage that the reaction rate is halved and also a direct current component is present in the load current.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Erfassung eines Laststromes anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und die eine vollweggleichgerichtete, zum Laststrom proportionale Spannung liefert. Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung zur Vollweg-Erfassung eines Laststromes nach der Erfindung dadurch gelöst, daß sie einen Referenzstrom sowie einen Strom erzeugt, der für den Fall, daß kein Laststrom fließt, absolut gesehen, möglichst gleich dem Referenzstrom ist und der für den Fall, daß ein Laststrom fließt, eine laststromabhängige Komponente aufweist, daß sie einen Differenzstrom erzeugt, der durch Differenzbildung dieser beiden Ströme entsteht, und daß zur Auskopplung des Differenzstromes Auskoppelelemente vorgesehen sind, von denen das eine für die eine Halbwelle und das andere für die andere Halbwelle des Differenzstromes durchlässig ist.The invention is based on the object of a circuit for detection of a load current that does not have these disadvantages and that provides a fully rectified, supplies a voltage proportional to the load current. This task is performed with a circuit for full path detection of a load current according to the invention achieved in that it a reference current and a current generated in the event that no load current flows, seen in absolute terms, is as equal as possible to the reference current and that for the Case that a load current flows, has a load current-dependent component that it generates a differential current by forming the difference between these two currents arises, and that decoupling elements are provided for decoupling the differential current of which one is for one half-wave and the other for the other half-wave of the differential current is permeable.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zur Erzeugung des Referenzstromes ein Transistor und ein Spannungsteiler vorgesehen. Der Spannungsteiler liegt an einer Referenzspannung und sein Teilerpunkt ist mit der Basis des Referenztransistors verbunden. Zwischen den Bezugspunkt und den Emitter des Referenztransistors ist ein Widerstand geschaltet.According to one embodiment of the invention, the reference current is generated a transistor and a voltage divider are provided. The voltage divider is present a reference voltage and its divider point is with the base of the reference transistor tied together. Between the reference point and the emitter of the reference transistor is a resistor switched.
Zur Erzeugung des Stromes mit der laststromabhängigen Komponente ist vorzugsweise ein Transistor vorgesehen, dessen Basis mit dem Teilerpunkt des Spannungsteilers und dessen Emitter über einen Widerstand mit dem Laststromelement verbunden ist. Der zwischen den Bezugspunkt und den Emitter des Referenztransistors geschaltete Widerstand und der Widerstand, der zwischen das Laststromelement und den Emitter desjenigen Transistors geschaltet ist, der zur Erzeugung des Stromes mit der laststromabhängigen Komponente dient, weisen vorzugsweise den gleichen Widerstandswert auf.To generate the current with the load current-dependent component is preferably a transistor is provided, the base of which with the divider point of the voltage divider and the emitter of which is connected to the load current element through a resistor. The one connected between the reference point and the emitter of the reference transistor Resistance and the resistance that exists between the load current element and the emitter that transistor is connected, which is used to generate the current with the load current-dependent Component is used, preferably have the same resistance value.
Zum Invertieren des Referenzstromes ist vorzugsweise eine Stromspiegelschaltung vorgesehen. Das eine Auskoppelelement zum Auskoppeln des Differenzstromes ist beispielsweise ein Transistor und das andere Auskoppeielement eine Diode.A current mirror circuit is preferably used to invert the reference current intended. One decoupling element for decoupling the differential current is, for example one transistor and the other output element a diode.
Die eine Halbwelle des Differenzstromes muß invertiert werden. Dies besorgt beispielsweise eine Stromspiegelschaltung. Der Differenzstrom wird vorzugsweise einem RC-Glied zugeführt, an dem eine Spannung abgenommen werden kann, die dem Laststrom des Laststromelementes proportional ist und die mittels einer Vollweg-Erfassung (Ausnutzung beider Halbwellen) erzeugt ist.One half-wave of the differential current must be inverted. this takes care of a current mirror circuit, for example. The differential current is preferred fed to an RC element, at which a voltage can be taken that corresponds to the load current of the load current element is proportional and that by means of a full path detection (Utilization of both half-waves) is generated.
Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel erläutert.The invention is explained below using an exemplary embodiment.
