Messaufbau und Verfahren zum Messen eines Stroms

Die Erfindung betrifft einen Messaufbau zum Messen eines Stroms aus einem Mittelabgriff zwischen zwei Transistoren einer Halbbrücke durch einen Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Messen eines Stroms aus einem Mittelabgriff zwischen zwei Transistoren einer Halbbrücke durch einen Verbraucher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Um Messkanäle in elektronischen Schaltungen gegen die Einkopplung von Störungen zu schützen, verwendet man üblicherweise Tiefpassfilter TPF, meist ausgeführt als RC-Glied erster oder höherer Ordnung gemäß Figur 1 . Der Tiefpassfilter TPF ist parallel zu einem Shunt SH geschaltet.

Voraussetzung bei dem in Figur 1 gezeigten Messaufbau ist, dass das zu messende Signal einen kontinuierlichen Verlauf hat. Dies ist für den Strom I aus einem Mittelabgriff einer Halbbrücke aus zwei Transistoren T1 , T2 durch den Shunt SH, der in diesem Beispiel die Messung des Stromes I mittels eines Voltmeters V erlaubt, der Fall. Somit kann das Voltmeter V durch einen Tiefpassfilter TPF gegen höherfrequente Störungen geschützt werden. Die Messkonfiguration in Figur 2 erfüllt diese Voraussetzung nicht.

Im Beispiel in Figur 2 wird der Spannungsabfall über einem Kanalwiderstand eines jeweils leitenden Transistors T1 , T2 der Halbbrücke gemessen und wiederum mit einem Voltmeter ausgewertet. In Figur 2 ist diese Kombination vereinfacht als Amperemeter A dargestellt. Folglich kann der Strom I nur gemessen werden, solange der jeweilige Transistor T1 , T2 leitend ist. Daraus ergeben sich zwei Teilstrommessungen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind. Dabei zeigt Figur 3 einen Verlauf des Stroms I durch den oberen Transistor T1 über der Zeit t und Figur 4 einen Verlauf des Stroms I durch den unteren Transistor T2. Da ein Tiefpassfilter TPF ab etwa dem zehnfachen der Eckfrequenz nur noch den Mittelwert des Messsignals anzeigt, kann er nicht zum Schutz des Amperemeters A gegen Störungen am Messeingang genutzt werden. Dadurch wird der zur Messignalaufnahme übliche Analog-Digital-Wandler ADC1 , ADC2 nicht geschützt und das Auftreten von Schwebungen ist die Folge. Anders ausgedrückt, Störsignale im höherfrequenten Bereich, beispielsweise Signalsprünge, werden wegen der Verletzung des Nyquist-Shannon-Theorems in den funktionalen Bereich moduliert und als Messsignal interpretiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Messaufbau und ein neuartiges Verfahren zum Messen eines Stroms aus einem Mittelabgriff zwischen zwei Transistoren einer Halbbrücke durch einen Verbraucher anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Messaufbau mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Messaufbau zum Messen eines Stroms aus einem Mittelabgriff zwischen zwei Transistoren einer Halbbrücke durch einen Verbraucher vorgeschlagen, wobei der Messaufbau dazu konfiguriert ist, bei beiden Transistoren in separaten Messkanälen jeweils eine Spannung über einem Kanalwiderstand des Transistors zu messen, wenn der jeweilige Transistor leitend ist. Erfindungsgemäß weist jeder der Messkanäle ein Additionsglied, einen Tiefpassfilter und einen Analog-Digital-Wandler auf, so dass in jedem Messkanal Signale des jeweiligen Spannungsabfalls über das Additionsglied und den Tiefpassfilter dem Analog-Digital-Wandler zuführbar sind, wobei das Additionsglied jedes der Messkanäle dazu konfiguriert ist, zu den Signalen des jeweiligen Messkanals die Signale des jeweils anderen Messkanals additiv hinzuzufügen.

Auf diese Weise wird der diskontinuierliche Signalverlauf in jedem der Messkanäle in einen kontinuierlichen Signalverlauf überführt und damit die Filterbarkeit ermöglicht. In einer Ausführungsform ist der Tiefpassfilter ein Tiefpassfilter erster oder höherer Ordnung.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend einen Messaufbau wie oben beschrieben und eine Halbbrücke, umfassend zwei Transistoren, sowie einen aus einem Mittelabgriff zwischen den beiden Transistoren gespeisten Verbraucher.

