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DE102022129856A1 - Implementation of a voltage without direct measurement reference - Google Patents

Implementation of a voltage without direct measurement reference Download PDF

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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
Application number
DE102022129856.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Ralf Körnle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vega Grieshaber KG
Original Assignee
Vega Grieshaber KG
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vega Grieshaber KG filed Critical Vega Grieshaber KG
Priority to DE102022129856.6A priority Critical patent/DE102022129856A1/en
Publication of DE102022129856A1 publication Critical patent/DE102022129856A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04QSELECTING
    • H04Q9/00Arrangements 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
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    • G05F1/46Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
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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.

Figure DE102022129856A1_0000
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.
Figure DE102022129856A1_0000

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 patent claim 1, a measuring arrangement according to the preamble of patent claim 10 and a method for measuring a voltage according to the preamble of patent claim 11.

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 1 und 2 dargestellt.This principle, known from the state of the art, is in the 1 and 2 shown.

1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte erste Schaltung zur Regelung eines Stroms Ig. 1 shows a first circuit known from the prior art for regulating a current I g .

Bei der in 1 gezeigten Schaltung ist die Last Rlast an den Pluspol einer Spannungsversorgung DCin angeschlossen und hat keinen direkten Massebezug. Ein Stromregler USI, nachfolgend auch kurz als Regler bezeichnet, erhält die stromabhängige Istspannung Umess über einen separaten Fühlwiderstand Rmess, der in Reihe zur Last Rlast liegt. Der über den Fühlwiderstand Rmess fließende Strom Ilast verursacht an diesem einen Spannungsabfall in der Höhe der für die Messung verwendeten Istspannung Umess, die dann in der Folge weiterverarbeitet werden kann. Zur Regelung sind dem Stromregler USI die Sollspannung Usoll und die Istspannung Umess zugeführt.At the 1 In the circuit shown, the load R last is connected to the positive pole of a DC power supply and has no direct ground reference. A current regulator USI, hereinafter also referred to as regulator for short, receives the current-dependent actual voltage U mess via a separate sensing resistor R mess , which is connected in series with the load R last . The current I last flowing through the sensing resistor R mess causes a voltage drop at this resistor at the level of the actual voltage U mess used for the measurement, which can then be further processed. The target voltage U target and the actual voltage U mess are fed to the current regulator USI for control purposes.

2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte zweite Schaltung zur Regelung eines Stroms Ig, falls eine Größe oder ein Verhalten der Last Rlast bekannt ist. 2 shows a second circuit known from the prior art for controlling a current I g if a size or behavior of the load R last is known.

Ist die Last Rlast bekannt, so kann gemäß dem Ausführungsbeispiel in 2 die Last Rlast unmittelbar an Masse angeschlossen und auf den Fühlwiderstand Rmess verzichtet werden. Da bekannt ist, welchen Widerstand die Last Rlast aufweist, kann die Istspannung Umess, also der Spannungsabfall über der Last Rlast, zur Regelung herangezogen werden.If the load R last is known, then according to the embodiment in 2 the load R load can be connected directly to ground and the sensing resistor R mess can be omitted. Since the resistance of the load R load is known, the actual voltage U mess , i.e. the voltage drop across the load R load , can be used for control.

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 3 dargestellten Konzept.This circumstance leads to the 3 presented concept.

3 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltung zur Regelung eines Stroms Ig. 3 shows a circuit known from the prior art for controlling a current I g .

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 4 ist die Problematik mit einem fehlenden Massebezug der Last Rlast, vorliegend einer Zweileiter-Elektronik mit einer 4-20 mA Schnittstelle zur Messwertübermittlung dargestellt. Aufgrund des fehlenden Massebezugs der Zweileiter-Elektronik Rlast und der Massekopplung einer nachgeschalteten Schaltung Ext liegt an dem Verbindungsknoten zwischen der Zweileiter-Elektronik Rlast und der nachgeschalteten Schaltung Ext ein variables Potential an, das im dargestellten Fall von der Größe des Fühlwiderstands Rmess und dem Schleifenstrom Ilast abhängt.In 4 the problem with a missing ground reference of the load R last , in this case a two-wire electronics with a 4-20 mA interface for the transmission of measured values, is shown. Due to the missing ground reference of the two-wire electronics R last and the ground coupling of a downstream circuit Ext, a variable potential is present at the connection node between the two-wire electronics R last and the downstream circuit Ext, which in the case shown depends on the size of the sensing resistance R mess and the loop current I last .