Die Figur zeigt links oben das Laststromelement TR (beispielsweise ein Triac), dessen Laststrom erfaßt werden soll, und zwar durch Ausnutzung beider Halbwellen des Laststromes. Zwischen das Laststromelement TR und das Bezugspotential ist ein Widerstand R1 geschaltet, der vom Laststrom des Laststromelementes TR durchflossen wird.The figure shows the load current element TR (for example a triac), the load current of which is to be detected, by utilizing both Half waves of the load current. Between the load current element TR and the reference potential a resistor R1 is connected through which the load current of the load current element TR flows will.
Aus Gründen der Geräteminiaturisierung soll die gesamte Schaltung möglichst klein gehalten werden. Dies setzt voraus, daß auch der Widerstand R1 einen kleinen Widerstandswert aufweist, damit an ihm durch die relativ hohen Lastströme keine hohe Verlustleistung entsteht.For reasons of device miniaturization, the entire circuit be kept as small as possible. This assumes that the resistor R1 also has a has a small resistance value, so it is due to the relatively high load currents there is no high power loss.
Der Spannungsabfall am Widerstand R1 soll maximal 100 mV betragen.The voltage drop across resistor R1 should be a maximum of 100 mV.
An und für sich bestünden keine besonderen Schwierigkeiten, auch mittels eines so kleinen Widerstandes R1 eine auswertbare Spannung zu erzeugen, die dem Laststrom des Laststrombauelementes proportional ist. Dies könnte beispielsweise mit Hilfe eines Operationsverstärkers erfolgen. Voraussetzung für eine relativ einfache Vollweg-Erfassung des Laststromes eines Laststrombauelementes wäre jedoch das Vorhandensein von zwei Betriebsspannungen, die aber in vielen Fällen und beispielsweise auch im vorliegenden Fall nicht zur Verfügung stehen.In and of itself there are no particular difficulties, including by means of such a small resistor R1 to generate an evaluable voltage that corresponds to the Load current of the load current component is proportional. This could be, for example be done with the help of an operational amplifier. Requirement for a relatively simple Full-path detection of the load current of a load current component would, however, be present of two operating voltages, which in many cases and, for example, also in in the present case are not available.
Wenn hier von zwei Betriebsspannungen die Rede ist, so sind darunter zwei Spannungen zu verstehen, die eine unterschiedliche Polarität gegenüber dem Bezugspunkt aufweisen. Im vorliegenden Fall sind zwar auch zwei Betriebsspannungen vorhanden, aber keine unterschiedlicher Polarität, da die Referenzspannung Uref und die Betriebsspannung U5 die gleiche Polarität gegenüber dem Bezugspunkt aufweisen.If two operating voltages are mentioned here, they include to understand two voltages that have a different polarity than that Have reference point. In the present case, there are also two operating voltages present, but no different polarity, since the reference voltage Uref and the operating voltage U5 have the same polarity with respect to the reference point.
Die erfindungsgemäße Schaltung dient also der Vollweg-Laststrom-Erfassung für den Fall, daß nur eine Betriebsspannung vorhanden ist und damit keine zwei Betriebsspannungen unterschiedlicher Polarität.The circuit according to the invention is therefore used to detect full-travel load current in the event that only one operating voltage is available and thus no two operating voltages different polarity.
Ziel der erfindungsgemäßen Schaltung der Figur ist es, an der RC-Kombination R6, C1 am Ausgang der Schaltung eine Spannung uA zu erzeugen, die proportional zur Spannung u e am Eingang und damit proportional zur Spannung am Widerstand R1 ist. Dieses wird im Prinzip dadurch erreicht, daß ein Strom erzeugt wird, der für den Fall, daß ein Laststrom fließt, eine vom Laststrom abhängige Komponente aufweist und von dem durch Differenzbildung ein Referenzstrom abgezogen wird, der so bemessen ist, daß er absolut gesehen diejenige Stromgröße aufweist, die der bei Laststromfluß vom Laststrom abhängige Strom bei Laststrom Null aufweist. Durch die Differenzbildung wird ein Differenzstrom erzeugt, der proportional zum Laststrom bzw. zur Spannung am Widerstand R1 ist und eine zur Auswertung geeignete Größe aufweist. Damit beide Halbwellen des Differenzstromes ausgenutzt werden können, sind zwei Auskoppelelemente vorgesehen, von denen sich eines für die Auskopplung einer Halbwelle und das andere für die Auskopplung der anderen Halbwelle eignet.The aim of the inventive circuit of the figure is to the RC combination R6, C1 to generate a voltage uA at the output of the circuit, which is proportional to the Voltage u e at the input and thus proportional to the voltage across resistor R1. This is achieved in principle in that a current is generated for the In the event that a load current flows, it has a component that is dependent on the load current and from which a reference current is subtracted by forming the difference, which is dimensioned in this way is that, viewed in absolute terms, it has the same current magnitude as that when the load current flows has a current dependent on the load current at zero load current. By forming the difference a differential current is generated that is proportional to the load current or voltage is at resistor R1 and has a size suitable for evaluation. So that both Half-waves of the differential current can be used, are two decoupling elements provided, one of which is for the extraction of a half-wave and the other suitable for decoupling the other half-wave.
