DE102022129856A1 - Implementation of a voltage without direct measurement reference - Google Patents
Implementation of a voltage without direct measurement reference Download PDFInfo
- Publication number
- DE102022129856A1 DE102022129856A1 DE102022129856.6A DE102022129856A DE102022129856A1 DE 102022129856 A1 DE102022129856 A1 DE 102022129856A1 DE 102022129856 A DE102022129856 A DE 102022129856A DE 102022129856 A1 DE102022129856 A1 DE 102022129856A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- voltage
- mess
- load
- target
- capacitor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 72
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04Q—SELECTING
- H04Q9/00—Arrangements in telecontrol or telemetry systems for selectively calling a substation from a main station, in which substation desired apparatus is selected for applying a control signal thereto or for obtaining measured values therefrom
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
- G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
- G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
- G05F1/10—Regulating voltage or current
- G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
- G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
- G05F1/575—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices characterised by the feedback circuit
-
- G—PHYSICS
- G08—SIGNALLING
- G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
- G08C19/00—Electric signal transmission systems
- G08C19/02—Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Control Of Voltage And Current In General (AREA)
Abstract
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Regelung eines Stroms Ilast durch eine Last Rlast unbekannter Größe mit einem Regler, dem eine Sollspannung Usoll und eine von dem zu regelnden Strom Ilast abhängige Istspannung Umess zugeführt sind, und der abhängig von einer Differenz von Sollspannung Usoll und Istspannung Umess den Strom Ilast regelt, wobei - die Istspannung Umess an einem zu der Last Rlast in Reihe geschalteten Fühlwiderstand Rmess abgreifbar ist, wobei der Fühlwiderstand Rmess Highside angeordnet ist und keinen unmittelbaren Massebezug aufweist, und die Sollspannung Usoll von einer Lowside liegenden Schaltungskomponente zur Verfügung gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungstransfer erfolgt und in einer ersten Variante der Regler USI Lowside angeordnet ist und die an dem Fühlwiderstand Rmess abgegriffene Istspannung Umess von Highside nach Lowside transferiert wird, oder in einer zweiten Variante der Regler Highside angeordnet ist und die Sollspannung Usoll von Lowside nach Highside transferiert wird. The present invention describes a circuit arrangement for regulating a current I load through a load R load of unknown size with a regulator to which a target voltage U target and an actual voltage U mess dependent on the current I load to be regulated are fed, and which regulates the current I load depending on a difference between the target voltage U target and the actual voltage U mess , wherein - the actual voltage U mess can be tapped off at a sensing resistor R mess connected in series with the load R load , wherein the sensing resistor R mess is arranged highside and has no direct ground reference, and the target voltage U target is made available by a lowside circuit component, characterized in that a voltage transfer takes place and in a first variant the regulator USI lowside is arranged and the actual voltage U mess tapped off at the sensing resistor R mess is transferred from highside to lowside, or in a second variant the regulator highside is arranged and the target voltage U target is transferred from lowside to highside.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Messanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 sowie ein Verfahren zum Messen einer Spannung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.The present invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of
Die Regelung eines Stroms Ilast durch eine Last Rlast erfolgt üblicherweise derart, dass ein Regler durch Vorgabe einer Sollspannung Usoll und Vergleich mit einer stromabhängigen Istspannung Umess über ein Stellglied den Strom Ilast auf den gewünschten Wert regelt. Bei der Last Rlast kann es sich um einen einfachen ohmschen Widerstand, aber auch um eine komplexe Last handeln, z.B. einen Elektromotor oder eine Sensorelektronik.The regulation of a current I load by a load R load is usually carried out in such a way that a controller regulates the current I load to the desired value by specifying a target voltage U target and comparing it with a current-dependent actual voltage U measure via an actuator. The load R load can be a simple ohmic resistor, but also a complex load, e.g. an electric motor or sensor electronics.
Dieses aus dem Stand der Technik bekannte Prinzip ist in den
Bei der in
Ist die Last Rlast bekannt, so kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in
Es ist üblich, aber nicht zwingend erforderlich, dass der Minuspol der DC-Versorgungsspannung am gemeinsamen Bezugspunkt bzw. der gemeinsamen Masse von verbundenen Schaltungsteilen oder Schaltungen liegt. Die Masse kann als „Lowside“, der positive Anschluss der Versorgungsspannung als „Highside“ bezeichnet werden.It is usual, but not mandatory, for the negative terminal of the DC supply voltage to be connected to the common reference point or common ground of connected circuit parts or circuits. The ground can be referred to as the "low side" and the positive terminal of the supply voltage as the "high side".