Abhilfe könnte auch hier eine Schaltung nach 3 schaffen, die Ungenauigkeiten und Trägheit dieser Schaltung können in dieser Anwendung aber nicht toleriert werden. Es wird deshalb nach den in 5 und 6 gezeigten Verfahren gearbeitet. Die Zweileiter-Elektronik liegt Lowside mit Massebezug und erzeugt den massebezogenen Sollwert Usoll. Der Fühlwiderstand Rmess befindet sich Highside.A solution could be a circuit according to 3 However, the inaccuracies and sluggishness of this circuit cannot be tolerated in this application. It is therefore recommended to use the 5 and 6 The two-wire electronics are located lowside with ground reference and generate the ground-related setpoint U set . The sensing resistor R mess is located highside.

Ausgehend von dieser Konstellation gibt es zwei Varianten: Entweder liegt wie in 5 der Regler auf Highside, und der Sollwert Usoll muss von Lowside nach Highside übertragen werden. Oder es liegt wie in 6 der Regler auf Lowside, und es muss der Istwert Umess von Highside nach Lowside übertragen werden. Die Schaltung nach 5 kann vorteilhaft sein, weil der Istwert Umess direkt zum Regler Highside geführt wird und dieser dann den Strom Ig gegebenenfalls schneller nachregeln kann, als wenn Umess zunächst über eine weitere Verstärkerstufe an den Regler Lowside geführt wird.Based on this constellation, there are two variants: Either, as in 5 the controller is on highside, and the setpoint U soll must be transferred from lowside to highside. Or it is as in 6 the controller to lowside, and the actual value U mess must be transferred from highside to lowside. The circuit according to 5 can be advantageous because the actual value U mess is fed directly to the high-side regulator, which can then adjust the current I g more quickly if necessary than if U mess is first fed to the low-side regulator via another amplifier stage.

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 aus 7a 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 aus 8a in einer zweiten Schaltstellung.
The present invention is explained in detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. They show:
  • 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 from 7a 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 from 8a 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.

7 zeigt in den beiden 7a und 7b zwei Zustände der Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung. 7 shows in the two 7a and 7b two states of the circuit arrangement according to the present application.

Die in 7 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Spannungsversorgung DCin auf, die einerseits mit Masse und andererseits mit Highside verbunden ist. Am Highside Ausgang der Spannungsversorgung DCin ist ein Fühlwiderstand Rmess in Reihe mit der Spannungsversorgung DCin verbunden, sodass abhängig von einem den Fühlwiderstand Rmess durchfließenden Strom Ilast eine Istspannung Umess an dem Fühlwiderstand Rmess abfällt. Dieser liegt in Reihe mit einer gesteuerten Stromquelle, der ihr Regelsignal von einem Differenzverstärker USI zugeführt ist. Der Differenzverstärker ist eingangsseitig an seinem nicht invertierenden Eingang mit einer Sollspannung Usoll beaufschlagt, die von der als Zweileiterelektronik ausgestalteten Last Rlast zur Verfügung gestellt wird.In the 7 The circuit arrangement shown has a voltage supply DC in , which is connected on the one hand to ground and on the other hand to highside. At the highside output of the voltage supply DC in , a sensing resistor R mess is connected in series with the voltage supply DC in , so that depending on a current I last flowing through the sensing resistor R mess , an actual voltage U mess drops across the sensing resistor R mess . This is connected in series with a controlled current source, to which its control signal is fed from a differential amplifier USI. The differential amplifier is supplied on the input side at its non-inverting input with a target voltage U target , which is provided by the load R last designed as a two-wire electronics.

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 7a gezeigten ersten Schaltstellung, in der der geschaltete Kondensator Csw parallel zu dem Fühlwiderstand Rmess geschaltet ist, lädt sich der geschaltete Kondensator Csw auf die über den Fühlwiderstand Rmess abfallende Istspannung Umess auf.In the 7a In the first switching position shown, in which the switched capacitor C sw is connected in parallel to the sensing resistor R mess , the switched capacitor C sw is charged to the actual voltage U mess falling across the sensing resistor R mess .

