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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung elektrischer
Ströme
mit einem Messwiderstand, der auf einer Leiterplatte angeordnet
ist und durch einen Leiterbahnabschnitt gebildet wird.
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Aus
der
DE 103 10 498
A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme bekannt,
bei der ein Messwiderstand als Widerstandsfolie ausgebildet ist
und mit einem metallisierten Bereich eines Schaltungsträgers verbunden
ist. Bei der vorbekannten Einrichtung ist vorgesehen, dass der Messwiderstand
mäanderförmig ausgebildet
ist.
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Zur
Regelung eines elektrischen Verbrauchers, z.B. eines Elektromotors
in einer elektrischen Parkbremse, ist es notwendig den Strom im
Verbraucher messtechnisch zu erfassen. Diese Information ist einerseits
zur betriebsmäßigen Regelung
nötig und
andererseits zum Schutz vor länger
anhaltenden Fehlerzuständen
wie z.B. Kurzschlüssen.
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Üblicherweise
werden zur Strommessung in elektronischen Schaltungen Shunt-Widerstände verwendet.
Shunt-Widerstände,
nachfolgend auch kurz als Shunts bezeichnet, sind Messwiderstände, die
in Reihe zu dem zu messenden Bauelement geschaltet sind. Aus der
am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung kann der Strom abgeleitet
werden. Shunt-Widerstände
finden beispielsweise in Gleichstromsystemen Anwendung, da hier
die Möglichkeit des
Einsatzes von rein induktiven Stromwandlern nicht gegeben ist. Gegenwärtig muss
ein Shunt-Widerstand als eigenes Bauteil bestückt werden. Dieses Bauteil
verursacht Kosten und benötigt
bestückbare
Fläche
auf der Leiterplatte. Außerdem
sind die von einem Shunt-Widerstand gelieferten Spannungen aus Verlustleistungsgründen in
der Regel sehr klein, so dass sie vor der Umwandlung mit einem AD-Wandler
verstärkt
werden müssen.
Hierzu kommen z.B. integrierte Verstärker in Frage, die jedoch ebenfalls
Leiterplattenfläche
beanspruchen und Kosten verursachen. Alternativ kann die kleine
Signalspannung des Shunt-Widerstands direkt mit einem AD-Wandler
eingelesen werden, wobei dieser in der Regel jedoch nur teilweise
ausgenutzt wird und somit die effektive Auflösung kleiner ist als die nominale Auflösung.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Erfassung
elektrischer Ströme
der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass der
Platzbedarf auf der Leiterplatte verringert wird und die Erfassung
mit einer erhöhten
Genauigkeit erfolgen kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass dem Leiterbahnabschnitt mindestens ein Temperatursensor zugeordnet
wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Leiterbahnabschnitt mäanderförmig ausgebildet
ist und den Temperatursensor zumindest teilweise umschließt. Außerdem besteht der
Leiterbahnabschnitt aus Kupfer.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist
ein Messwert-Verstärker vorgesehen,
der aus drei aktiven Halbleiterbauelementen gebildet wird, wobei
die Halbleiterbauelemente vorzugsweise als Transistoren ausge bildet sind.
Dabei ist vorgesehen, dass zwei Transistoren als Stromspiegel angeordnet
sind, wobei einem Transistor der Spannungsabfall am Leiterbahnabschnitt zugeführt wird,
was die Symmetrie des Stromspiegels beeinflusst. Der dritte Transistor
ist derart angeordnet, dass eine Rückkopplung zur Aufhebung der Beeinflussung
der Stromspiegelsymmetrie erfolgt.
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Die
Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass
die Temperatur des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts
ermittelt wird und eine temperaturabhängige Korrektur des Messergebnisses
vorgenommen wird. Dabei ist vorgesehen, dass nach der Temperaturermittlung
des mäanderförmigen Leiterbahnabschnitts
der aktuellen Widerstandswerts des Leiterbahnabschnitts berechnet
wird und in die Stromberechnung einfließt
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang
mit der beiliegenden Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer hydraulischen Bremsanlage;
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2 eine
Ausführung
eines Shunt-Widerstands als Leiterbahn mit Anschlüssen und
Temperatursensor;
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3 ein
Schaltbild eines Verstärkers
für kleine
Differenzspannungen mit drei Transistoren;
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4 ein
Signalflussdiagramm zur Temperaturkompensation des in 2 dargestellten Shunt-Widerstands
und zur Berechnung des aktuellen Stromes;
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5 eine
Anordnung von zwei Shunt-Widerständen
zur redundanten Strommessung mit redundanter Temperaturerfassung;
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6 eine
Anordnung eines Shunt-Widerstandes in einer H-Brücke und
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7 eine
modifizierte Schaltung gegenüber
der in 3 dargestellten Schaltung.