Eine Regelung lässt sich leichter realisieren, wenn die Versorgung des Reglers und Soll- sowie Istwert direkten Massebezug haben und damit auf Lowside liegen bzw. darauf bezogen sindA control can be implemented more easily if the supply of the controller and the setpoint and actual value have a direct ground reference and are therefore on the low side or are related to it
In bestimmten Konstellationen kann es auch von Nachteil sein, wenn die Last Rlast keinen Massebezug hat. Eine zwingende Notwendigkeit des Massebezugs der Last Rlast kann beispielsweise dort gegeben sein, wo mit einer massebezogenen Schirmung gearbeitet werden muss oder wenn weitere massebezogene Schaltungen, bspw. an Masse angeschlossene Kommunikationsschaltungen oder ein Display an die Last angeschlossen sind.In certain constellations, it can also be a disadvantage if the load R load has no ground reference. An absolute necessity for the load R load to be grounded can be present, for example, where ground-related shielding must be used or if other ground-related circuits, e.g. communication circuits connected to ground or a display, are connected to the load.
Dieser Umstand führt zu dem in
In der dargestellten Schaltung liegen die Last Rlast und der Regler USI Lowside, die Istspannung Umess für den Istwert des Stroms Imess wird Highside mittels eines Fühlwiderstands Rmess abgegriffen. Die Istspannung Umess wird als Differenzspannung über zwei parallel geschaltete Spannungsteiler T, die eingangsseitig und ausgangsseitig mit dem Fühlwiderstand Rmess verbunden sind, auf Masse bezogen. Die Istspannung Umess ist unabhängig von der Versorgungsspannung DCin, undhängt lediglich von dem durch den Fühlwiderstand Rmess fließenden Strom Imess ab, der dem Strom Ilast durch die Last Rlast, entspricht.In the circuit shown, the load R last and the regulator USI are on the low side, the actual voltage U mess for the actual value of the current I mess is tapped off on the high side using a sensing resistor R mess . The actual voltage U mess is referenced to ground as a differential voltage via two parallel-connected voltage dividers T, which are connected to the sensing resistor R mess on the input side and output side. The actual voltage U mess is independent of the supply voltage DC in , and depends only on the current I mess flowing through the sensing resistor R mess , which corresponds to the current I last through the load R last .
Die gezeigte Schaltung hat allerdings Nachteile. Zum einen, wird zur Verstärkung der an den Spannungsteilern T anliegenden Spannung ein weiterer Differenzverstärker benötigt. Ferner müssen sowohl die Spannungsteiler T als auch die Differenzverstärker für hohe Werte der Versorgungsspannung DCin geeignet sein.The circuit shown does have disadvantages, however. Firstly, an additional differential amplifier is required to amplify the voltage applied to the voltage dividers T. Furthermore, both the voltage dividers T and the differential amplifiers must be suitable for high values of the supply voltage DC in .
Durch die Spannungsteiler T wird auch die Istspannung Umess heruntergeteilt, d.h. dass die an den Spannungsteilern T abgreifbare Differenzspannung im Teilungsverhältnis der Spannungsteiler T reduziert wird. Durch die geringer werdende Differenzspannung wird auch die Regelung tendenziell weniger genau und damit schlechter. Dennoch ist die vorliegende Schaltung üblich und verschiedene Halbleiterhersteller bieten integrierte Schaltungen mit diesem Aufbau an.The actual voltage U mess is also divided down by the voltage divider T, which means that the differential voltage that can be tapped at the voltage divider T is reduced in the division ratio of the voltage divider T. As the differential voltage decreases, the control tends to become less precise and therefore worse. Nevertheless, the circuit shown is common and various semiconductor manufacturers offer integrated circuits with this structure.
Wie bereits erwähnt, kann es sich bei der Last Rlast auch um eine komplexe Last, bspw. Zweileiter-Elektronik handeln, z.B. mit 4-20 mA Schnittstelle. Bei 4-20 mA Schnittstellen steht der in die Stromschleife eingeprägte Strom Ig in Korrelation zu einem Messwert.As already mentioned, the load R load can also be a complex load, e.g. two-wire electronics, e.g. with 4-20 mA cut For 4-20 mA interfaces, the current I g impressed into the current loop is correlated to a measured value.
Unter einem Zweileiter-Feldgerät gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feldgerät verstanden, das über zwei Leitungen mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei über diese beiden Leitungen sowohl eine Energieversorgung als auch eine Messwertübermittlung stattfindet.A two-wire field device according to the present invention is understood to be a field device that is connected to a higher-level unit via two lines, wherein both a power supply and a measured value transmission take place via these two lines.
Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem Zweileiter-Feldgerät und den übergeordneten Einheiten erfolgt dabei nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife, d.h. eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt.The energy and/or signal transmission between the two-wire field device and the higher-level units is carried out according to the well-known 4 mA to 20 mA standard, in which a 4 mA to 20 mA current loop, i.e. a two-wire line, is formed between the field device and the higher-level unit. In addition to the analog transmission of signals, it is possible for the measuring devices to transmit additional information to or receive information from the higher-level unit according to various other protocols, particularly digital protocols. Examples of this include the HART protocol or the Profibus-PA protocol.
Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen.
Bei Zweileiter-Feldgeräten ist die zur Verfügung stehende Eingangsleistung erheblich beschränkt. Die Elektronik im Feldgerät muss so ausgelegt sein, dass sie auch bei einem minimalen Signalstrom von 4 mA noch zuverlässig arbeitet.The power supply for these field devices is also provided via the 4 mA to 20 mA current signal, so that no additional supply line is required in addition to the two-wire line. In order to keep the wiring and installation effort as well as the safety measures as low as possible, for example when used in explosion-proof areas, it is also not desirable to provide additional power supply lines.
With two-wire field devices, the available input power is significantly limited. The electronics in the field device must be designed in such a way that they still work reliably even with a minimum signal current of 4 mA.
In
Abhilfe könnte auch hier eine Schaltung nach
Ausgehend von dieser Konstellation gibt es zwei Varianten: Entweder liegt wie in
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Verfügung zu stellen, mittels der eine verbesserte Spannungsmessung ohne direkten Massebezug und damit auch eine Stromermittlung ohne direkten Massebezug möglich ist.It is the object of the present invention to provide a circuit arrangement by means of which an improved voltage measurement without direct ground reference and thus also a current determination without direct ground reference is possible.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Regelung eines Stroms durch eine Last unbekannter Größe mit einem Regler, dem eine Sollspannung und eine von dem zu regelnden Strom abhängige Istspannung zugeführt sind, und der abhängig von einer Differenz von Sollspannung und Istspannung den Strom regelt, wobei die Istspannung an einem zu der Last in Reihe geschalteten Fühlwiderstand abgreifbar ist, wobei der Fühlwiderstand Highside angeordnet ist und keinen unmittelbaren Massebezug aufweist, und wobei die Sollspannung von einer Lowside liegenden Schaltungskomponente zur Verfügung gestellt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Spannungstransfer erfolgt und in einer ersten Variante der Regler Lowside angeordnet ist und die an dem Fühlwiderstand abgegriffene Istspannung von Highside nach Lowside transferiert wird, oder in einer zweiten Variante der Regler Highside angeordnet ist und die Sollspannung von Lowside nach Highside transferiert wird.A circuit arrangement according to the invention for regulating a current through a load of unknown size with a regulator to which a target voltage and an actual voltage dependent on the current to be regulated are supplied, and which regulates the current depending on a difference between the target voltage and the actual voltage, wherein the actual voltage can be tapped at a sensing resistor connected in series with the load, wherein the sensing resistor is arranged highside and has no direct ground reference, and wherein the target voltage is provided by a circuit component located lowside, is characterized in that a voltage transfer takes place and in a first variant the regulator is arranged lowside and the actual voltage tapped at the sensing resistor is transferred from highside to lowside, or in a second variant the regulator is arranged highside and the target voltage is transferred from lowside to highside.
Als Highside werden in der vorliegenden Anmeldung Schaltungsabschnitte verstanden, die mit einer Versorgungsspannung, insbesondere mit einem positiven Anschluss der Versorgungsspannung, verbunden sind. Als Lowside werden Schaltungsabschnitte verstanden, die mit Masse verbunden sind. Eine Trennung zwischen Highside und Lowside liegt in der Regel bei der Last, die mit der Versorgungsspannung versorgt wird.In the present application, highside refers to circuit sections that are connected to a supply voltage, in particular to a positive connection of the supply voltage. Lowside refers to circuit sections that are connected to ground. A separation between highside and lowside is usually at the load that is supplied with the supply voltage.
Dadurch, dass in der vorliegenden Schaltungsanordnung ein Transfer der Istspannung von Highside nach Lowside oder der Sollspannung von Lowside nach Highside erfolgt, kann auf aufwändige Filter und Verstärkungsanordnungen verzichtet werden. Dies ist insbesondere möglich, da die jeweilige Spannung vorzugsweise in voller Höhe übertragen wird, und nicht, wie bspw. im Stand der Technik durch Spannungsteiler deutlich reduziert. Nichtlinearitäten, Fertigungstoleranzen bei den Bauteilen, Signalverunreinigungen und thermische Effekte haben damit keine so großen Auswirkungen mehr. Die Regelung wird dadurch direkter und weniger störanfällig.Because the actual voltage is transferred from highside to lowside or the target voltage from lowside to highside in the present circuit arrangement, complex Filters and amplification arrangements can be dispensed with. This is possible in particular because the respective voltage is preferably transmitted in full and not, as in the prior art, significantly reduced by voltage dividers. Non-linearities, manufacturing tolerances in the components, signal contamination and thermal effects no longer have such a large impact. The control is therefore more direct and less susceptible to interference.
