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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur bidirektionalen
Messung unipolarer Ströme gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zur bidirektionalen Messung unipolarer Ströme gemäß Anspruch 9.
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Zur
Strommessung unter Verwendung von Wechselstromsensoren oder Gleichstromsensoren bzw.
Allstromsensoren sind bereits verschiedene Verfahren bekannt, wie
beispielsweise eine Strommessung mittels einem Stromtransformator
für eine Stromrichtung,
eine Strommessung mittels einem Stromtransformator mit einer Brückenschaltung
für reine
Wechselströme,
d. h. bipolare Ströme,
eine Strommessung mittels einem Hallsensor, oder eine Strommessung
mittels einem Nebenschlusswiderstand bzw. Shunt.
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Bei
Wechselstromsensoren, welche meist mit einem Ringkern wie ein Transformator
aufgebaut sind, wird über
das magnetische Wechselfeld eines von Wechselstrom durchflossenen
Leiters ein Wechselstrom in einer Spule induziert. Dieser Wechselstrom
ist dem Messstrom über
das reziproke Windungszahlverhältnis
proportional und stellt entweder direkt das Messsignal dar oder
wird mittels eines Widerstandes (Bürde) in eine stromproportionale
Spannung gewandelt, wobei nur ein sehr geringer Spannungsabfall
im Messstromkreis entsteht. Auch bei Gleichstromsensoren tritt nur
ein sehr geringer Spannungsabfall im Messstromkreis auf, so dass
diese insbesondere bei großen
Strömen
eine Alternative zu einem Nebenschlusswiderstand sind.
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Zur
Messung von unipolaren Strömen,
die in einem Bauteil sowohl in positiver als auch in negativer Richtung
fließen
können
und nicht notwendigerweise Gleichströme sind, mittels einem Stromsensor mit
einem Stromtransformator werden in der Regel zwei unterschiedliche
Schaltungsteile für
jeweils die positive oder die negative Stromrichtung benötigt. Jeder
dieser Schaltungsteile kann somit nur für eine Stromrichtung verwendet
werden, so dass zur Messung zweier Stromrichtungen eine erhöhte Anzahl von
Bauelementen, aufgrund der zur Messung benötigten Hilfsenergie dadurch
bedingt eine erhöhte
Verlustleistung, ein erhöhter
Raumbedarf der Gesamtanordnung und aufgrund dessen schließlich höhere Herstellungskosten,
eine verminderte Genauigkeit aufgrund von Toleranzen und eine erhöhte Fehleranfälligkeit
aufgrund der erhöhten
Anzahl von Bauelementen resultieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung
und ein Verfahren zur Messung von in zwei unterschiedlichen Richtungen
fließenden
unipolaren Strömen
zu schaffen, welche die vorstehenden Probleme der bekannten Anordnungen
lösen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung zur bidirektionalen
Messung unipolarer Ströme
mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Verfahren
mit den Merkmalen nach Anspruch 9 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung
und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen es möglich ist,
in zwei unterschiedlichen Richtungen durch ein Bauteil und somit
durch den Stromtransformator eines Stromsensors fließende unipolare
Ströme
zu messen. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, unter Verwendung
eines einfachen Messprinzips für unipolare
Ströme
eine Messung beider Stromrichtungen mit nur wenigen Bauteilen zu
ermöglichen,
indem in Abhängigkeit
von der jeweiligen Stromrichtung des zu messenden unipolaren Stroms
schaltbare Strompfade bereit gestellt werden, die jeweils so verlaufen,
dass eine Lösung
mit wenigen, einfach anzusteuernden Bauelementen, lediglich einer
Auswerteschaltung, geringer Verlustleistung und galvanischer Trennung
verwirklicht werden kann, wobei gleichzeitig eine Messung sehr hoher
Ströme
möglich
sein soll. Auf diese Art und Weise kann eine Implementierung mit
geringem Raumbedarf auf einer Leiterplatte erzielt werden, die gleichzeitig
kostengünstig
und in zahlreichen Gleichstromstellern einsetzbar ist sowie lediglich