In der in 7b gezeigten zweiten Schaltstellung ist der geschaltete Kondensator Csw parallel zu dem zweiten Kondensator C2 geschaltet, sodass zwischen dem geschalteten Kondensator Csw und dem zweiten Kondensator C2 ein Ladungsausgleich stattfindet. In einem ersten Schaltzyklus umfassend den ersten Schaltzustand und den zweiten Schaltzustand wird der zweite Kondensator C2 - vorausgesetzt er war vorher ungeladen - auf die Hälfte der an dem Fühlwiderstand Rmess anliegenden Istspannung Umess aufgeladen (wenn Csw = C2). Die Spannung Umessls an dem zweiten Kondensator C2 beträgt damit ½ Umess.In the 7b In the second switching position shown, the switched capacitor C sw is connected in parallel to the second capacitor C 2 so that a charge equalization takes place between the switched capacitor C sw and the second capacitor C 2 . In a first switching cycle comprising the first switching state and the second switching state, the second capacitor C 2 - assuming it was previously uncharged - is charged to half the actual voltage U mess applied to the sensing resistor R mess (if C sw = C 2 ). The voltage U messls on the second capacitor C 2 is therefore ½ U mess .

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: R mess = 10   Ω ,

Figure DE102022129856A1_0001
C sw = C 2 = 1  nF ,
Figure DE102022129856A1_0002
f schalt = 100  kHz mit 50 %  Tastverh a ¨ ltnis .
Figure DE102022129856A1_0003
An example dimensioning of the above-mentioned components is as follows: R measure = 10 Ω ,
Figure DE102022129856A1_0001
C sb = C 2 = 1 nF ,
Figure DE102022129856A1_0002
e switch = 100 kHz with 50 % Touch ratio a ¨ ltnis .
Figure DE102022129856A1_0003

Der Nachteil mit der zeitlichen Verzögerung der Schaltung gemäß 7 kann mit dem in 8 gezeigten Konzept umgangen werden.The disadvantage with the time delay of the circuit according to 7 can be used with the 8th shown concept can be circumvented.

8 zeigt in den beiden 8a und 8b zwei Zustände einer zweiten Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Anmeldung. 8th shows in the two 8a and 8b two states of a second circuit arrangement according to the present application.

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 8a dargestellten ersten Schaltstellung ist der geschaltete Kondensator Csw über die beiden Wechselschalter S1, S2 einerseits mit der von der Zweileiter-Elektronik zur Verfügung gestellten Sollspannung Usoll und andererseits mit Masse verbunden. In dieser Schaltstellung wird der geschaltete Kondensator Csw auf die Sollspannung Usoll aufgeladen.In the 8a In the first switching position shown, the switched capacitor C sw is connected via the two changeover switches S1, S2 on the one hand to the target voltage U soll provided by the two-wire electronics and on the other hand to ground. In this switching position, the switched capacitor C sw is charged to the target voltage U soll .

In der in 8b gezeigten zweiten Schaltstellung ist der geschaltete Kondensator Csw über die beiden Wechselschalter S1, S2 parallel zu dem zweiten Kondensator C2 geschaltet. Dadurch findet ein Ladungsausgleich zwischen dem geschalteten Kondensator Csw und dem zweiten Kondensator C2 statt, sodass nach dem Ladungsausgleich an dem zweiten Kondensator C2 als Spannung Usollhs die halbe Sollspannung Usoll anliegt (wenn Usollhs vorher 0 war und Csw = C2).In the 8b In the second switching position shown, the switched capacitor C sw is connected in parallel to the second capacitor C 2 via the two changeover switches S1, S2. This results in a charge equalization between the switched capacitor C sw and the second capacitor C 2 , so that after the charge equalization, half the target voltage U soll is present as voltage U sollhs on the second capacitor C 2 (if U sollhs was previously 0 and C sw = C 2 ).

