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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer einer Spannung
entsprechenden Größe. Sie
betrifft Anwendungen, in welchen man mit Genauigkeit nicht den Absolutwert
einer Spannung, sondern Schwankungen bzw. Änderungen der Spannung nachweisen will.
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Derartige relative Messungen einer
Spannung finden beispielsweise in Systemen Anwendung, in welchen
man Änderungen
des Verlaufs einer Spannungskurve in Abhängigkeit von der Zeit nachweisen
will und in welchen die Kosten des Messsystems eine wesentliche
Einschränkung
darstellen.
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Ein erstes Beispiel einer derartigen
Anwendung liegt auf dem Gebiet der Infrarot-Präsenzdetektoren oder anderer
Detektoren, in welchen eine Änderung
relativ bezüglich
einem Vorgabewert nachgewiesen werden soll.
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Die Erfindung wird im Rahmen einer
anderen Anwendung beschrieben, nämlich
der Batterieladegeräte,
und speziell der Ladegeräte
zur Ladung der Batterien vom Typ Nickel-Kadmium (NiCd) oder metallischer
Nickel-Hydride (NiMH). In derartigen Ladegeräten ist es erwünscht, bei
jedem Ladevorgang die Batterie vollständig zu laden, jedoch eine
maximale Aufladung nicht zu überschreiten,
was der Funktionsweise und der Lebensdauer der Batterie schaden würde. In
derartigen Batterien entspricht dieser maximale Ladepegel dem Auftreten
eines Wendepunkts in der Kurve der Spannungsänderung als Funktion der Zeit.
Dieser Wendepunkt wird in der Weise festgestellt, dass man in regelmäßigen Intervallen
die Spannung an den Anschlüssen
der Batterie während der
Ladung misst und den Gang bzw. die Fortentwicklung der Spannungsabweichungen
analysiert. Stellt man den Übergang
aus einer Zone, in der die Spannungsänderungen fortschreitend zunehmen,
in eine Zone, in der die Spannungsänderungen fortschreitend abnehmen,
fest, so hat man den Wendepunkt erreicht. Für die Durchführung dieser
Messung ergeben sich zwei Probleme. Einerseits müssen die Änderungen mit einer hohen Genauigkeit,
beispielsweise in der Größenordnung
von Tausendsteln, gemessen werden, was einer digitalen Messung über 10 Bits
entspricht. Andererseits kann erwünscht sein, ein und dasselbe
Batterieladegerät
zum Laden verschiedener Batterien mit unterschiedlicher Anzahl von
Zellen zu verwenden. Will man beispielsweise Batterien mit drei
bis acht Zellen laden können,
wobei man weiß,
dass die Spannung einer Zelle zwischen 1 und 1,8 V variiert, muss
man in der Lage sein, die erwähnten
Schwankungen bzw. Abweichungen um eine mittlere Spannung zu messen,
die in einem Bereich von im wesentlichen 3 bis 15 V liegt.
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Eine Vorrichtung zum Messen einer
Spannung an den Anschlüssen
einer Batterie ist in der US-Patentschrift 5 099 209 A beschrieben.
Diese Messung erfolgt in der Weise, dass man getrennt die Ladezeit
eines Kondensators bis zu einer zweiten Bezugsspannung feststellt,
und zwar einerseits durch Anlegen der zu messenden Spannung und
andererseits durch Anlegen einer ersten Bezugsspannung. Eine Rechenschaltung
leitet ausgehend von diesen beiden Zeiten und den Bezugsspannungen die
zu messende Spannung ab. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, dass
sie Schaltmittel zum Wählen der
an den Kondensator anzulegenden Spannung sowie zwei Bezugsspannungen
erfordert.
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Das einfachste Mittel zur Durchführung dieser
Messungen besteht in der Verwendung eines in eine Mikrosteuervorrichtung
(microcontroller) integrierten Analog/Digital-Wandlers. Wenn man
eine Genauigkeit in der Größenordnung
von Tausendsteln wünscht,
muss man daher einen Analog/Digital-Wandler mit einer Genauigkeit
von größer oder gleich
10 Bits vorsehen. Nun sind die bekannten preisgünstigen Mikrosteuerungen, wie
beispielsweise die Mikrosteuerung ST6 der Firma SGS-Thomson Microelectronics
(ST), derzeit Analog/Digital-Wandlern mit einer Genauigkeit von
nur 8 Bits (1/250) zugeordnet. Nun verfügen jedoch diese Mikrosteuerungen über eine
hohe Taktfrequenz, über
Zähler
und Rechenmittel, die Genauigkeiten in der Größenordnung von 16 Bits liefern
können.
Somit zielt die vorliegende Erfindung auf die Verwendung einer preisgünstigen
Mikrosteuerung für
eine relative Spannungsmessung, indem die Messung ausgehend von einer
Zählung
der Zeit und nicht von einer direkten Analog/Digital-Umwandlung
erfolgt.