eine Auswerteschaltung und lediglich eine Bürde erfordert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft gemäß einer Ausführungsform
eine Schaltungsanordnung zur bidirektionalen Messung unipolarer
Ströme,
gekennzeichnet durch einen Transformator mit einer primären Wicklung,
die von einem zu messenden Strom durchflossen wird, und einer sekundären Wicklung, die
in Übereinstimmung
mit einem Übersetzungsverhältnis des
Transformators in einen Messstrom übersetzt wird; einen ersten
aktiven Schalter zum Durchleiten des Messstroms mit einer ersten
Richtung; eine erste Diode zum Durchleiten des Messstroms mit der
ersten Richtung; einen zweiten aktiven Schalter zum Durchleiten
des Messstroms mit einer zweiten Richtung; eine zweite Diode zum
Durchleiten des Messstroms mit der zweiten Richtung; und eine Bürde zum
Durchleiten des Messstroms mit der ersten und der zweiten Richtung
und Bereitstellen eines Messsignals.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der die primäre
Wicklung des Transformators durchfließende, zu messende Strom ein
unipolarer Strom, welcher in einer positiven Richtung oder in einer
zu der positiven Richtung entgegen gesetzten negativen Richtung
fließt,
und in der sekundären
Wicklung des Transformators den entsprechend gerichteten Messstrom
erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform können der
erste aktive Schalter und der zweite aktive Schalter elektronische
Schalter, insbesondere bipolare Transistoren, oder elektromechanische
Schalter, insbesondere Relais, sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
bilden die sekundäre
Wicklung des Transformators, der erste aktive Schalter, die erste
Diode und die Bürde einen
ersten Strompfad für
den Messstrom mit der ersten Richtung, und bilden die sekundäre Wicklung des
Transformators, der zweite aktive Schalter, die zweite Diode und
die Bürde
einen zweiten Strompfad für
den Messstrom mit der zweiten Richtung.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
bilden der erste aktive Schalter, der zweite aktive Schalter, die
erste Diode und die zweite Diode in Zusammenwirkung mit der Bürde eine
aktiv ansteuerbare Brückenschaltung.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der Emitter des ersten aktiven Schalters mit einem ersten Anschluss
der sekundären
Wicklung des Transformators und der Anode der zweiten Diode verbunden;
ist der Kollektor des ersten aktiven Schalters mit einem auf einem
vorgegebenen Potenzial, beispielsweise einem Massepotenzial, liegenden Knoten,
beispielsweise ein Masseknoten, verbunden; ist der Emitter des zweiten
aktiven Schalters mit einem zweiten Anschluss der sekundären Wicklung des
Transformators und der Anode der ersten Diode verbunden; ist der
Kollektor des zweiten aktiven Schalters mit dem Knoten verbunden;
und ist die Bürde
an einem ersten ihrer Anschlüsse
mit dem Knoten und an einem zweiten ihrer Anschlüsse mit der Kathode der ersten
Diode und der Kathode der zweiten Diode verbunden. Im Normalfall
ist der Knoten ein Masseknoten, der auf einem Massepozential liegt. Grundsätzlich ist
es aber auch möglich,
dass der Knoten auf einem frei definierbarem (Offset) Potential liegt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind der erste aktive Schalter und der zweite aktive Schalter über ihre
Steueranschlüsse
und in Abhängigkeit von
der Richtung des primärseitig
zu messenden Stroms wechselseitig derart in einen Einschaltzustand
und einen sicheren Ausschaltzustand steuerbar, dass der erste aktive
Schalter den Einschaltzustand annimmt und der zweite aktive Schalter
den sicheren Ausschaltzustand annimmt oder der erste aktive Schalter
den sicheren Ausschaltzustand annimmt und der zweite aktive Schalter
den Einschaltzustand annimmt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, welche an dem zweiten Anschluss
der Bürde
mit der Bürde,
der Kathode der ersten Diode und der Kathode der zweiten Diode verbunden
ist und das an der Bürde
anliegende Messsignal zur Auswertung ausleitet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist ein Verfahren zur bidirektionalen Messung unipolarer Ströme gekennzeichnet