Zur Erzeugung des Referenzstromes ist bei der Schaltung der Figur ein Referenztransistor T2 vorgesehen, der seine Basisspannung mittels eines Spannungsteilers erhält, der aus den Widerständen R4 und R5 besteht und der zwischen die Referenzspannung Uref und den Bezugspunkt geschaltet ist. Dabei ist der Teilerpunkt des Spannungsteilers mit der Basis des Referenztransistors T2 verbunden. Zwischen den Bezugspunkt und den Emitter des Referenztransistors T2 ist ein Widerstand R3 geschaltet. Der Referenzstrom ist der Kollektorstrom des Referenztransistors T2.To generate the reference current is shown in the circuit of the figure a reference transistor T2 is provided, which its base voltage by means of a voltage divider which consists of resistors R4 and R5 and that between the reference voltage Uref and the reference point is switched. Here is the divider point of the voltage divider connected to the base of the reference transistor T2. Between the reference point and a resistor R3 is connected to the emitter of the reference transistor T2. The reference current is the collector current of the reference transistor T2.
Zur Erzeugung eines Stromes, der bei Laststromfluß eine laststromabhängige Komponente aufweist, ist ein Transistor T1 vorgesehen, dessen Basis ebenfalls mit dem Teilerpunkt des Spannungsteilers (R4, R5) verbunden ist.To generate a current which, when the load current flows, is a load current-dependent one Has component, a transistor T1 is provided, whose base is also with the divider point of the voltage divider (R4, R5) is connected.
Zwischen den Emitter des Transistors T1 und das Laststromelement TR ist ein Widerstand R2 geschaltet. Die beiden Widerstände R2 und R3 sollen möglichst die gleichen elektrischen Eigenschaften und damit auch den gleichen Widerstandswert haben. Dies erreicht man in einfacher Weise dadurch, daß beide Widerstände in einem gemeinsamen Halbleiter-Chip integriert werden.Between the emitter of the transistor T1 and the load current element TR a resistor R2 is connected. The two resistors R2 and R3 should if possible the same electrical properties and thus also the same resistance value to have. This is achieved in a simple manner in that both resistors in one common semiconductor chip can be integrated.
Haben neben den Widerständen R2 und R3 auch die beiden Transistoren T1 und T2 die gleichen elektrischen Eigenschaften (ebenfalls durch gemeinsame Integration erreichbar), so sind für den Fall, daß kein Laststrom fließt, der Kollektorstrom durch den Transistor T1 und der Kollektorstrom durch den Transistor T2 (Referenzstrom) absolut gesehen gleich groß. Beide Ströme fließen über den Punkt M in eine gemeinsame Leitung F. Sie heben sich dann auf und ergeben somit in der Leitung F einen Differenzstrom Idif Null, wenn der Laststrom Null ist und wenn der Referenzstrom Iref invertiert wird.Besides the resistors R2 and R3 also have the two transistors T1 and T2 have the same electrical properties (also through common integration achievable), in the event that no load current flows, the collector current through transistor T1 and the collector current through transistor T2 (reference current) of the same size in absolute terms. Both currents flow into a common one via point M Line F. They then cancel each other out and thus result in a differential current in line F. Idif zero when the load current is zero and when the reference current Iref is inverted will.