In einer Ausführungsform sind die Transistoren als Feldeffekttransistoren ausgebildet, wobei Source des oberen Transistors mit Drain des unteren Transistors verbunden ist.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen eines Stroms aus einem Mittelabgriff wischen zwei Transistoren einer Halbbrücke durch einen Verbraucher vorgeschlagen, wobei bei beiden Transistoren in separaten Messkanälen jeweils eine Spannung über einem Kanalwiderstand des Transistors gemessen wird, wenn der jeweilige Transistor leitend ist. Erfindungsgemäß werden in jedem Messkanal Signale des jeweiligen Spannungsabfalls über ein Additionsglied und einen Tiefpassfilter einem Analog- Digital-Wandler zugeführt, wobei im Additionsglied jedes der Messkanäle zu den Signalen des jeweiligen Messkanals die Signale des jeweils anderen Messkanals additiv hinzugefügt werden. Auf diese Weise wird der diskontinuierliche Signalverlauf in jedem der Messkanäle in einen kontinuierlichen Signalverlauf überführt und damit die Filterbarkeit ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht einer Halbbrücke mit einem Messaufbau zur Messung eines Stroms aus der Halbbrücke durch einen Verbraucher gemäß dem Stand der Technik,

Figur 2 eine schematische Ansicht einer Halbbrücke mit einem weiteren Messaufbau zur Messung des Stroms aus der Halbbrücke durch einen Verbraucher gemäß dem Stand der Technik,

Figur 3 einen Verlauf eines Stroms durch einen oberen Transistor des Messaufbaus gemäß dem Stand der Technik,

Figur 4 einen Verlauf eines Stroms durch einen unteren Transistor des Messaufbaus gemäß dem Stand der Technik,

Figur 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Messaufbaus zur Messung des Stroms aus der Halbbrücke durch einen Verbraucher,

Figur 6 ein schematisches Diagramm eines Verlaufs des Stroms in einem unteren Messkanal des Messaufbaus gemäß Figur 5,

Figur 7 eine weitere schematische Ansicht des Messaufbaus gemäß Figur 5, und

Figur 8 ein schematisches Diagramm eines Verlaufs des Stroms in einem oberen Messkanal des Messaufbaus gemäß Figur 5 und 7.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer Halbbrücke HB, umfassend zwei Transistoren T1 , T2, insbesondere Feldeffekttransistoren, wobei Source S des oberen Transistors T1 mit Drain D des unteren Transistors T2 verbunden ist. Um einen Strom I zu messen, der aus einem Mittelabgriff M zwischen den beiden Transistoren T1 , T2 durch einen Verbraucher L fließt, ist ein Messaufbau vorgesehen, der einen Shunt SH zwischen dem Verbraucher L und dem Mittelabgriff M aufweist. Durch Messung des Spannungsabfalls über dem Shunt SH mittels eines Voltmeters V kann in Kenntnis des Widerstands des Shunts SH der Strom I bestimmt werden. Um Messkanäle in elektronischen Schaltungen gegen die Einkopplung von Störungen zu schützen, verwendet man üblicherweise Tiefpassfilter TPF, meist ausgeführt als RC-Glied erster oder höherer Ordnung. Der beispielhaft dargestellte Tiefpassfilter TPF umfasst eine zum Shunt SH parallel geschaltete Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem Kondensator C, zu dem das Voltmeter V parallel geschaltet ist.

Das zu messende Signal soll einen kontinuierlichen Verlauf aufweisen. Dies ist für den Strom I aus dem Mittelabgriff M der Halbbrücke HB aus zwei

Transistoren T1 , T2 durch den Shunt SH, der in diesem Beispiel die Messung des Stromes I mittels eines Voltmeters V erlaubt, der Fall. Somit kann das Voltmeter V durch den Tiefpassfilter TPF gegen höherfrequente Störungen geschützt werden.