durch die Schritte: Leiten eines zu messenden unipolaren Stroms
in einer ersten oder einer zweiten Richtung durch eine primäre Wicklung
eines Transformators und Induzieren eines Messstroms in einer sekundären Wicklung
des Transformators; Festlegen eines ersten Strompfads oder eines
zweiten Strompfads für
den Messstrom auf der Sekundärseite
des Transformators durch Aktivieren eines ersten aktiven Schalters
und Deaktivieren eines zweiten aktiven Schalters oder Deaktivieren
des ersten aktiven Schalters und Aktivieren des zweiten aktiven
Schalters in einer durch den ersten aktiven Schalter, den zweiten
aktiven Schalter, eine erste Diode, eine zweite Diode und eine Bürde sekundärseitig
ausgebildeten Brückenschaltung
in Abhängigkeit
von der Richtung des zu messenden primärseitigen Stroms; und Ausleiten
eines an der Bürde
erzeugten Messsignals in eine Auswerteschaltung zur Erzeugung eines
die Stärke
des zu messenden primärseitigen
Stroms angebenden Werts.
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Ferner
ist das vorstehende Verfahren in einer der Ausführungsformen der Schaltungsanordnung zur
bidirektionalen Messung unipolarer Ströme anwendbar.
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Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel.
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In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der
später
angeführten
Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen
verwendet.
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Die
Zeichnungen zeigen in
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1 Zeitverlaufsdiagramme
von Beispielen von in zwei unterschiedlichen Richtungen fließenden unipolaren
Strömen
mit Impulslängen
und Tastgraden;
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2 eine
vereinfachte Darstellung von Vorgängen an einem bidirektionalen
Gleichstromsteller; und
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3 eine
vereinfachte Darstellung der Schaltungsanordnung zur bidirektionalen
Messung von in zwei unterschiedlichen Richtungen fließenden unipolaren
Strömen
mittels einem Stromtransformator gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In
der nachfolgenden Beschreibung sind gleiche und/oder funktional
gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Im Folgenden
angegebene absolute Werte und Maßangaben sind lediglich beispielhafte
Werte und stellen keine Einschränkung
der Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
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1 zeigt
Zeitverlaufsdiagramme von Beispielen von in zwei unterschiedlichen
Richtungen fließenden
unipolaren Strömen
mit Impulslängen
und Tastgraden. Entlang der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen,
die Ordinate gibt die Stromhöhe
I(t) als Funktion der Zeit t an. Die Ströme mit unterschiedlichen Signalverläufen besitzen
jeweils eine Periodendauer T mit einer Einschaltdauer D·T, entsprechend
einem Tastgrad bzw. Duty Cycle von D·T/T, einem Spitzenwert von
Ipk, einem Effektivwert I, und einer Stromänderung ΔI.
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Die
bidirektionale Strommessung von Strömen, wie sie beispielsweise
in 1 gezeigt sind, findet Anwendung in zahlreichen,
bei näherer
Betrachtung allen, nicht isolierenden Gleichstromstellern bzw. DC/DC-Wandlern oder -Konvertern,
wie beispielsweise Abwärtsstellern
(auch als Abwärtswandler,
Tiefsetzsteller, "Steg
down"- oder Buck-Konverter bezeichnet),
Aufwärtstellern
(auch als Aufwärtswandler,
Hochsetzsteller, "Steg
up"- oder Boost-Konverter
bezeichnet), invertierenden Wandlern (auch als Tief-Hochsetzsteller
oder Buck-Boost-Konverter bezeichnet), sowie in zahlreichen bzw.
allen isolierenden Wandlern, wie beispielsweise Flyback-, Forward-,
HalfBridge-, Push-Pull-, FullBridge-, Phaseshift-Konvertern usw. Bei derartigen Gleichstromstellern
ist in der Regel die Ausgangsspannung fest, stabilisiert und von
der Eingangsspannung galvanisch getrennt.
