DE102009047099A1

DE102009047099A1 - Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals

Info

Publication number: DE102009047099A1
Application number: DE200910047099
Authority: DE
Inventors: Reinhard Rieger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor (20) mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals (30) mit einer Messschaltung, wobei das erste Stromsignal (30) mittels einer Wandlerschaltung (100) in ein zweites Stromsignal (40) gewandelt wird und das zweite Stromsignal (40) von der Messschaltung erfasst wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals mit einer Messschaltung.
Stand der Technik
Sensoren und Stromschnittstellen werden häufig in rauen bzw. störungsbehafteten Umgebungen eingesetzt, da die Datenübertragung über eine Stromschnittstelle robuster als die Datenübertragung über eine Spannungsschnittstelle ist. Beispielsweise in Kraftfahrzeugen sind viele Sensoren mit einer Stromschnittstelle ausgestattet. Schaltungen, welche Elemente mit Stromschnittstelle enthalten, werden auch als Stromschleifen bezeichnet.
Zur Auswertung wird üblicherweise ein Messwiderstand bzw. Bürdenwiderstand in Reihe geschaltet und die an diesem Widerstand abfallende Spannung erfasst. Die Spannungsversorgung der Stromschleife muss somit zumindest den Spannungsabfall am Sensor und den Spannungsabfall am Messwiderstand bereitstellen, was eine relativ große Versorgungsspannung bedingt.
Die am Bürdenwiderstand abfallende Spannung wird dann über einen nachgeschalteten Komparator mit oder ohne Schwellwertnachführung erfasst. Aufgrund der Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren müssen die Schwellwerte für den Komparator in einem sehr engen Toleranzband liegen. Der Bürdenwiderstand muss darüber hinaus für eine hohe, bei einem Kurzschluss auftretende Verlustleistung von bis zu 5 W ausgelegt werden. Alternativ muss ein zusätzliches Schaltelement vorgesehen werden, was den Schaltungsaufwand und damit die Kosten für Bauteile, Layout usw. erhöht.
Es ist daher wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor mit Stromschnittstelle ausgegebenen Stromsignals anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Diese Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beruht im Wesentlichen auf der Maßnahme, das eigentlich zu erfassende erste Stromsignal mittels einer aktiven Wandlerschaltung in ein zweites Stromsignal zu wandeln. Durch das Vorsehen einer aktiven Wandlerschaltung kann der herkömmlich im Strompfad vorhandene Bürdenwiderstand eingespart oder zumindest auf eine geringere Verlustleistung dimensioniert werden, so dass der Gesamtspannungsabfall im Sensorpfad reduziert werden kann. Der Sensor kann daher mit einer weniger leistungsfähigen Spannungsversorgung betrieben werden. Aufgrund der aktiven Wanderschaltung kann die Amplitude des Stromsignals verstärkt werden. Übliche Stromschnittstellen (20 mA-Schnittstelle) geben ein Stromsignal mit einer Amplitude von bis zu 20 mA aus. Bei Verwendung einer aktiven Wandlerschaltung ist die Amplitude des zweiten Stromsignals, welches der Messschaltung zugeführt wird, vom Fachmann in weiten Bereichen frei vorgebbar.
Weiterhin dient die aktive Wandlerschaltung dem Kurzschlussschutz, wenn die Wandlerschaltung im Falle eines Kurzschlusses deaktiviert wird. Insbesondere dadurch kann die Schaltung in einem ASIC kostengünstig integriert werden, da die im Betrieb abfallenden Verlustleistungen im Bereich weniger mW liegen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Erfassung von digitalen Stromsignalen, wie sie beispielsweise von einem Drehzahlsensor (üblicherweise als Hallsensor ausgeführt) in einem Kraftfahrzeug ausgegeben werden. Das zweite Stromsignal wird in diesem Fall zweckmäßigerweise ebenfalls als digitales Stromsignal von der Wandlerschaltung ausgegeben. Ein solches Signal wird zweckmäßigerweise von der Messschaltung erfasst und bezüglich Frequenz und/oder Tastverhältnis ausgewertet. Digitale Stromsignale eignen sich besonders gut zur Wandlung, da sie auf einfachere Weise erfasst werden können als Analogsignale.