Das Invertieren des Referenzstromes 1reif erfolgt im Ausführungsbeispiel durch eine Stromspiegelschaltung, die aus den Transistoren T7, T8 und T9 besteht. Durch das Invertieren wird erreicht, daß der Referenzstrom Iref die umgekehrte Stromrichtung wie der Kollektorstrom des Transistors T1 erhält, so daß es in der Leitung F zu einer Differenzbildung der beiden Ströme kommt. Dieser Differenzstrom ist Null, wenn der Laststrom Null ist. Fließt dagegen ein Laststrom durch das Laststromelement TR, so ist der Kollektorstrom des Transistors T1 absolut gesehen größer als der Referenzstrom 1reif In der Leitung F fließt in diesem Fall ein Strom, der proportional zum Laststrom ist.The reference current 1reif is inverted in the exemplary embodiment by a current mirror circuit consisting of transistors T7, T8 and T9. By inverting it is achieved that the reference current Iref has the opposite current direction as the collector current of transistor T1 receives, so that it is in line F too there is a difference between the two currents. This differential current is zero, when the load current is zero. In contrast, a load current flows through the load current element TR, the collector current of transistor T1 is greater than that in absolute terms Reference current 1reif In this case, a current flows in line F which is proportional to the load current.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird gemäß der Figur jede Halbwelle des Differenzstromes Idif ausgenutzt, und zwar dadurch, daß die eine Halbwelle durch den Transistor T6 und die andere Halbwelle des Differenzstromes Idif durch die Diode D1 ausgekoppelt wird. Die negative Halbwelle, die durch den Transistor T6 ausgekoppelt wird, wird durch die aus den Transistoren T3 und T4 bestehende Stromspiegelschaltung invertiert, so daß beide Halbwellen des Differenzstromes Idif' die dem Punkt A zugeführt werden, die gleiche Richtung haben. Der Transistor T5 hat die Aufgabe, die Kollektor-Emitterspannung des Transistors T4 der Stromspiegelschaltung konstant zu halten. Der Transistor T5 ist zu diesem Zweck zwischen die Basis des Transistors.T4 und den Punkt A geschaltet.In the circuit according to the invention, each half-wave is shown in the figure of the differential current Idif exploited, namely that the one half-wave through the transistor T6 and the other half-wave of the differential current Idif through the diode D1 is decoupled. The negative half-wave that is coupled out through the transistor T6 is made by the current mirror circuit consisting of transistors T3 and T4 inverted, so that both half-waves of the differential current Idif 'are fed to point A. will have the same direction. The task of the transistor T5 is to control the collector-emitter voltage of the transistor T4 of the current mirror circuit to keep constant. The transistor For this purpose, T5 is connected between the base of the transistor T4 and point A.
Der dem Punkt A zufließende Strom wird einer RC-Schaltung zugeführt, die aus dem Widerstand R6 und dem Kondensator C1 besteht. Die Spannung am RC-Glied ist proportional zur Spannung am Widerstand R1 und damit auch proportional zum Laststrom des Bauelementes TR.The current flowing to point A is fed to an RC circuit, which consists of the resistor R6 and the capacitor C1. The voltage on the RC element is proportional to the voltage across resistor R1 and therefore also proportional to the load current of the component TR.
Der Haltestrom für das RC-Glied muß betragsmäßig proportional zum Spannungsabfall am Widerstand R1 gemacht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man für den Fall, daß die Spannung am Widerstand R1 Null ist, den Strom, der über den Widerstand R2 in die Schaltung (El, T1) eingeprägt wird, mittels des gleichgroßen Referenzstromes zu Null macht. Wenn die Spannung am Widerstand Rl dagegen größer als Null ist, ist der Kollektorstrom I1 des Transistors T1 größer als der Kollektorstrom 18 des Spiegeltransistors T8. In diesem Fall ist der Differenzstrom Idif = I1 - I8 und damit proportional zur Spannung am Widerstand R1. Bei negativer Halbwelle (Spannung an R1 negativ) ist der Kollektorstrom I1 des Transistors T1 kleiner als der Kollektorstrom I8 des Transistors T8. In diesem Fall wird der Differenzstrom Idif negativ. Ohne die Diode D1 würde in diesem Fall die Kapazität C1 des RC-Gliedes entladen werden. Ein negativer Differenzstrom Idif muß über den in Basisschaltung betriebenen Transistor T6 in den Stromspiegel (T3, T4, T5) fließen. Der Stromspiegel (T3, T4, T5) invertiert den Differenzstrom Idif' so daß das RC-Glied (R6, C1) auch in der negativen Halbwelle einen Strom erhält, der proportional zur Spannung am Widerstand R1 ist.The amount of the holding current for the RC element must be proportional to the Voltage drop can be made across resistor R1. According to the invention, this is thereby achieved achieved that in the event that the voltage across the resistor R1 is zero, the Current that is impressed into the circuit (El, T1) via the resistor R2, by means of of the same reference current makes zero. When the voltage across the resistor Rl, however, is greater than zero, the collector current I1 of the transistor T1 is greater than the collector current 18 of the mirror transistor T8. In this case the differential current is Idif = I1 - I8 and thus proportional to the voltage across resistor R1. With negative Half-wave (voltage at R1 negative) is the collector current I1 of transistor T1 less than the collector current I8 of the transistor T8. In this In this case, the differential current Idif becomes negative. Without the diode D1 would in this case the capacitance C1 of the RC element are discharged. A negative differential current Idif must be connected to the current mirror (T3, T4, T5) flow. The current mirror (T3, T4, T5) inverts the differential current Idif ' so that the RC element (R6, C1) also receives a current in the negative half-wave, which is proportional to the voltage across resistor R1.