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2 zeigt
eine vereinfachte Darstellung von Vorgängen an einem bidirektionalen
Gleichstromsteller. Ein derartiger Steller weist zum Beispiel zwei
Paare von jeweils zwei Anschlüssen
auf, jeweils eines für
eine hohe Spannung und eines für
eine niedrige Spannung. Die beiden Paare von Anschlüssen arbeiten
in Abhängigkeit
von der Betriebsrichtung entweder als Eingang oder als Ausgang.
In der Betriebsrichtung Tiefsetzen (Buck), angedeutet durch einen
rechtsgerichteten Pfeil in 2, wird eine
eingangsseitig hohe Spannung VHV in eine
ausgangsseitig niedrige Spannung VLV gewandelt,
und in der Betriebsrichtung Hochsetzen (Boost), angedeutet durch
einen linksgerichteten Pfeil in 2, wird eine
niedrige Spannung VLV in eine hohe Spannung VHV gewandelt.
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Bei
bidirektionalen Gleichstromstellern wie in 2 gezeigt,
ist es dadurch möglich,
mit nur einer Schaltungsanordnung unipolare Ströme in einer positiven Stromrichtung
I+ und in einer negativen Stromrichtung I– zu erfassen und auszuwerten.
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3 zeigt
eine vereinfachte Darstellung einer solchen Schaltungsanordnung
zur bidirektionalen Messung von in zwei unterschiedlichen Richtungen
fließenden
unipolaren Strömen
I+, I– mittels
einem Stromtransformator 4, 6 gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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Bei
geeigneter Beschaltung des verwendeten Stromtransformators 4, 6 können unipolare
Ströme
I+, I– bis
zu einem Tastgrad von etwa 98% erfasst werden. Durch den Stromtransformator 4, 6 wird gleichzeitig
eine galvanische Trennung zwischen dem zu messenden unipolaren Strom
I+, I– und
einem Messsignal VRm bereitgestellt, so
dass keine zusätzliche
oder weitere Isolationsstrecke erforderlich ist. Bei geeigneter
Anordnung der Strommessung besteht somit die Möglichkeit, für die beiden
Betriebsarten Tiefsetzen und Hochsetzen eines bidirektionalen Gleichstromstellers
das Messsignal VRm sowohl zur Spitzenstrombetriebs
(Peak Current Mode)-Regelung
als auch zur Durchschnittsstrombetriebs (Average Current Mode)-Regelung zu verwenden.
In einer dritten Betriebsart, der Spannungsbetriebs (Voltage Mode)-Regelung,
in welcher der Strom nicht zur Regelung herangezogen wird, dient
das Messsignal lediglich zur Überwachung
von Transistor-, Dioden-, Drossel- oder Transformatorströmen.
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Voraussetzung
für die
Messung von Strömen mit
Stromtransformatoren ist allgemein das Vorhandensein eines Stromverlaufs,
bei dem der Strom nach einer Impulslänge wieder auf Null zurückgeht, wie
es bei den beispielhaft in 1 gezeigten
Stromformen gegeben ist. Damit hat der magnetische Fluss im Transformatorkern
des Stromtransformators 4, 6 ausreichend Möglichkeit,
sich abzubauen und beim nächsten
Impuls wieder aufzubauen. Wird der magnetische Fluss nicht hinreichend
abgebaut, gelangt der Transformatorkern in die Sättigung, welches dazu führt, dass
das Messsignal VRm unbrauchbar wird.
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Nachstehend
wird die zur Messung unipolarer Ströme vorgeschlagene Schaltungsanordnung unter
Bezugnahme auf 3 näher beschrieben. In einer bevorzugten
Ausführungsform
besteht die Schaltungsanordnung aus einer aktiven, angesteuerten
Brückenschaltung,
die als aktive Schalter bipolare Transistoren, genauer Bipolar Junction
Transistoren aufweist.