In einer Ausgestaltungsvariante ist die die Sollspannung zur Verfügung stellende Schaltungskomponente die Last, die insbesondere als Zweileiter-Elektronik ausgebildet sein kann.In one design variant, the circuit component providing the target voltage is the load, which can in particular be designed as a two-wire electronics.
Bei einem Zweileitersensor wird mit der integrierten Zweileiter-Elektronik über den in der Zweileiter-Schleife fließenden Strom ein Messwert übermittelt. Das bedeutet, dass die Zweileiter-Elektronik Messwertabhängig vorgibt, welcher Strom in der Zweileiter-Schleife fließen soll. Die Regelung dieses in der Zweileiter-Schleife fließenden Stroms wird durch Vergleich der über dem Fühlwiderstand abfallenden, stromabhängigen Istspannung mit einer von der Zweileiter-Elektronik ausgegebenen Sollspannung ermittelt. Entweder wird diese Sollspannung von Lowside nach Highside übertragen (transferiert), sodass der Regler dort sitzen und unmittelbar die Istspannung mit der transferierten Sollspannung vergleichen kann. Alternativ wird die Istspannung von Highside nach Lowside übertragen und der dort angeordnete Regler vergleicht die transferierte Istspannung mit der von der Lowside zur Verfügung gestellten Sollspannung.In a two-wire sensor, the integrated two-wire electronics transmit a measured value via the current flowing in the two-wire loop. This means that the two-wire electronics specify which current should flow in the two-wire loop depending on the measured value. The regulation of this current flowing in the two-wire loop is determined by comparing the current-dependent actual voltage falling across the sensing resistor with a target voltage output by the two-wire electronics. Either this target voltage is transferred from the low side to the high side so that the controller can sit there and immediately compare the actual voltage with the transferred target voltage. Alternatively, the actual voltage is transferred from the high side to the low side and the controller located there compares the transferred actual voltage with the target voltage provided by the low side.
In einer bevorzugten Ausgestaltungform erfolgt der Spannungstransfer mittels wenigstens einem geschalteten Kondensator und einem zweiten Kondensator. Durch entsprechende Ladungsausgleichsvorgänge zwischen dem geschalteten Kondensator und dem zweiten Kondensator kann die jeweilige Spannung zuverlässig und mit wenigen Schaltzyklen in voller Höhe von Highside nach Lowside oder vice versa übertragen werden.In a preferred embodiment, the voltage transfer takes place by means of at least one switched capacitor and a second capacitor. Through appropriate charge balancing processes between the switched capacitor and the second capacitor, the respective voltage can be transferred reliably and in full from high side to low side or vice versa with just a few switching cycles.
In einer konkreten Ausgestaltung ist in der ersten Variante der geschaltete Kondensator Highside parallel zu dem Fühlwiderstand angeordnet und über gleichgetaktet ansteuerbare Wechselschalter mit dem zweiten Kondensator verbindbar, wobei der zweite Kondensator Lowside angeordnet und einerseits mit Masse und andererseits mit dem Regler verbunden ist. In der zweiten Variante ist der geschaltete Kondensator einerseits mit der Sollspannung und andererseits mit Masse verbunden und über gleichgetaktet ansteuerbare Wechselschalter mit dem zweiten Kondensator verbindbar, wobei der zweite Kondensator Highside angeordnet und einerseits mit der Versorgungsspannung und andererseits mit dem Regler verbunden ist.In a specific embodiment, in the first variant, the switched capacitor highside is arranged parallel to the sensing resistor and can be connected to the second capacitor via a changeover switch that can be controlled in the same time, with the second capacitor lowside being arranged and connected to ground on the one hand and to the regulator on the other. In the second variant, the switched capacitor is connected to the target voltage on the one hand and to ground on the other hand and can be connected to the second capacitor via a changeover switch that can be controlled in the same time, with the second capacitor highside being arranged and connected to the supply voltage on the one hand and to the regulator on the other.
Diese beiden Varianten der vorliegenden Schaltungsanordnung gewährleisten einen einfachen Aufbau mit wenigen Komponenten und eine effiziente Übertragung der jeweiligen Spannung von Highside nach Lowside bzw. von Lowside nach Highside.These two variants of the present circuit arrangement ensure a simple structure with few components and an efficient transmission of the respective voltage from highside to lowside or from lowside to highside.
In einer Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Wechselschalter als Halbleiterschaltelemente ausgebildet. Durch entsprechende Halbleiterschaltelemente kann eine energie- und platzsparende sowie robuste Realisierung der vorliegenden Schaltungsanordnung geschaffen werden. Halbleiterschaltelemente bieten die Möglichkeit eines diskreten Aufbaus der Schaltungsanordnung, d.h. unter Verwendung einer Vielzahl einzelner, diskreter Bauelemente, ermöglichen aber auch einen hybriden oder integrierten Aufbau, d.h. die Integration von Teilen der Schaltungsanordnung oder auch der gesamten Schaltungsanordnung.In one embodiment of the invention, the changeover switches are designed as semiconductor switching elements. Using appropriate semiconductor switching elements, an energy- and space-saving as well as robust implementation of the present circuit arrangement can be created. Semiconductor switching elements offer the possibility of a discrete structure of the circuit arrangement, i.e. using a large number of individual, discrete components, but also enable a hybrid or integrated structure, i.e. the integration of parts of the circuit arrangement or even the entire circuit arrangement.