Die Wandlung erfolgt zweckmäßigerweise unter Verwendung einer Schaltung, deren Spannungsabfall im Strompfad, vorzugsweise auf einen festen Wert, geregelt wird. Insbesondere bietet es sich an, den Spannungsabfall in der Stromschleife auf einen geringen Wert, wie z. B. 1 Volt, zu regeln, so dass die für den sicheren Betrieb der Schaltung notwendige Gesamtspannung gering bleibt. Wird die Wandlerschaltung zumindest teilweise als ASIC realisiert, können dabei insbesondere Bipolartransistoren und/oder n-Kanal MOSFET als Bestandteil der Wandlerschaltung verwendet werden.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Wandlung unter Verwendung einer spannungsgesteuerten Stromquelle und/oder einer stromgesteuerten Stromquelle als Bestandteil der Wandlerschaltung. Als spannungsgesteuerte Stromquelle kann insbesondere eine aktive geregelte Endstufe, welche beispielsweise einen n-Kanal MOSFET enthält, dienen. In diesem Fall kann die Stromschleife zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss des MOSFET verlaufen, wobei der Gate-Anschluss in Abhängigkeit vom ersten Stromsignal abwechselnd hochohmig und niederohmig geschaltet wird. Zur Ansteuerung des Gates kann insbesondere ein Operationsverstärker verwendet werden, an dessen invertierenden Eingang die Stromschnittstelle und an dessen nicht invertierenden Eingang ein Referenzsignal von beispielsweise 1 V angelegt wird.
Als stromgesteuerte Stromquelle kann insbesondere ein Stromspiegel verwendet werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schaltplan mit einem Sensor und einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung.
2 zeigt einen Schaltplan mit einem Sensor und einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In den 1 und 2 ist jeweils dargestellt, wie ein erstes digitales Stromsignal 30, welches von einem Sensor 20, beispielsweise einem Hall-Drehzahlsensor in einem Kraftfahrzeug, ausgegeben wird, mittels einer erfindungsgemäßen Wandlerschaltung 100 bzw. 200 in ein zweites Stromsignal 40 gewandelt wird, welches zur Erfassung verwendet wird. Der Sensor 20 bzw. die komplette Stromschleife wird von einer Energiequelle 10 gegen Masse versorgt. Bei einer 20 mA-Schnittstelle kann das digitale Stromsignal bspw. bei high = 11...18 mA und low = 4...9 mA liegen.
Die in 1 dargestellte Wandlerschaltung 100 ist als ASIC ausgebildet. Sie weist eine aktiv geregelte Endstufe 110, hier einen n-Kanal MOSFET, auf, dessen Drain-Source-Strecke in die Stromschleife geschaltet ist. Ein Regelelement, beispielsweise ein Operationsverstärker 120, regelt den Drain-Anschluss D des MOSFET 110 auf eine Referenzspannung, hier 1 V. Dazu ist der Ausgang des Operationsverstärkers 120 mit dem Gate-Anschluss G des MOSFET 110 verbunden. Bei der Regelung wird das Gate durch entsprechende Strom- bzw. Spannungspulse geladen und entladen, d. h. die Drain-Source-Strecke des MOSFET 110 wird abwechselnd hochohmig und niederohmig geschaltet. Der MOSFET wird dazu ähnlich einem Klasse-A-Verstärker betrieben.
Die Ausgangsimpulse des Operationsverstärkers 120 werden hier über einen Messwiderstand 130 geführt und von einer Messschaltung 140 erfasst. Die Messschaltung 140 erzeugt daraus das digitale zweite Stromsignal 40. Jedoch sind auch andere im Stand der Technik übliche Methoden zur Stromerfassung an dieser Stelle einsetzbar.
Die Wandlerschaltung 100 weist gegenüber herkömmlichen Bürdenwiderständen insbesondere den Vorteil eines niedrigeren Spannungsabfalls, hier nämlich nur 1 V, auf. Weiterhin muss die Wandlerschaltung nicht auf die maximal mögliche Verlustleistung von ca. 5 W ausgelegt werden, da bei einem Defekt der MOSFET 110 den Stromfluss sperrt.
Die in 2 dargestellte Wandlerschaltung 200 basiert auf dem Prinzip der stromgesteuerten Stromquelle. Auch die Wandlerschaltung 200 wird vorzugsweise als ASIC realisiert, wobei zweckmäßigerweise bipolare Transistoren verwendet werden.
Auch in der Wandlerschaltung 200 wird eine aktive Regelung des Spannungsabfalls in der Stromschleife, hier wiederum auf 1 V, verwendet. Dazu dient ein Operationsverstärker 220, der mit dem Kollektor C eines ersten Bipolartransistors 210 verbunden ist. Zur Wandlung des Stromsignals wird ein Stromspiegel 230 verwendet, der den Basisstrom I₁ an dem Transistor 210 in einen Basisstrom I₂ an einem zweiten, vorzugsweise baugleichen Transistor 240 wandelt. Der Kollektor C des zweiten Transistors 240 ist mit einer Energieversorgung 250 verbunden, der Emitter E ist über einen Bürdenwiderstand 260 gegen Masse geschaltet. Das über den Bürdenwiderstand 260 abfallende Signal wird von einer Schaltung 270 in das digitale zweite Stromsignal 40 umgewandelt. Bei dieser Ausgestaltung kann eine potentialfreie Stromwandlung erfolgen. Der Spannungsabfall in der Stromschleife des Sensors ist wiederum gering und beträgt im vorliegenden Beispiel nur 1 V.