In einer zweiten Phase in der Schaltstellung gemäß 8a wird der geschaltete Kondensator Csw wieder an die Sollspannung Usoll gelegt und der geschaltete Kondensator Csw wieder auf Usoll aufgeladen. Daran anschließend folgt wieder eine Phase in der Schaltstellung gemäß 8b, in der der geschaltete Kondensator Csw mit dem zweiten Kondensator C2 verbunden wird und durch den erfolgenden Ladungsausgleich die an dem zweiten Kondensator C2 anliegende Spannung Usollhs auf ¾ der Sollspannung Usoll ansteigt.In a second phase in the switching position according to 8a the switched capacitor C sw is again connected to the target voltage U soll and the switched capacitor C sw is charged again to U soll . This is followed by another phase in the switching position according to 8b , in which the switched capacitor C sw is connected to the second capacitor C 2 and due to the resulting charge equalization the voltage U sollhs applied to the second capacitor C 2 increases to ¾ of the target voltage U soll .

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 8 dargestellten Schaltungsanordnung folgt die Spannung Usollhs an dem zweiten Kondensator C2 der Sollspannung Usoll mit einer zeitlichen Verzögerung, dies stellt aber kein Problem dar, wenn die Schaltfrequenz fschalt, mit der die beiden Wechselschalter S1, S2 umgeschaltet werden, ca. 15-20 mal so groß ist wie die Aktualisierungsrate von der Sollspannung Usoll. Dies ist in den meisten Anwendungsfällen gegeben, sodass die gezeigte Schaltungsanordnung sämtliche vorbenannten Probleme löst.In the 8th In the circuit arrangement shown, the voltage U sollhs on the second capacitor C 2 follows the target voltage U soll with a time delay, but this is not a problem if the switching frequency f schalt , with which the two changeover switches S1, S2 are switched, is approximately 15-20 times as high as the update rate of the target voltage U soll . This is the case in most applications, so the circuit arrangement shown solves all of the problems mentioned above.

Eine beispielhafte Dimensionierung der vorgenannten Bauelemente ist wie folgt: R mess = 10

Figure DE102022129856A1_0004
C sw = C 2 = 1  nF ,
Figure DE102022129856A1_0005
f schalt = 1  kHz mit  50 %  Tastverh a ¨ ltnis .
Figure DE102022129856A1_0006
An example dimensioning of the above-mentioned components is as follows: R measure = 10
Figure DE102022129856A1_0004
C sb = C 2 = 1 nF ,
Figure DE102022129856A1_0005
e switch = 1 kHz with 50 % Touch ratio a ¨ ltnis .
Figure DE102022129856A1_0006

In den dargestellten Schaltungsanordnungen der 7 und 8 wird jeweils nur noch ein einziger präziser Verstärker als Stromregler USI benötigt. Die Umsetzung der an dem Fühlwiderstand Rmess abfallenden Istspannung Umess von Highside nach Lowside, bzw. der Sollspannung Usoll von Lowside nach Highside erfolgt mittels der Kondensatoren Csw, C2. Die Kapazitätswerte der verwendeten Kondensatoren Csw, C2 und deren Drift haben keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Regelung. Die Schaltungsanordnung kann so ausgelegt werden, dass die Widerstände der Wechselschalter S1, S2 keinen relevanten Einfluss auf die Genauigkeit der Regelung haben. Es besteht lediglich die Anforderung geringer Leckströme. Geeignete Kondensatoren und Schalter sind auf dem Markt verfügbar.In the circuit arrangements shown, the 7 and 8th only a single precise amplifier is required as a current regulator USI. The conversion of the actual voltage U mess falling across the sensing resistor R mess from high side to low side, or the target voltage U soll from low side to high side, is carried out by means of the capacitors C sw , C 2 . The capacitance values of the capacitors C sw , C 2 used and their drift have no influence on the accuracy of the control. The circuit arrangement can be designed in such a way that the resistances of the changeover switches S1, S2 have no relevant influence on the accuracy of the control. The only requirement is low leakage currents. Suitable capacitors and switches are available on the market.