Entsprechende Halbleiterschaltelemente können bspw. mittels MOSFETs realisiert werden.Corresponding semiconductor switching elements can be realized, for example, using MOSFETs.
Für eine besonders einfache Realisierung der Schaltungsanordnung können der geschaltete Kondensator und der zweite Kondensator einen identischen Kapazitätswert aufweisen. Vorzugsweise handelt es sich dabei, bei diskretem Aufbau um identische Bauelemente, bei integriertem Aufbau um identisch hergestellte Komponenten. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass externe Einflüsse identisch auf beide Kondensatoren wirken. So sind bspw. thermische Einflüsse vernachlässigbar.For a particularly simple implementation of the circuit arrangement, the switched capacitor and the second capacitor can have an identical capacitance value. In a discrete design, these are preferably identical components, and in an integrated design, they are identically manufactured components. This ensures that external influences have the same effect on both capacitors. Thermal influences, for example, are negligible.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weisen der geschaltete Kondensator und der zweite Kondensator einen Kapazitätswert zwischen 1 nF und 10 nF, bevorzugt zwischen 1 nF und 5 nF, auf. Für eine energiesparende Realisierung der vorliegenden Schaltung hat sich gezeigt, dass die Größe der verwendeten Kapazität einen maßgeblichen Einfluss aufweist. Je größer die Kapazität der verwendeten Kondensatoren ist, umso mehr Ladung müssen für einen Spannungstransfer jeweils übertragen werden. Konkret bedeutet ein mehr an übertragener Ladung auch ein mehr an Energieverbrauch, was insbesondere bei Zweileiterfeldgeräten zu vermeiden ist.In a preferred embodiment, the switched capacitor and the second capacitor have a capacitance value between 1 nF and 10 nF, preferably between 1 nF and 5 nF. For an energy-saving implementation of the present circuit, it has been shown that the size of the capacitance used has a significant influence. The larger the capacitance of the capacitors used, the more charge must be transferred for a voltage transfer. In concrete terms, more transferred charge also means more energy consumption, which is to be avoided in particular with two-wire field devices.
Bevorzugt weisen die verwendeten Komponenten eine Spannungsfestigkeit von wenigstens 30 V auf. Industrieüblich ist eine Nennspannung von 24 V, sodass mit 30 V ausreichend Toleranzen berücksichtigt sind.Preferably, the components used have a dielectric strength of at least 30 V. A nominal voltage of 24 V is common in the industry, so 30 V takes sufficient tolerances into account.
Da Zweileiter-Sensoren und -Feldgeräte mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen im Bereich von 5 V bis 30 V betrieben werden können, ist es wichtig, dass die vorliegende Schaltungsanordnung eine Spannungsfestigkeit aufweist, die die gesamte Bandbreite an möglichen Eingangsspannungen abdeckt.Since two-wire sensors and field devices can be operated with different supply voltages in the range of 5 V to 30 V, it is important that the circuit arrangement has a dielectric strength that covers the entire range of possible input voltages.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung eines Stroms durch eine Last unbekannter Größe mit einem Regler, dem eine Sollspannung und eine von dem zu regelnden Strom abhängige Istspannung zugeführt wird, und der abhängig von einer Differenz von Sollspannung und Istspannung den Strom regelt, wobei die Istspannung an einem zu der Last in Reihe geschalteten Fühlwiderstand abgegriffen wird, wobei der Fühlwiderstand Highside angeordnet ist und keinen unmittelbaren Massebezug aufweist, und wobei die Sollspannung von einer Lowside liegenden Schaltungskomponente zur Verfügung gestellt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Spannungstransfer erfolgt und in einer ersten Variante der Regler Lowside angeordnet ist und die an dem Fühlwiderstand abgegriffene Istspannung von Highside nach Lowside transferiert wird, oder in einer zweiten Variante der Regler Highside angeordnet ist und die Sollspannung von Lowside nach Highside transferiert wird.A method according to the invention for regulating a current through a load of unknown size with a regulator to which a target voltage and an actual voltage dependent on the current to be regulated are supplied, and which regulates the current depending on a difference between the target voltage and the actual voltage, wherein the actual voltage is tapped at a sensing resistor connected in series with the load, wherein the sensing resistor is arranged highside and has no direct ground reference, and wherein the target voltage is provided by a circuit component located lowside, is characterized in that a voltage transfer takes place and in a first variant the regulator is arranged lowside and the actual voltage tapped at the sensing resistor is transferred from highside to lowside, or in a second variant the regulator is arranged highside and the target voltage is transferred from lowside to highside.