Figur 2 ist eine schematische Ansicht einer Halbbrücke HB, umfassend zwei Transistoren T1 , T2, insbesondere Feldeffekttransistoren, wobei Source S des oberen Transistors T1 mit Drain D des unteren Transistors T2 verbunden ist. Um einen Strom I zu messen, der aus einem Mittelabgriff M zwischen den beiden Transistoren T1 , T2 durch einen Verbraucher L fließt, ist ein alternativer Messaufbau vorgesehen, bei dem der Spannungsabfall über einem Kanalwiderstand eines jeweils leitenden Transistors T1 , T2 der Halbbrücke gemessen und wiederum mit einem Voltmeter V ausgewertet wird. In Figur 2 ist diese Kombination als Amperemeter A dargestellt. Folglich kann der Strom I nur gemessen werden, solange der jeweilige Transistor T1 , T2 leitend ist, beispielsweise bei Ansteuerung der Gates G der Transistoren T1 , T2 mit pulsweitenmodulierten Signalen. Daraus ergeben sich zwei Teilstrommessungen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind. Dabei zeigt Figur 3 einen Verlauf des Stroms I durch den oberen Transistor T1 über der Zeit t und Figur 4 einen Verlauf des Stroms I durch den unteren Transistor T2. Da ein Tiefpassfilter TPF ab etwa dem zehnfachen der Eckfrequenz nur noch den Mittelwert des Messsignals anzeigt, kann er beim Messaufbau gemäß Figur 2 nicht zum Schutz gegen Störungen am Messeingang genutzt werden. Dadurch wird ein zur Messignalaufnahme üblicher Analog-Digital-Wandler ADC1 , ADC2 nicht geschützt und das Auftreten von Schwebungen ist die Folge. Anders ausgedrückt, Störsignale im höherfrequenten Bereich, beispielsweise Signalsprünge, werden wegen der Verletzung des Nyquist-Shannon-Theorems in den funktionalen Bereich moduliert und als Messsignal interpretiert.

Figur 5 ist eine schematische Ansicht eines Messaufbaus 1 mit einem oberen Messkanal OMK für Signale SO des Spannungsabfalls über dem Kanalwiderstand des oberen Transistor T1 gemäß Figur 2 und mit einem unteren Messkanal UMK für Signale SU des Spannungsabfalls über dem Kanalwiderstand des unteren Transistor T2 gemäß Figur 2. In jedem der Messkanäle OMK, UMK werden die Signale SO, SU des jeweiligen Spannungsabfalls über ein Additionsglied AG und einen Tiefpassfilter TPF einem Analog-Digital-Wandler ADC1 , ADC2 zugeführt.

In Figur 5 werden dem unteren Messkanal UMK über das Additionsglied AG die Signale SO des oberen Messkanals OMK additiv hinzugefügt. Dabei ergibt sich unter Berücksichtigung des Kanalwiderstands ein Verlauf des Stroms I vor dem Tiefpassfilter TPF wie schematisch in Figur 6 gezeigt.

Figur 7 eine schematische Ansicht des Messaufbaus 1 gemäß Figur 5, wobei dem oberen Messkanal OMK über das Additionsglied AG die Signale SU des unteren Messkanals UMK additiv hinzugefügt werden. Dabei ergibt sich unter Berücksichtigung des Kanalwiderstands ein Verlauf des Stroms I vor dem Tiefpassfilter TPF wie schematisch in Figur 8 gezeigt.

In den Figuren 6 und 8 wird deutlich, dass Signalsprünge durch diese Addition vermieden werden. Daher ist Filtern mittels des Tiefpassfilters TPF beim Messaufbau gemäß den Figuren 6 und 8 möglich. Misst man weiterhin nur im jeweils aktiven Zeitfenster, das heißt während der jeweilige Transistor T1 , T2 leitend ist, dann können wie bisher weitere angestrebte Informationen ausgewertet werden, beispielsweise Stromeckpunkte.

Bezugszeichenliste

1 Messaufbau

A Amperemeter

ADC1 , ADC2 Analog-Digital-Wandler

AG Additionsglied

C Kondensator

D Drain

G Gate

HB Halbbrücke

I Strom

L Verbraucher

M Mittelabgriff

OMK oberer Messkanal

R Widerstand

S Source

SH Shunt

SO, SU Signale t Zeit

T1 , T2 Transistor

TPF Tiefpassfilter

UMK unterer Messkanal

V Voltmeter