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)

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.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 , whereby - the actual voltage U mess can be tapped off at a sensing resistor R mess connected in series with the load R load , whereby the sensing resistor R mess is arranged on the high side and has no direct ground reference, and - the target voltage U target is made available by a circuit component lying on the low side, characterized in that a voltage transfer takes place and in a first variant the regulator USI is arranged on the low side and the actual voltage U mess tapped off at the sensing resistor R mess is transferred from the high side to the low side, or in a second variant the regulator is arranged on the high side and the target voltage U target is transferred from the low side to the high side. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Sollspannung Usoll zur Verfügung stellende Schaltungskomponente die Last Rlast ist.Circuit arrangement according to Claim 1 , characterized in that the target span The circuit component providing the voltage U is the load R last . Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Last Rlast als Zweileiter-Elektronik ausgebildet ist.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the load R last is designed as a two-wire electronics. Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollspannung Usoll von der Zweileiter-Elektronik generiert wird und an dieser abgreifbar ist.Circuit arrangement according to Patent claim 3 , characterized in that the target voltage U soll is generated by the two-wire electronics and can be tapped therefrom. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungstransfer mittels wenigstens einem geschalteten Kondensator Csw und einem zweiten Kondensator C2 erfolgt.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage transfer takes place by means of at least one switched capacitor C sw and a second capacitor C 2 . Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Variante der geschaltete Kondensator Csw Highside parallel zu dem Fühlwiderstand Rmess angeordnet ist und über gleichgetaktet ansteuerbare Wechselschalter S1, S2 mit dem zweiten Kondensator C2 verbindbar ist, wobei der zweite Kondensator C2 Lowside angeordnet und einerseits mit Masse und andererseits mit dem Regler USI verbunden ist und in der zweiten Variante der geschaltete Kondensator Csw einerseits mit der Sollspannung Usoll und andererseits mit Masse verbunden ist und über gleichgetaktet ansteuerbare Wechselschalter S1, S2 mit dem zweiten Kondensator C2 verbindbar ist, wobei der zweite Kondensator C2 Highside angeordnet und einerseits mit der Versorgungsspannung DCin und andererseits mit dem Regler USI verbunden ist.Circuit arrangement according to Claim 5 , characterized in that in the first variant the switched capacitor C sw highside is arranged parallel to the sensing resistor R mess and can be connected to the second capacitor C 2 via synchronously controllable changeover switches S1, S2, wherein the second capacitor C 2 lowside is arranged and is connected on the one hand to ground and on the other hand to the regulator USI and in the second variant the switched capacitor C sw is connected on the one hand to the target voltage U soll and on the other hand to ground and can be connected to the second capacitor C 2 via synchronously controllable changeover switches S1, S2, wherein the second capacitor C 2 highside is arranged and is connected on the one hand to the supply voltage DC in and on the other hand to the regulator USI. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselschalter S1, S2 als Halbleiterschaltelemente ausgebildet sind.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the changeover switches S1, S2 are designed as semiconductor switching elements. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geschaltete Kondensator Csw und der zweite Kondensator C2 einen identischen Kapazitätswert aufweisen.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the switched capacitor C sw and the second capacitor C 2 have an identical capacitance value. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der geschaltete Kondensator Csw und der zweite Kondensator C2 einen Kapazitätswert zwischen 1 nF und 10 nF, bevorzugt zwischen 1 nF und 5 nF, aufweisen.Circuit arrangement according to Claim 8 , characterized in that the switched capacitor C sw and the second capacitor C 2 have a capacitance value between 1 nF and 10 nF, preferably between 1 nF and 5 nF. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass verwendeten Komponenten eine Spannungsfestigkeit von wenigstens 30 V aufweisen.Circuit arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that components used have a dielectric strength of at least 30 V. Messanordnung zur Bestimmung eines Messwerts und zur Übermittlung des Messwerts als in eine Zweileiterschleife eingeprägter Stromwert mit einer Schaltanordnung gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 10.Measuring arrangement for determining a measured value and for transmitting the measured value as a current value impressed into a two-wire loop with a switching arrangement according to one of the Patent claims 1 until 10 . Verfahren 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 wird, 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 abgegriffen wird, 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 USI Highside angeordnet ist und die Sollspannung Usoll von Lowside nach Highside transferiert wird.Method for controlling 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 controlled are supplied, 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 is tapped 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 at the sensing resistor R mess is transferred from highside to lowside, or in a second variant the regulator USI highside is arranged and the target voltage U target is transferred from lowside to highside.
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