DE4336726A1 - Schaltung zur Strommessung - Google Patents
Schaltung zur StrommessungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Strommessung nach dem Ober
begriff des Anspruchs 1.
Üblicherweise wird der in einer Leitung fließende Strom mit Hilfe eines Widerstands
gemessen, der diesen Strom in einen meßbaren Spannungsabfall umwandelt. Diese
Anordnung weist den Nachteil auf, daß zur Extraktion des geringen Spannungs
abfalls an dem Widerstand eine aufwendige elektronische Schaltung notwendig ist,
wenn dieser Spannungsabfall einer wesentlich höheren Spannung auf der Leitung
überlagert ist.
Es besteht daher die Aufgabe, eine derartige Schaltung zur Strommessung so wei
terzubilden, daß sie auf einfache Weise ausgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Schaltung;
Fig. 2 eine detailgenauere Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Schaltung;
Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Schaltung; und
Fig. 4 eine detailgenauere Darstellung der in Fig. 3 gezeigten Schaltung.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Schaltung 1 in eine elektrische Leitung 2 einge
schaltet ist, entlang welcher der Strom Im fließt. Die Schaltung umfaßt ein Bauteil
3, beispielsweise einen Widerstand, zur Erzeugung eines Spannungsabfalls entlang
der Leitung 2 und zwei Elemente 4 und 5, welche an einander gegenüberliegenden
Seiten dieses Bauteils mit der Leitung 2 verbunden sind. Der durch das erste Ele
ment 4 fließende Strom ist ein Referenzstrom Iref und das erste Element 4 erzeugt
eine intermediäre Steuerspannung Vc, welche an das zweite Element 5 angelegt wird.
Der Stromfluß durch das zweite Element 5 ist mit Iout bezeichnet und wird durch die
Steuerspannung Vc gesteuert. Ohne das den Spannungsabfall verursachende Bau
teil 3 wäre der Ausgangsstrom Iout gleich dem Referenzstrom Iref, welcher durch
das erste Element 4 fließt. Das Bauteil 3 erzeugt jedoch eine Offset-Spannung Vo
auf der Leitung 2, so daß der Ausgangsstrom infolge der Modulation der effektiven
Steuerspannung Vc geändert wird.
Aus der detailgenaueren Darstellung in Fig. 2 ist ersichtlich, daß das den Span
nungsabfall bewirkende Bauteil 3 ein Widerstand ist und die beiden Elemente 4 und
5 bipolare PNP-Transistoren sind. Die Transistoren 4 und 5 sind mit ihren Emittern
an die Leitung 2 angeschlossen und mit ihren Basen miteinander verbunden. Die
Kollektoren der beiden Transistoren 4 und 5 sind über entsprechende Widerstände
7 und 8 mit einer auf 0 Volt liegenden Schiene 6 verbunden. Der an den ersten
Transistor 4 angeschlossene Widerstand 7 hat den Wert r, während der an den
zweiten Transistor 5 angeschlossene Widerstand 8 den Wert r/2, also den halben
Wert von r, aufweist. Die am Widerstand 8 anliegende Spannung Vout ist die Aus
gangsspannung der Schaltung 1, aus welcher der in der Leitung 2 fließende Strom
Im berechnet werden kann. Der Referenzstrom Iref führt zu einem Spannungsabfall
am Emitterwiderstand des ersten Transistors 4, welcher über die Basisspannung dem
zweiten Widerstand 8 zugeführt wird. Ohne den Spannungsabfall, welcher durch den
Stromfluß durch den Widerstand 3 bewirkt wird, wäre der vom zweiten Transistor
5 erzeugte Strom Iout gleichgroß wie der Referenzstrom Iref Der Spannungsabfall
an dem Widerstand 3 führt jedoch zu einer Modulation der effektiven Emitterspan
nung im zweiten Transistor 5 und ändert somit den Ausgangsstrom Iout. Dies führt
wiederum zu einer Änderung der Ausgangsspannung Vout, welche auf Erde, und nicht
auf die Spannung Vcc der Leitung 2 bezogen ist.
Der entlang der Leitung 2 in Richtung des in Fig. 2 eingetragenen Pfeils fließende
Strom Im führt zu einer Erniedrigung der Ausgangsspannung Vout; ein in die entge
gengesetzte Richtung fließender Strom würde zu einer Erhöhung von Vout führen.
In der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist der Referenzstrom Iref und damit die
Ausgangsspannung Vout, proportional zur Spannung Vcc auf der Leitung 2. Diese
Abhängigkeit kann beseitigt werden, indem eine herkömmliche Vorrichtung 9 zur
Erzeugung eines Referenzstroms konstanter Größe eingebaut wird.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung kann nachteilig sein, weil die Tempe
raturabhängigkeit des Emitterwiderstands des Transistors zu Änderungen der
Verstärkung mit der Temperatur führen kann.