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Zur Erreichung dieses Ziels sieht
die vorliegende Erfindung vor ein Verfahren zum Bestimmen einer
Größe entsprechend
einer linearen Funktion einer Detektionsspannung, wobei das Verfahren
die folgenden Stufen bzw. Schritte umfasst: Laden eines Kondensators
durch die Detektionsspannung, mit einer vorgegebenen Zeitkonstanten;
Bestimmen der Zeitdauer, an deren Ende die Spannung an den Anschlüssen des
Kondensators einen vorgegebenen Schwellwert erreicht; sowie Berechnen
des der gesuchten Größe entsprechenden
Kehr- bzw. Reziprokwerts der genannten Zeitdauer.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren die
folgenden Stufen bzw. Schritte umfasst: periodische Ausführung der
Reziprokwert berechnungen, sowie Berechnen der Differenz zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Reziprokwerten.
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Die vorliegende Erfindung sieht auch
vor eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Größe entsprechend einer Linearfunktion
einer Detektionsspannung, mit einer Schaltung zum Laden eines Kondensators
mit vorgegebener Zeitkonstante, sowie mit einer Mikrosteuereinrichtung.
Die Mikrosteuerung umfasst Mittel zum Vergleichen der Spannung an
den Anschlüssen
des Kondensators mit einem vorgegebenen Schwellwert, Mittel zur
Null-Rückstellung
der Spannung an den Anschlüssen
des Kondensators, Mittel zum Zählen
der Zeitdauer zwischen einem Zeitpunkt zu Ende der Null-Rückstellung
des Kondensators und dem Zeitpunkt, wo dieser den vorgegebenen Schwellwert
erreicht, sowie Mittel zum Berechnen des Kehr- bzw. Reziprokwerts
der genannten Zeitdauer, wobei diese der gesuchten Größe entspricht.
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Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Vergleichen
durch einen Inverter gebildet werden.
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Diese und weitere Ziele, Gegenstände, Eigenschaften,
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
nicht-einschränkenden
Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele
im einzelnen auseinandergesetzt, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren;
in diesen zeigen
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1 das
Schaltschema einer erfindungsgemäßen Schaltung,
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2 den
Verlauf der Kurve der Aufladung eines Kondensators in Abhängigkeit
von der Zeit, für verschiedene
Werte der angelegten Spannung, sowie
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3 Kurven
T/RC und 0,5/T für
verschiedene Werte der Eingangsspannung (Vin).
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1 zeigt
eine Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung. Gegeben ist eine zu messende Spannung Vin,
diese Spannung wird an eine Reihenschaltung aus einem Widerstand
R und einem Kondensator C angelegt. Der Knotenpunkt der Verbindung
zwischen dem Widerstand und dem Kondensator ist mit dem Eingang
einer Schwellwertschaltung TH verbunden, beispielsweise einem einfachen
Inverter. Der mit dem Bezugspotential der Spannung Vin üblicherweise
der Masse, verbundene Anschluss des Kondensators ist mit dem Eingang
der Schwellwertschaltung über
einen Schalter SW verbunden. Der Schalter SW wird durch einen Ausgang
eines Zählers
CNT so gesteuert, dass er in periodischen Intervallen öffnet, zur
Initialisierung eines Ladezyklus des Kondensators C, und geschlossen
wird, sobald die Spannung an den Anschlüssen des Kondensators C den
Schwellwert Vth der Schaltung TH erreicht. Die
Ausgangsgröße des Zählers im
Zeitpunkt der Schalterschließung
wird über
eine Speicherschaltung oder direkt mit einem Eingang eines Mikroprozessors
mP zur Verarbeitung verbunden. Wie weiter unten noch ersichtlich
wird, besteht diese Verarbeitung im wesentlichen in einer Reziprokwertberechnung,
und der Mikroprozessor liefert an seinem Ausgang OUT eine dem Reziprokwert
des Zählerzählwerts
proportionale digitale Größe. Die
Ausgangsgröße des Zählers CNT
und die Ausgangsgröße des Mikroprozessors
mP werden vorzugsweise als 16-Bit-Werte geliefert. Der Mikroprozessor
kann auch, in Verbindung mit Speicherschaltungen, Unterschiede zwischen
aufeinanderfolgenden Werten des Kehrwerts der durch den Zähler gemessenen
Zeitintervalle messen, zur Bestimmung der Spannungsabweichungen
zwischen periodischen Messungen.