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3 zeigt
zunächst
linksseitig zwei Anschlüsse, über welche
ein zu messender Strom I+ bzw. I–, entsprechend seinem Vorzeichen
bidirektional in einer positiven Richtung oder in einer dieser entgegen
gesetzten negativen Richtung, durch eine Reihenschaltung eines Bauteils 2 und
einer ersten bzw. primären
Wicklung 4 des Stromtransformators 4, 6 fließt und durch
den Stromtransformator 4, 6 entsprechend dessen Übersetzungsverhältnis über eine zweite
bzw. sekundäre
Wicklung 4 in das Messsignal VRm übersetzt
wird.
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Auf
der Sekundärseite
des Stromtransformators 4, 6 ist die Brückenschaltung
angeordnet, welche eine erste und eine zweite Diode 12, 14 und
einen ersten und einen zweiten 8, 10, d. h. Bipolar
Junction Transistoren (BJT), beinhaltet. Die beiden bipolaren Transistoren 8, 10 der
Brückenschaltung
wirken als reine Schalter und bestimmen durch ihren Schalt- bzw.
Aktivierungszustand den Strompfad des sekundärseitigen Messsignals VRm. Ferner ist in der Brückenschaltung der beiden Dioden 12, 14 und
der beiden bipolaren Transistoren 8, 10 eine Bürde 18 verschaltet,
welche den Belastungswiderstand des Wandlers bildet und einen Abschlusswiderstand
darstellt. Es wird angemerkt, dass die Verwendung von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) anstelle der bipolaren Transistoren 8, 10 die Strommessung
aufgrund der parasitären
Dioden, die zur Ausbildung eines Kurzschlusses oder eines parasitären Brückengleichrichters
führen,
nicht ermöglichen.
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Im
Einzelnen ist sekundärseitig
der Emitter des ersten bipolaren Transistors 8 mit einem
ersten Anschluss der sekundären
Wicklung 6 des Stromtransformators 4, 6 und
der Anode der zweiten Diode 14 verbunden, liegt der Kollektor
des ersten bipolaren Transistors 8 an einem mit der Masse
verbundenen Masseknoten 16, und erfolgt die Ansteuerung
des ersten bipolaren Transistors 8 über dessen Basisanschluss.
Der Emitter des zweiten bipolaren Transistors 10 ist mit
dem anderen, zweiten Anschluss der sekundären Wicklung 6 des
Stromtransformators 4, 6 und der Anode der ersten
Diode 12 verbunden, der Kollektor des zweiten bipolaren
Transistors 10 liegt gemeinsam mit dem Kollektor des ersten
bipolaren Transistors 8 an dem Masseknoten 16,
und die Ansteuerung des zweiten bipolaren Transistors 10 erfolgt
wiederum über
dessen Basisanschluss. Die Kathode der ersten Diode 12 und
die Kathode der zweiten Diode 14 sind mit einem ersten
Anschluss der Bürde 18 verbunden,
während
ein zweiter Anschluss der Bürde 18 gemeinsam
mit den Kollektoren des ersten und des zweiten bipolaren Transistors 8, 10 an dem
Masseknoten 16 liegt. Ferner ist eine Auswerteschaltung 20 zur
Ausleitung des Messsignals VRm mit dem ersten
Anschluss der Bürde 18 sowie
den Kathoden der ersten und der zweiten Diode 12, 14 verschaltet.
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Die
Ansteuerung der beiden bipolaren Transistoren 8, 10 über deren
jeweilige Basisanschlüsse kann
durch Vorgaben eines (nicht gezeigten) Prozessors (Complex Programmable
Logic Device; CPLD, Field Programmable Gate Array; FPGA oder dergleichen)
oder eines anderen geeigneten (nicht gezeigten) Schaltungsteils
erfolgen, der die Betriebsrichtung, Tiefsetzen oder Hochsetzen,
des Gleichstromstellers kennt. Jeder der beiden bipolaren Transistoren 8, 10 gibt
somit einen bestimmten Strompfad für das Messsignal VRm durch
die sekundäre
Wicklung 6 des Stromtransformators 4, 6 sowohl
in positiver (I+) als auch in negativer (I–) Richtung vor.
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Werden
beispielsweise der erste bipolare Transistor 8 in seinen
Einschaltzustand oder aktivierten Zustand und der zweite bipolare
Transistor 10 in seinen sicheren Ausschaltzustand oder
deaktivierten Zustand gesteuert, wird der Strompfad für die positive
Stromrichtung (I+) vorgegeben. Der sekundärseitige Messstrom fließt in diesem
Fall durch die erste Diode 12 über die Bürde 18 und durch den
eingeschalteten ersten bipolaren Transistor 8. Das Messsignal
VRm liegt als Spannung an der Bürde 18 an.
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Falls
sich die Richtung des zu messenden primärseitigen Stroms durch die
primäre
Wicklung 4 des Stromtransformators 4, 6 von
der positiven Richtung (I+) auf die negative Richtung (I–) ändert, wird der über den
zweiten bipolaren Transistor 10 verlaufende Strompfad für die negative
Stromrichtung (I–) vorgeben.
Hierzu werden der erste bipolare Transistor 8 in seinen
sicheren Ausschaltzustand oder deaktivierten Zustand und der zweite
bipolare Transistor 10 in seinen Einschaltzustand oder
aktivierten Zustand gesteuert, so dass der sekundärseitige
Messstrom nun durch die zweite Diode 14 über die
Bürde 18 und
durch den eingeschalteten zweiten bipolaren Transistor 10 fließt. Das
Messsignal (VRm) liegt ebenfalls als Spannung
an der Bürde 18 an.
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Da
sich der Stromtransformator 4, 6 wie eine Stromquelle
verhält,
kommt es zu keiner Verzerrung des Messsignals VRm an
der Bürde 18 durch
den Spannungsabfall an den Dioden 12, 14 oder
den bipolaren Transistoren 8, 10. Der zu messende
primärseitige
Strom liegt somit als proportionaler Spannungswert in Form des Messsignals
VRm an der Bürde 18 an und ist
von dem Übersetzungsverhältnis des
Stromtransformators 4, 6 und von der Bürde 18 abhängig.
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Da
die Bürde 18 an
Masse liegt, kann darüber
hinaus das Messsignal VRm mit nur einer
Auswerteschaltung 20, beispielsweise einem Komparator, einem
Analog/Digital-Wandler oder dergleichen, die an sich bekannt sind
und daher nicht näher
beschrieben werden, weiterverarbeitet werden.
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Somit
bietet die vorgeschlagene Schaltungsanordnung vorteilhaft ein sehr
einfaches Messprinzip für
unipolare Ströme
I(t), eine Messung beider Stromrichtungen I+, I– unter Verwendung nur weniger
Bauelemente bei einfacher Ansteuerung der bipolaren Transistoren 8, 10,
eine Auswertung des Messsignals VRm mit
lediglich einer Auswerteschaltung 20 und einer Bürde 18,
eine geringe Verlustleistung, eine Messung auch sehr hoher Ströme, und
nicht zuletzt eine galvanische Trennung. Die Erfindung ermöglicht somit
für eine
Messung beider Stromrichtungen I+, I– einen geringen Raumbedarf
auf einer Leiterplatte und eine kostengünstige Realisierung, welche
in allen DC/DC-Wandlern einsetzbar ist und lediglich eine Auswerteschaltung 20 sowie
lediglich eine Bürde
bzw. einen Abschlusswiderstand 18 erfordert.
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- 2
- Bauteil
- 4
- primäre Wicklung
- 6
- sekundäre Wicklung
- 8
- zweiter
aktiver Schalter (bipolarer Transistor)
- 10
- erster
aktiver Schalter (bipolarer Transistor)
- 12
- erste
Diode
- 14
- zweite
Diode
- 16
- Masse
- 18
- Bürde (Abschlusswiderstand)
- 20
- Auswerteschaltung