Ziel der Erfindung ist also eine abgleichfreie Transformation der Wechselspannungsgröße ue = f (iLast) in eine vollweg-gleichgerichtete Ausgangsspannung u = k- uE . Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung noch rechnerisch erläutert. Der über den Triac TR gesteuerte Last strom ruft am Widerstand R1 einen Spannungsabfall ue = iL-R1 hervor. Die beiden Eingangsklemmen El und E2 der Schaltung haben ein durch die Widerstände R4 und R5 definiertes Potential von Für den Fall, daß die Widerstände R2 und R3 gleich sind, können die Spannungen über den UBE -Strecken der Transistoren T1 und T2 bei ue = 0 wegen der gleichen Ströme als identisch angesetzt werden. Dies gilt vor allem bei Realisierung der Schaltung in integrierter Technik.The aim of the invention is therefore an adjustment-free transformation of the alternating voltage variable ue = f (iLast) into a fully-wave rectified output voltage u = k-uE. In the following, the mode of operation of the circuit according to the invention will be explained mathematically. The load current controlled via the triac TR causes a voltage drop ue = iL-R1 across the resistor R1. The two input terminals E1 and E2 of the circuit have a potential defined by the resistors R4 and R5 In the event that the resistors R2 and R3 are the same, the voltages across the UBE paths of the transistors T1 and T2 at ue = 0 can be assumed to be identical because of the same currents. This is especially true when the circuit is implemented using integrated technology.
Unter diesen Umständen fließt im Kollektor des Transistors T8 über den Stromspiegel T7 8, 9 ideal betrachtet der gleiche Strom wie im Kollektor des Transistors T1. Auskoppelelement T6 (für negative Halbwelle IR2 kleiner IR3) und das Auskoppelelement D1 (für positive Halbwelle (IR2 kleiner IR3)) sind damit stromlos.Under these circumstances, overflows in the collector of transistor T8 the current mirror T7 8, 9 ideally considered the same current as in the collector of the Transistor T1. Outcoupling element T6 (for negative half-wave IR2 less than IR3) and the decoupling element D1 (for positive half-wave (IR2 less than IR3)) are thus de-energized.
Die Ausgangsspannung am Punkt A (C1 unberücksichtigt) ergibt sich wie folgt: = = iR2 - iR3 iR2 = (u1 + tu )/R2 iR3 U/R3 iA = (u1 + #ue - u1)/R = Aue /R (R2 = R3 = R) uA = 1 R6 = u R6/R = k #Aue.The output voltage at point A (C1 not taken into account) results as follows: = = iR2 - iR3 iR2 = (u1 + tu) / R2 iR3 U / R3 iA = (u1 + #ue - u1) / R = Aue / R (R2 = R3 = R) uA = 1 R6 = u R6 / R = k #Aue.
A e e Damit ist die Spannung uA am Ausgangspunkt A proportional zur Spannung ue am Widerstand R1. A e e Thus the voltage uA at the starting point A is proportional to Voltage ue at resistor R1.
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: TEMIC TELEFUNKEN MICROELECTRONIC GMBH, 7100 HEILBR |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: TEMIC SEMICONDUCTOR GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ATMEL GERMANY GMBH, 74072 HEILBRONN, DE |