Vorzugsweise wird der Strom durch die Last zur Übermittlung eines Messwertes geregelt.Preferably, the current is regulated by the load to transmit a measured value.
Bevorzugte Ausführungsformen, Merkmale und Eigenschaften des vorschlagsgemäßen Feldgeräts entsprechen denjenigen des vorschlagsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.Preferred embodiments, features and properties of the proposed field device correspond to those of the proposed method and vice versa.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die in den Unteransprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander als auch mit den in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterten Merkmale kombiniert werden und andere vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen.Advantageous embodiments and variants of the invention emerge from the subclaims and the following description. The features listed individually in the subclaims can be combined with each other in any technically reasonable manner and with the features explained in more detail in the following description and represent other advantageous embodiments of the invention.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
-
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte erste Schaltung zur Regelung eines Stroms (schon behandelt), -
2 eine aus dem Stand der Technik bekannte zweite Schaltung zur Regelung eines Stroms (schon behandelt), -
3 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Regelung eines Stroms (schon behandelt), -
4 eine Schaltung mit einer Last ohne direkten Massebezug und einer nachgeschalteten Schaltung mit Massebezug (schon behandelt), -
5 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung mit einem Highside angeordneten Regler (schon behandelt), -
6 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung mit einem Lowside angeordneten Regler (schon behandelt), -
7a eine erste Schaltung gemäß der vorliegenden Anmeldung mit einem Lowside angeordneten Regler in einer ersten Schaltstellung, -
7b die Schaltung aus7a in einer zweiten Schaltstellung, -
8a eine zweite Schaltung gemäß der vorliegenden Anmeldung mit einem Highside angeordneten Regler in einer ersten Schaltstellung und -
8b die Schaltung aus8a in einer zweiten Schaltstellung.
-
1 a first circuit known from the prior art for regulating a current (already discussed), -
2 a second circuit known from the prior art for regulating a current (already discussed), -
3 a circuit known from the state of the art for regulating a current (already discussed), -
4 a circuit with a load without direct ground reference and a downstream circuit with ground reference (already discussed), -
5 a circuit known from the state of the art with a high-side regulator (already discussed), -
6 a circuit known from the state of the art with a low-side regulator (already discussed), -
7a a first circuit according to the present application with a low-side arranged regulator in a first switching position, -
7b the circuit from7a in a second switching position, -
8a a second circuit according to the present application with a high-side regulator in a first switching position and -
8b the circuit from8a in a second switching position.
In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.In the figures, unless otherwise stated, identical reference symbols designate identical or corresponding components with identical functions.
Die in
An seinem invertierenden Eingang ist der Differenzverstärker USI mit der auf Lowside übertragenen Istspannung Umessls beaufschlagt, sodass der Differenzverstärker den Strom Ig abhängig von einer Differenz zwischen der auf Lowside übertragenen Istspannung Umessls und der Sollspannung Usoll regelt.At its inverting input, the differential amplifier USI is supplied with the actual voltage U messls transmitted to the low side, so that the differential amplifier regulates the current I g depending on a difference between the actual voltage U messls transmitted to the low side and the target voltage U soll .
Die Übertragung der Istspannung Umess von Highside auf Lowside erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel wie folgt.The transfer of the actual voltage U mess from highside to lowside takes place in the embodiment shown as follows.
Parallel zu dem Fühlwiderstand Rmess ist ein geschalteter Kondensator Csw (switched capacitor) angeordnet. Der geschaltete Kondensator Csw ist eingangsseitig und ausgangsseitig mit je einem Wechselschalter S1, S2 verbunden, der den geschalteten Kondensator Csw in einer ersten Schaltstellung parallel zu dem Fühlwiderstand Rmess und in einer zweiten Schaltstellung parallel zu einem zweiten Kondensator C2 schaltet. Die Wechselschalter S1, S2 sind beispielsweise als Halbleiterschaltelemente ausgebildet und mit einem Schaltsignal derart beaufschlagt, dass sie gleichgetaktet schalten.A switched capacitor C sw is arranged parallel to the sensing resistor R mess . The switched capacitor C sw is connected on the input side and output side to a changeover switch S1, S2, which switches the switched capacitor C sw in parallel to the sensing resistor R mess in a first switching position and in parallel to a second capacitor C 2 in a second switching position. The changeover switches S1, S2 are designed, for example, as semiconductor switching elements and are supplied with a switching signal in such a way that they switch in unison.