In den Fig. 3 und 4 ist eine alternative Schaltung dargestellt, mit der diese
Änderungen vermindert werden können. Beide Fig. 3 und 4 beziehen sich auf
die gleiche Schaltung, wobei Fig. 3 eine schematische Darstellung und Fig. 4 eine
detailgetreuere Darstellung ist. Die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Kompo
nenten, welche den Komponenten aus den Fig. 1 und 2 entsprechen, sind mit
gegenüber diesen um 10 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet.
Bei dieser Schaltung ist eine zweite Offset-Spannung Vo2 zur Anpassung an die
Offset-Spannung Vo1, welche an dem Widerstand 13 anliegt, vorgesehen. Zwei
Widerstände 19 und 20, welche den gleichen Wert aufweisen, sind zwischen der
Stromleitung 12 und entsprechende Transistoren 14 und 15 eingeschaltet. Die Wi
derstände 17 und 18 zwischen den Kollektoren der Transistoren 14 und 15 und der
auf 0 Volt liegenden Schiene 16 weisen ebenfalls den gleichen Wert auf und die am
Widerstand 18 anliegende Ausgangsspannung wird der Basis eines dritten Transi
stors 21 zugeführt. Der Emitter dieses dritten Transistors 21 ist mit dem Emitter
des ersten Transistors 14 verbunden und sein Kollektor ist mit der auf 0 Volt liegen
den Schiene 16 über einen Widerstand 22 verbunden. Die Ausgangsspannung Vout
wird am Widerstand 22 abgenommen.
Wenn durch die Leitung 12 ein Strom Im in Pfeilrichtung fließt, führt dies zu einer
Asymmetrie des von den beiden Transistoren 14 und 15 erzeugten Stromspiegels.
Hierdurch wird der dritte Transistor 21 vorgespannt, so daß in diesen Transistor ein
Strom Iout fließt. Der Strom Iout erhöht den Spannungsabfall am Widerstand 19 bis
die Emitter der beiden Transistoren 14 und 15 wieder auf gleicher Spannung sind.
Aus der Gleichheit von Vo2 und Vo1 folgt:
Iout × R1 = Im × R
wobei R1 der Wert des Widerstands 19 und R der Wert des Widerstands 13 ist.
Iout × R1 = Im × R
wobei R1 der Wert des Widerstands 19 und R der Wert des Widerstands 13 ist.
Daraus ist ersichtlich, daß der Wert des Stroms Im unmittelbar aus Iout oder Vout
bestimmt werden kann. Sowohl Iout als auch Vout sind unabhängig vom Strom
fluß durch die Transistoren 14 und 15 und damit von der Spanung Vcc auf der
Leitung 12. Die Offset-Spannung Vo2 hat die Wirkung, Iout auf dem Wert von Iref
zu halten, so daß Verstärkungsvariationen und Nichtlinearitäten das Ausgangssignal
der Schaltung nicht beeinflussen.
Die Erfindung ermöglicht die Ausschaltung der großen, gemeinsamen Signalkom
ponenten, also der Spannung auf der Leitung und somit die einfache Messung des
Spannungsabfalls am Meßwiderstand.
Claims (9)
1. Schaltung zur Strommessung innerhalb einer ersten Leitung (2, 12) mit einem
Widerstand (3, 13) zur Erzeugung eines Spannungsabfalls in dieser Leitung (2,
12), dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein erstes Element (4, 14)
umfaßt, welches auf einer Seite des Widerstands (3, 13) mit der ersten Leitung
(2, 12) so verbunden ist, daß ein erster Strom durch das erste Element (4, 14)
fließt, sowie ein zweites Element (5, 15), welches auf der gegenüberliegenden
Seite des Widerstands (3, 13) so mit der ersten Leitung (2, 12) verbunden
ist, daß ein zweiter Strom durch das zweite Element (5, 15) fließt, das erste
Element (4, 14) mit dem zweiten Element (5, 15) so verbunden ist, daß es den
durch das zweite Element (5, 15) fließenden zweiten Strom steuert, und die
Schaltung aus dem zweiten Strom ein Ausgangssignal bildet, welches dem auf
der ersten Leitung (2, 12) fließenden Strom entspricht.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ele
ment einen Transistor (4, 14) umfaßt.
3. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Element einen Transistor (5, 15) umfaßt.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basen der
Transistoren (4, 15; 14, 15) miteinander verbunden sind.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren
(4, 5; 14, 15) zwischen der ersten Leitung (2, 12) und einer auf 0 Volt liegenden
Leitung (6, 16) geschaltet sind.
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren
(4, 5; 14, 15) über entsprechende Widerstände (7, 8; 17, 18) mit der auf 0 Volt
liegenden Leitung (6, 16) verbunden sind.
7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände
(7, 8; 17, 18) verschiedene Werte aufweisen.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal aus der an dem Widerstand (8, 18) anliegenden Span
nung gebildet wird, welcher zwischen einem Transistor (5, 15) und der auf 0
Volt liegenden Leitung (6, 16) geschaltet ist.
9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangs
spannung der Basis eines dritten Transistors (21) zugeführt wird.
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