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Wie 1 zeigt,
ist die Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung besonders einfach, infolge der Tatsache, dass die Gesamtheit
der Komponenten entsprechend der Schwellwertschaltung TH, dem Schalter
SW, dem Zähler
CNT und dem Mikroprozessor mP Komponenten sind, die in einer herkömmlichen
preisgünstigen
Mikrosteuerung (,microcontroller'),
wie beispielsweise einer Mikrosteuerung ST6, vorhanden sind. Die
Schaltung gemäß der Erfindung umfasst
daher nur drei Komponenten, die Mikrosteuerung, den Widerstand R
und den Kondensator C. Tatsächlich
stellt in den meisten für
die vorliegende Erfindung in Aussicht genommenen Anwendungen die
Mikrosteuerungseinheit nicht eine für die betreffende Anwendung
spezifische Komponente dar, da sie allgemein auch für andere
Funktionen verwendet wird. Die einzigen für die erfindungsgemäße Schaltung
erforderlichen materiellen Elemente sind somit der Widerstand R
und der Kondensator C.
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2 veranschaulicht
Kurven von Ladespannungen des Kondensators C als Funktion der Zeit für verschiedene
Werte V1, V2, V3, V4 der zu messenden Spannung Vin.
Diese Kurven haben einen exponentiellen Verlauf und die Spannung
Vth wird in einer jeweiligen Zeit T1, T2,
T3, T4 erreicht, die um so kürzer
ist, je höher
die Spannung Vin ist. In bekannter Weise wird diese Zeitdauer T
durch die Gleichung bestimmt: T/RC = –1n [1 – (Vth/Vin)]
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Es besteht somit eine logarithmische
Beziehung zwischen der Dauer T und der zu messenden Spannung Vin. Dies ist zweifellos der Grund, warum diese
Messung nicht allgemein verwendet wird.
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Der Erfinder hat jedoch Kurven gezeichnet, welche
den Kehr- bzw. Reziprokwert
der Dauer T in Abhängigkeit
von der Eingangsspannung Vin für eine Schwellwertspannung
von 1,8 V darstellen, beispielsweise die in 3 wiedergegebene Kurve 0,5/T. Man erkennt,
dass diese Kurve praktisch linear ist, sobald die Eingangsspannung
4 V übersteigt,
und dass im Bereich von 2 bis 4 V diese Kurve nicht linear ist,
jedoch nur eine kontinuierliche und geringe Änderung darstellt. Somit sind
die Änderungen
bzw. Schwankungen zwischen Werten von 1/T vollkommen repräsentativ
für die
Schwankungen bzw. Änderungen
der Eingangsspannung Vin um einen gegebenen
Wert dieser Spannung herum.
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Man erkennt ferner, dass angesichts
der Tatsache, dass die vorliegende Erfindung sich nur für Änderungswerte
interessiert und dass man nicht eine Absolutwertmessung der Spannung
Vin auszuführen sucht, eine Kenntnis der
genauen Werte des Widerstands R, des Kondensators C und der Schwellwertspannung
Vth nicht notwendig ist. Es genügt, dass,
für eine
gegebene Vorrichtung, diese Werte zeitlich stabil sind (und sogar
nur innerhalb verhältnismäßig kurzer
Zeitintervalle).
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Die Mittel zur Ingangsetzung des
Zählers und
zur Programmierung des Mikroprozessors zur Durchführung der
gewünschten
Berechnungen werden hier nicht beschrieben, da diese Berechnungen herkömmlicher
Art und besonders einfach sind. Da des weiteren der Mikroprozessor
nur Berechnungen von Kehr- bzw. Reziprokwerten der Zählwerte
und der Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden Reziprokwertberechnungen
auszuführen
braucht, ist ersichtlich, dass derartige Berechnungen besonders einfach
sind und ohne Schwierigkeit in sehr rascher Weise ausgeführt werden
können.
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Wählt
man beispielsweise einen Zähler
mit 15 Bits (von 1 bis 32 768), so wird man die Werte des Widerstands
und des Kondensators als Funktion der Schwellwertspannung der Schwellwertvorrichtung
so wählen,
dass die kleinste zu messende Spannung (2 V für eine Schwellwertspannung
von 1,8 V) im wesentlichen einem maximalen Zählwert entspricht. Man erhält so eine
Ge nauigkeit von mehr als Eins pro Tausend selbst für hohe Spannungsbereiche
in der Größenordnung
von 10 bis 15 V, für
welche der Zählwert
verhältnismäßig begrenzt
ist, beispielsweise in der Größenordnung
von 2800 für
eine Eingangsspannung von 10 V im Falle des oben erwähnten numerischen
Beispiels.
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Selbstverständlich ist die vorliegende
Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Modifizierungen zugänglich,
die sich für
den Fachmann ergeben, insbesondere hinsichtlich der Realisierung
der im Inneren der Mikrosteuerung verwendeten Elemente. Im übrigen kann
der Fachmann anderweitige Anwendungen als die eines Batterieladegeräts in Aussicht
nehmen, in Abhängigkeit
von den jeweiligen Probleme, die ihm gestellt werden.