In der in
In der in
Der zweite Kondensator C2 wird mit jedem Schaltvorgang auf eine Spannung geladen, die näher an der Istspannung Umess liegt. Durch einen zweiten Schaltzyklus kann die Spannung an dem zweiten Kondensator C2 auf ¾ der Istspannung Umess aufgeladen werden. Ein dritter Zyklus lädt den zweiten Kondensator auf ⅞ Umess und jeder weitere Schaltzyklus halbiert den Abstand der Spannung an dem zweiten Kondensator Umessls zur Istspannung Umess weiter.The second capacitor C 2 is charged with each switching operation to a voltage that is closer to the actual voltage U mess . With a second switching cycle, the voltage on the second capacitor C 2 can be charged to ¾ of the actual voltage U mess . A third cycle charges the second capacitor to ⅞ U mess and each further switching cycle halves the difference between the voltage on the second capacitor U messls and the actual voltage U mess .
In der Praxis ist die Spannung an dem zweiten Kondensator C2 nach 15 bis 20 Zyklen, abhängig von der Dimensionierung der Schaltung und der Ausgangsladung des zweiten Kondensators C, mit hinreichender Genauigkeit erreicht.In practice, the voltage on the second capacitor C 2 is reached with sufficient accuracy after 15 to 20 cycles, depending on the dimensioning of the circuit and the output charge of the second capacitor C.
Ein Nachteil dieser Variante ist es, dass die Spannung Umessls an dem zweiten Kondensator C2 der Istspannung Umess aufgrund der notwendigen Schaltzyklen nur mit einer zeitlichen Verzögerung folgen kann. Durch geeignete Auswahl und Dimensionierung des Fühlwiderstands Rmess, der Kapazität des geschalteten Kondensators Csw und des zweiten Kondensators C2 sowie der Schaltfrequenz fschalt kann aber die Regelung trotzdem ausreichend schnell gestaltet werden.A disadvantage of this variant is that the voltage U messls on the second capacitor C 2 can only follow the actual voltage U mess with a time delay due to the necessary switching cycles. However, by appropriately selecting and dimensioning the sensing resistor R mess , the capacitance of the switched capacitor C sw and the second capacitor C 2 as well as the switching frequency f schalt , the control can still be made sufficiently fast.
Eine beispielhafte Dimensionierung der vorgenannten Bauelemente ist wie folgt:
Der Nachteil mit der zeitlichen Verzögerung der Schaltung gemäß
In dieser Ausgestaltungsform der Schaltungsanordnung ist der Fühlwiderstand Rmess direkt mit dem an Highside liegenden Regler USI verbunden. Es wird die von der Last Rlast, die auch in diesem Fall als Zweileiter-Elektronik ausgebildet ist, zur Verfügung gestellte Sollspannung Usoll von Lowside nach Highside übertragen. Dafür ist die Sollspannung Usoll dem geschalteten Kondensator Csw zugeführt, der auch in dieser Ausgestaltungsform mittels zweier Wechselschalter S1, S2 zwischen dem Steuerausgang der Zweilterelektronik und Masse und einer Parallelschaltung zu dem zweiten Kondensator C2 umschaltbar ist.In this embodiment of the circuit arrangement, the sensing resistor R mess is connected directly to the regulator USI on the high side. The target voltage U soll provided by the load R last , which in this case is also designed as a two-wire electronics, is transferred from the low side to the high side. For this purpose, the target voltage U soll is fed to the switched capacitor C sw , which in this embodiment can also be switched between the control output of the second electronics and ground and a parallel connection to the second capacitor C 2 by means of two changeover switches S1, S2.
In der in
In der in
In einer zweiten Phase in der Schaltstellung gemäß
Durch zyklisches Umschalten der Wechselschalter S1, S2 wird der zweite Kondensator C2 sukzessive über den geschalteten Kondensator Csw aufgeladen, bis die Spannung Usollhs an dem zweiten Kondensator C2 der Sollspannung Usoll entspricht.By cyclically switching the changeover switches S1, S2, the second capacitor C 2 is successively charged via the switched capacitor C sw until the voltage U sollhs on the second capacitor C 2 corresponds to the target voltage U soll .
In der Praxis ist das nach 15 bis 20 Zyklen, umfassend die erste Schaltstellung und die zweite Schaltstellung mit hinreichender Genauigkeit erreicht.In practice, this is achieved after 15 to 20 cycles, comprising the first switching position and the second switching position with sufficient accuracy.