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In 1 ist
ein Schaltbild einer hydraulischen Bremsanlage schematisch dargestellt.
Die hydraulische Bremsanlage weist an einer ersten Achse, der Vorderachse,
Radbremsen 2 auf, die während Betriebsbremsungen über eine
hydraulische Leitung 9 mit Druck beaufschlagbar sind. Zur
Kontrolle der gewünschten
Bremsverzögerung
und zur Realisierung einer Blockierschutz-Regelung (ABS) sind den Rädern der
Vorderachse Raddrehzahlsensoren 12 zugeordnet, deren Ausgangssignale
einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit (ECU) 5 zugeführt werden.
Diese elektronische Steuer- und Regeleinheit 5 ist dem
Betriebsbremssystem zugeordnet. An einer zweiten Achse, der Hinterachse,
sind ebenfalls Radbremsen 3 vorgesehen, die während Betriebsbremsungen über eine
zweite hydraulische Leitung 10 mit Druck beaufschlagbar
sind. Die Raddrehzahlen der Räder
der Hinterachse werden durch Raddrehzahlsensoren 13 ermittelt
und der eben erwähnten
elektronischen Steuer- und Regeleinheit 5 zugeführt. Außerdem weisen
die Räder
der Hinterachse neben den Radbremsen 3 für Betriebsbremsungen auch
eine elektromechanische Feststellbremse auf. Die elektromechanische
Feststellbremse weist zwei mechanisch verriegelbare Bremseinrichtungen 4,
die als Trommelbremsen 4 mit jeweils einem nicht näher dargestellten
Spreizschloss ausgebildet sind, auf. Das eben genannte Spreizschloss
ist mittels eines Kabelzugs 11 von einer e lektromechanischen
Stelleinheit 1 betätigbar,
wonach die Trommelbremsen 4 zugespannt werden. Ein Feststellbremsvorgang
wird nach der Betätigung
eines Bedienelementes 7 durch den Fahrzeugführer durchgeführt. Dabei
werden die Ausgangssignale des Bedienelementes 7 einer
der elektromechanischen Feststellbremse zugeordneten elektronischen
Steuereinheit (ECU) 6 zugeführt, die die bereits erwähnte elektromechanische
Stelleinheit 1 entsprechend ansteuert. Die eben genannte
elektronische Steuereinheit 6 sowie die dem Betriebsbremssystem
zugeordnete elektronische Steuer- und Regeleinheit 5 kommunizieren
miteinander über
eine Datenleitung 8, die als CAN-Verbindung ausgebildet ist.
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Zur
Regelung des Elektromotors der elektromechanischen Stelleinheit 1 ist
es notwendig den Strom messtechnisch zu erfassen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft daher eine Einrichtung zur Messung
eines elektrischen Stromes mittels eines Shunt-Widerstandes 14, der Bestandteil einer
Leiterplatte ist und eines Verstärkers 16,
bestehend aus drei aktiven Halbleiterbauelementen, z.B. Transistoren
T1a, T1b, T2. Der Shunt-Widerstand 14 besteht aus einem
Leiterbahnabschnitt 14 aus Kupfer. Besonders vorteilhaft
ist der Leiterbahnabschnitt 14 mäanderförmig ausgebildet, wie es in 2 dargestellt
ist. Selbstverständlich
sind aber auch andere Formen denkbar. Da der Shunt-Widerstand 14 durch den
mäanderförmigen Leiterbahnabschnitt 14 gebildet
wird, wird dasselbe Bezugszeichen verwendet. Zur Kompensation der
Temperaturabhängigkeit
des kupfernen Shunt-Widerstandes 14 umschließt selbiger
räumlich
einen Temperatursensor 15, wie es in 2 dargestellt
ist. Der Temperatursensor 15 ist ebenfalls auf der Leiterplatte
aufgebracht. Der verstärkte
Spannungsabfall am Shunt-Widerstand 14 und
die Temperaturinformation werden von einem AD-Wandler erfasst und
in einem Mikroprozessor in einen realen Stromwert umgerechnet, wie
nachfolgend noch näher
erläutert
wird. In vielen Steuergeräten
ist ohnehin ein Temperatursensor 15 nötig, so dass die Einbeziehung
des Temperatursensors 15 in die Strommessung keinen Mehraufwand
darstellt.
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Der
in 2 dargestellte Shunt-Widerstand 14 besteht
aus einem Leiterbahnabschnitt 14 aus Kupfer auf einer Leiterplatte.
Der Leiterbahnabschnitt 14 weist einen Querschnitt ACu und eine Länge lCu auf, die
gemäß der Gleichung R = ρ lCu/ACu (I)den
Kupferwiderstand R bestimmt, wobei ρ der spezifische Widerstand
des Leiterbahnmaterials, also typischerweise Kupfer, ist. Zweckmäßigerweise
wird der Leiterbahnabschnitt 14 mäanderförmig ausgebildet, um eine möglichst
geringe hochfrequente Abstrahlung zu verursachen und die Messanschlüsse „Sense+/-„ räumlich dicht
beieinander anordnen zu können.
Der Temperatursensor 15 sollte möglichst in der Mitte des Shunt-Widerstandes 14 angebracht sein,
um eine mittlere Temperatur des Leiterbahnabschnitts zu messen.
Bei Verwendung von mehreren Temperatursensoren, die z.B. als Reihenschaltung von
mehreren Dioden ausgeführt
sein kann, werden diese zweckmäßigerweise über die
Länge des Shunt-Widerstandes 14 verteilt
angeordnet, um eine mittlere Temperatur zu messen.
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Das
in 3 dargestellte Schaltbild des erfindungsgemäßen Messwertverstärkers 16 zur
Verstärkung
der kleinen Signalspannungen zeichnet sich dadurch aus, dass er
aus nur drei aktiven Bauelementen besteht und somit sehr Platz sparend
und kostengünstig
realisiert werden kann. Der Spannungsabfall Ushunt am
bereits beschriebenen Shunt-Widerstand 14 ist die Eingangsgröße, die Spannung
am Widerstand R5 ist die Ausgangsgröße. Die
Eingangsstufe ist als Stromspiegel 17 aus den Transistoren
T1a und T1b aufgebaut,
der durch die Shuntspannung Ushunt in seiner
Symmetrie gestört wird.
Der Transistor T1a ist als Diode geschaltet,
die den gleichen Temperaturgang haben sollte wie der Transistor
T1b und erzeugt die Basisreferenzspannung
für diesen. Über den
Transistor T2 erfolgt eine Rückkopplung,
die die Symmetrie wieder herzustellen versucht. Da kein Integralanteil
in der Regelstrecke vorhanden ist, verbleibt eine gewisse Unsymmetrie
bzw. eine Differenz zwischen den Emitterspannungen. Das bedeutet,
dass für
Ushunt = 0V der Transistor T2 als
reiner Stromspiegel arbeitet. Die Transistordiode T1a stellt
bei Ushunt = 0V eine Basis-Emitter Spannung
ein, die im Wesentlichen über
die Stromverstärkung
und den Widerstand R3 bestimmt wird. Diese
Basis-Emitterspannung sieht auch der Transistor T1b,
was in beiden Transistoren denselben Basisstrom zu Folge hat. Eben
diese Basis-Emitter Spannung wirkt auch am Transistor T2,
der dadurch etwas aufgesteuert wird und einen zusätzlichen Strom
in den Widerstand R1 einspeist, was die
Emitterspannung gegenüber
der Emitterspannung vom Transistor T1b etwas
anhebt. Ebenso wird eine Offset-Ausgangsspannung am Widerstand R5 erzeugt.
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Dagegen
wird für
Ushunt > 0V
aus dem Stromspiegel 17 ein über den Transistor T2 zurückgekoppelter
Differenzverstärker:
Das Emitterpotential vom Transistor T1b wird
angehoben, wodurch sich augenblicklich der Basisstrom und somit
auch der Kollektorstrom entsprechend verringert. Dadurch steigt
das Kollektorpotential des Transistors T1b und
treibt einen Basisstrom in den Transistor T2 hinein,
der als Emitterfolger das Emitterpotential des Transistors T1a anhebt, bis die Spannungsdifferenz zwischen
den Emittern der Transistoren T1a und T1b wieder praktisch zu null wird. Durch diese
Eigenschaft des Messwertverstärkers 16 wird
am Widerstand R1 eine Spannung eingestellt,
die sich aus der Ruhespannung für
Ushunt = 0V und Ushunt zusammensetzt.
Der Anteil von Ushunt ist weitgehend durch
den Strom i5 am Widerstand R5 bedingt,
wenn man für
Ushunt << VCC5 den Strom
i3 am Widerstand R3 als
konstant annehmen kann. Somit ergibt sich die Ausgangsspannung Uout zu Uout = Ushunt R5/R1 (II)
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Durch
den zusätzlichen
Widerstand R6 wird dem Verstärker eine
zu einer Shuntspannung äquivalenten
Eingangsspannung derart überlagert,
dass an seinem Ausgang eine Verschiebung des Signals stattfindet.
Durch diese Maßnahme
ist es möglich auch
negative Ströme
im Shunt-Widerstand zu messen.
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Der
Messwertverstärker
kann gemäß 7 auch
derart ausgestaltet sein, dass der Shunt-Widerstand mit einem Anschluss
an einem hohen Potential wie der Batteriespannung angeschlossen
ist. Die Ausgangsspannung des Messwertverstärkers 16 bezieht sich
dann auf das Massepotential, so dass quasi eine Umsetzung einer
kleinen Spannung auf hohem Potential auf ein AD-Wandler kompatibles
Signal erfolgt.
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Alternativ
können
in dem beschriebenen Messwertverstärker 16 PNP statt
NPN-Transistoren eingesetzt werden und der Shunt-Widerstand 14 wird mit einem
Anschluss an die Betriebsspannung angeschlossen statt an Masse.
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Es
folgt eine Beschreibung der Messwerterfassung mit Temperaturkompensation
anhand von 4: Die Temperatur des Shunt-Widerstandes 14 wird über einen
Temperatursensor 15 bzw. über einen temperaturabhängigen Widerstand
(NTC, PTC) oder über
einen Diodenspannungsabfall in eine Spannung Uϑ um gewandelt.
Diese Spannung Uϑ wird im Verfahrensschritt 21 von
einem AD-Wandler gemessen und mit Hilfe einer Kennlinie oder einer
Näherungsfunktion
die Temperatur ϑ bestimmt. Die Temperaturmessung wird bei
der Herstellung der Leiterplatte einmalig kalibriert. Durch Kenntnis
des Temperaturkoeffizienten von Kupfer wird im Verfahrensschritt 22 der
aktuelle Widerstandswert Rϑ aus
dem bei einer bestimmten Temperatur von beispielsweise 20°C gemessenen
Wert R20°C extrapoliert.
Der Widerstandswert R20°C bei einer bestimmten
Temperatur von beispielsweise 20°C
wird während
der Herstellung der Leiterplatte ermittelt und ebenfalls in einem EEPROM 18 abgelegt.
Die Spannung am Shunt-Widerstand 14 gelangt über den
oben beschriebenen Messwertverstärker 16 als
Eingangsgröße Uout auf einen weiteren AD-Wandler. Durch
einen Kalibrierprozess während
der Produktion werden der Verstärkungsfaktor
und der Offset des Verstärkers
ermittelt und im EEPROM 18 abgelegt. Hiermit wird im Verfahrensschritt 23 die
tatsächliche
Shuntspannung Ushunt zurückgerechnet. Im Verfahrensschritt 24 wird schließlich durch
Quotientenbildung zwischen der tatsächlichen Spannung Ushunt am Shunt-Widerstand 14 und
dem aktuellen Widerstandswert Rϑ der
aktuelle Strom I im Shunt-Widerstand 14 berechnet
und der Regelung zur Verfügung
gestellt.
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Bei
einer Anordnung von zwei Shunt-Widerständen 14, 14' gemäß 5 und
der Verwendung eines Freilaufzweiges über die Low-Side Transistoren
T1, T2 kann der
Strom im Motor redundant gemessen werden. Zum einen fließt der Motorstrom
in dem Shunt-Widerstand 14, dessen FET permanent eingeschaltet
ist. In dem jeweils anderen Shunt-Widerstand 14' fließt der Anteil
des Motorstromes, der im Freilauffall auftritt. Im Mittel ist das
der Motorstrom multipliziert mit einem Faktor, dessen Wert 1-d beträgt, wobei
d das aktuelle Tastverhältnis ist. Über diese
Relation kann die Strommessung beim Betrieb des Motors überwacht
und plausibilisiert werden.
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Der
bei jedem Shunt-Widerstand 14 vorhandene Temperatursensor 15 ist
in der Anordnung nach 5 ebenfalls redundant vorhanden
und kann in den stromlosen Pausen für weitere Funktionen der Elektronik
zur Verfügung
stehen. Der Vorteil ist hierbei, dass durch die Redundanz des Temperatursensors 15 ebenfalls
ein verlässliches
Signal zur Verfügung
steht.
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Alternativ
können
bei der Erfindung auch FETs oder MOSFETs statt Transistoren eingesetzt werden.
Ebenso ist die Geometrie des Shunt-Widerstandes 14 variabel.
Es sind praktisch alle Formen denkbar.
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Das
Leitermaterial, welches den Shunt-Widerstand bildet muss nicht Kupfer
sein. Es sind andere Materialien denkbar.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist die Eliminierung von Bauteilen auf der
Leiterplatte, die Bauraum und Geld kosten. Ein weiterer Vorteil
ist, dass die Strommessung mit einem konventionellen AD-Wandler
mit hoher Auflösung
vorgenommen werden kann.