Claims

Verfahren zum Erfassen eines von einem Sensor (20) mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals (30) mit einer Messschaltung, wobei das erste Stromsignal (30) mittels einer Wandlerschaltung (100; 200) in ein zweites Stromsignal (40) gewandelt wird und das zweite Stromsignal (40) von der Messschaltung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Stromsignal (30) unter Verwendung einer aktiven Schaltung (110, 120; 140; 210, 220, 230, 240; 270) als Bestandteil der Wandlerschaltung (100; 200) in das zweite Stromsignal (40) gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das erste Stromsignal (30) unter Verwendung einer Schaltung (110; 210), deren Spannungsabfall in der Stromschleife geregelt wird, als Bestandteil der Wandlerschaltung in das zweite Stromsignal (40) gewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wandlung unter Verwendung einer spannungsgesteuerten Stromquelle (110, 120) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Wandlung mittels einer aktiv geregelten Endstufe (110, 120) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Endstufe (110) in Abhängigkeit vom ersten Stromsignal (30) abwechselnd hochohmig und niederohmig geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Wandlung unter Verwendung einer stromgesteuerten Stromquelle (230) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Wandlung mittels einer Stromspiegel-Schaltung (230) als Bestandteil der Wandlerschaltung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wandlerschaltung (100; 200) zumindest teilweise als ASIC realisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein von einem Hall-Sensor (20) ausgegebenes Drehzahlsignal (30) in einem Kraftfahrzeug erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein digitales Stromsignal als zweites Stromsignal (40) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das zweite Stromsignal (40) von der Messschaltung erfasst und bezüglich Frequenz und/oder Tastverhältnis ausgewertet wird.
Wandlerschaltung, welche Mittel (110, 120, 130, 140; 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270) zur Wandlung eines von einem Sensor (20) mit Stromschnittstelle ausgegebenen ersten Stromsignals (30) in ein zweites Stromsignal (40) gemäß einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche aufweist.