In der in
Eine beispielhafte Dimensionierung der vorgenannten Bauelemente ist wie folgt:
In den dargestellten Schaltungsanordnungen der
Dadurch, dass auf temperaturabhängige Bauteile verzichtet werden kann, wird die Temperaturabhängigkeit der Regelung verringert. Ferner ist es durch eine geeignete Dimensionierung der verwendeten Bauteile möglich, die Schaltung äußerst energiesparend und gleichzeitig spannungsfest für Spannungen von bspw. bis zu 30 V zu realisieren.Because temperature-dependent components can be dispensed with, the temperature dependence of the control is reduced. Furthermore, by appropriately dimensioning the components used, it is possible to make the circuit extremely energy-efficient and at the same time voltage-resistant for voltages of up to 30 V, for example.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- C2C2
- zweiter Kondensatorsecond capacitor
- CswCsw
- geschalteter Kondensatorswitched capacitor
- DCinDCin
- Versorgungsspannung, SpannungsversorgungSupply voltage, power supply
- fschaltfswitch
- SchaltfrequenzSwitching frequency
- IlastIlast
- StromElectricity
- ImessImess
- IststromActual current
- RlastRlast
- Last, Zweileiter-ElektronikLoad, two-wire electronics
- RmessRmess
- FühlwiderstandSensing resistance
- S1, S2S1, S2
- WechselschalterChangeover switch
- TT
- SpannungsteilerVoltage divider
- UmessMeasure
- IstspannungActual voltage
- UmesslsUmessls
- Istspannung LowsideActual voltage lowside
- USIUSI
- Stromregler, ReglerCurrent regulator, regulator
- UsollUsoll
- SollspannungTarget voltage
- UsollhsUsollhs
- Sollspannung HighsideTarget voltage highside
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022129856.6A DE102022129856A1 (en) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | Implementation of a voltage without direct measurement reference |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022129856.6A DE102022129856A1 (en) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | Implementation of a voltage without direct measurement reference |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102022129856A1 true DE102022129856A1 (en) | 2024-05-16 |
Family
ID=91023977
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102022129856.6A Pending DE102022129856A1 (en) | 2022-11-11 | 2022-11-11 | Implementation of a voltage without direct measurement reference |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102022129856A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6118260A (en) * | 1999-10-28 | 2000-09-12 | Honeywell International Inc | Supply current regulator for two-wire sensors |
| EP3460419A1 (en) * | 2017-09-22 | 2019-03-27 | VEGA Grieshaber KG | Measurement assembly and measuring device with a measurement assembly |
-
2022
- 2022-11-11 DE DE102022129856.6A patent/DE102022129856A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6118260A (en) * | 1999-10-28 | 2000-09-12 | Honeywell International Inc | Supply current regulator for two-wire sensors |
| EP3460419A1 (en) * | 2017-09-22 | 2019-03-27 | VEGA Grieshaber KG | Measurement assembly and measuring device with a measurement assembly |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YUANMAO, Y.; CHENG, K. W. E.: Level-Shifting Multiple-Input Switched-Capacitor Voltage Copier. In: IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, S. 828-837. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE19723645B4 (en) | Arrangement for signal transmission between a donor site and a receiving site | |
| DE102022105693B3 (en) | Method for operating a pressure measuring cell of a capacitive pressure sensor | |
| DE102009034419B4 (en) | Field device for process instrumentation | |
| WO2017025140A1 (en) | Field device coupling unit and system | |
| DE3017669A1 (en) | CONTROL AMPLIFIER | |
| DE2944988C2 (en) | Charge amplifier circuit | |
| DE102014018182A1 (en) | Passive input filter with adjustable clamp for shunt measurements | |
| EP1203933B1 (en) | Sensor device for measuring at least one variable | |
| DE69728328T2 (en) | Device for stabilizing the cutoff frequency using a transconductance | |
| DE102022129856A1 (en) | Implementation of a voltage without direct measurement reference | |
| DE10220577C1 (en) | Sample-and-hold device for electrical input voltage signal has voltage lifting capacitor selectively inserted between regulating device and control inputs of sampling and mirror switches | |
| DE19947301C1 (en) | Current sensor calibration device for vehicles has controller connected via data lines to sensors, switch for second voltage source, second source itself and switch for constant current sink | |
| EP4139753A1 (en) | Automation field device | |
| DE102017121923A1 (en) | Measuring arrangement with an operating device and method for operating such a measuring arrangement | |
| DE4241822C2 (en) | Circuit arrangement for error detection when evaluating sensor signals | |
| DE102004036352A1 (en) | Circuit for current measurement and current monitoring | |
| DE102013213566A1 (en) | Apparatus and method for measuring a current intensity | |
| DE102023102482A1 (en) | USB connection device for a vehicle, vehicle and method therefor | |
| EP3373085B1 (en) | Circuit arrangement with multi-functional input, in particular for the control and regulation electronics of a pump unit | |
| EP2603772B1 (en) | Circuit for controlling and monitoring a signal current and measurement transducer having such a circuit | |
| DE102011087157A1 (en) | Process automation device | |
| DE10103817B4 (en) | DC-DC converter | |
| EP1247109B1 (en) | Electrical circuit arrangement for converting an electrical input variable into an output electrical voltage | |
| DE102019219759B4 (en) | Circuit arrangement for detecting a current flowing through a bipolar load | |
| DE19925238A1 (en) | Edge control device for an electrical data transmission system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication |