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Strommessungen in Kraftfahrzeugsystemen

Strom als Schlüsselgröße


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Strom als Schlüsselgröße

Ein solches »Smart Switch«-Steuer-IC ist der »LT1910« von Linear Technology, der einen niederohmigen Strommesswiderstand auf der High-Side verwendet (Bild 1(c)), um Überlasten zu erkennen und den aktiven MOSFET abzuschalten, bevor Fehler auftreten können. Erkennt der Baustein eine Überlast, setzt er ein Warn-Flag und versucht periodisch, die Last wieder zu starten, bis der Fehler behoben ist. Auch wenn diese Lösung nur binärer Natur ist, ist sie doch ein gutes Beispiel für die Stromfühler, mit denen eine robuste elektronische Regel-Relaislösung gebildet werden kann (Bild 2). Neben dem Schutz durch die Strommessung ermöglicht der Smart-Switch das Verstärken und Übersetzen des Signals des Messwiderstands, sodass über eine Digitalisierung diese Information als Feedback-Signal einer Regelschleife zur Verfügung steht. Viele Lasten besitzen Betriebseigenschaften, die sich über eine Stromüberwachung in Echtzeit ableiten lassen. Bei Motoren beispielsweise ist der Strom proportional zum gelieferten Drehmoment, weshalb über die Strommessung der Lagerwiderstand bestimmt und verschiedene Stellgliedbedingungen ohne die Hilfe weiterer Sensoren erkannt werden können. Andere Lasten wie etwa die Beleuchtung mit LEDs werden häufig parallel aus einer gemeinsamen Stromversorgung angetrieben, weshalb ein hohes Maß an Präzision erforderlich ist, um zu erkennen, ob ein Teil der Last zum Ende des Lebenszyklus ausgefallen ist.

Eine besonders einfache IC-Lösung dafür wird als Strommessverstärker bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist der »LTC6101« von Linear Technology, der für unidirektionale High-Side-Erkennung in Kraftfahrzeugen optimiert ist. Bild 3 zeigt einen typischen Stromkreis mit diesem Baustein als Schnittstelle einer allgemeinen Strommessung zu dem Eingang eines A/D-Wandlers (ADC). Dieser Stromkreis zeigt auch die zusätzlichen Bauteile D1 und R3, die Schutz vor Rückstromtransienten bieten.

Bei der Angabe der Genauigkeit von Strommessverstärkern sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Die Genauigkeit des Skalierungsfaktors hängt von der Qualität des eingesetzten Messwiderstands und der Verstärkungsgenauigkeit ab (oder von den eingesetzten Verstärkungswiderständen). Der dynamische Bereich wird über den Offset des Sense-Verstärkers und dessen genutzte Verstärkung bestimmt, genauso wie der Offset des ADCs und die Auflösungseigenschaften.

Die Widerstandstoleranzen bestimmen die Ursprungsgenauigkeit und die Temperaturkoeffizienten die Stabilität des Skalierungsfaktors. Der Offset ist das Maß dafür, wie sehr sich die tatsächliche Übertragungsfunktion dem Idealwert bei geringen Eingangswerten annähert, und er wirkt sich auf die meisten Signalausgänge bei Nullstrombedingung aus. Tabelle 1 zeigt Beispielwerte verschiedener verfügbarer Messverstärker und deren primäre Eigenschaften.

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Bild 3 Geschützter Current-Sense-Stromkreis mit A/DWandlereingang

Bei Lasten, die durch Pulsbreitenmodulation (PWM) geregelt werden, gibt es weitere Faktoren, die beim Entwurf der Überwachungsstromkreise zu berücksichtigen sind. Vor allem muss die Ansprechzeit kurz genug sein, um im Fehlerfall innerhalb des Einschwingvorgangs ansprechen zu können. Darüber hinaus darf der Schaltvorgang die Genauigkeit der Strommessung nicht stören. Normalerweise bietet auch in diesem Fall die Konfiguration aus Bild 1(c) die besten Ergebnisse, da die Schaltkreisimpedanzen niedrig und Gleichtaktprobleme minimal sind. In Situationen, in denen nur der durchschnittliche Laststrom (der Gleichstromanteil) interessiert, kann ein Nachfilter die Frequenzanteile aus der PWM eliminieren. Über den Laststrom lassen sich auch subjektive Eindrücke sehr gut regeln, sei es die Leuchtintensität oder die Kraft eines Stellglieds.

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Tabelle 1: Verschiedene verfügbare Strommessverstärker und ihre Eigenschaften

  1. Strom als Schlüsselgröße
  2. Strom als Schlüsselgröße
  3. MOSFETs statt Relais
  4. Widerstände richtig Implementieren