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Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangs
spannungen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes
mehrerer Eingangsspannungen, bei welcher die Eingangs spannungen über Widerstands
zweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufge-schaltet sind, an welchem die
Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher jeder der Widerstands zweige
in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Ausgangs spannung an dem Lastwiderstand
und der zugehörigen Eingangsspannung derart gesteuert ist, daß diese Eingangsspannung
unterdrückt wird, wenn sie um mehr als ein vorgegebenes Maß von der Ausgangsspannung
abweicht0 Schaltungsanordnungen dieser Art werden bei Geräten verwendet, bei denen
aus Gründen der Sicherheit Meßwertgeber mehrfach vorgesehen sind, beispielsweise
bei Flugreglern, bei denen ein und dasselbe Steuersignal durch drei voneinander
unabhängige Kreise in drei voneinander unabhängigen Kanälen erzeugt wird, wobei
die Ausgangs signale der einzelenn Kanäle dann einer mittelwertbildenden Schaltung
zugeführt werden. Die Steuerung z,B, des Flugzeugs erfolgt dann in Abhängigkeit
von dem Mittelwert, d.h. dem arithmetischen Mittel, der von den verschiedenen
Kanälen
gelieferten Signale, Durch eine solche Mittelwertbildung wird erreicht, daß sich
Fehler, die in den einzelnen Kanälen auftreten, nur in geringerem Maße auf dem Mittelwert
auswirken. Eine solche mittelwertbildende Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil,
daß starke Abweichungen einer Eingangsspannung von dem "richtigen" Wert, wie sie
durch Ausfall oder Defekt einer Komponente in einem Meßkanal auftreten können, doch
zu einer großen Fälschung des arithmetischen Mittelwertes führen. Man hat daher
Auswahl-Logikschaltungen vorgesehen, die als Ausgangsspannung nicht den arithmetischen
Mittelwert der Eingangsspannungen liefern, sondern -unabhängig von der Größe der
Abweichungen der Eingangsspannungen voneinander- den jeweils mittleren Wert, also
bei drei Eingangsspannungen diejenige Eingangsspannung, die der Größe nach zwischen
den beiden anderen Eingangsspannungen liegt. Wenn eine Eingangsspannung durch Ausfall
einer Komponente in einem Kanal sehr stark von den anderen beiden Eingangsspannungen
und der "richtigen" Spannung abweicht, so wird dann noch jeweils eine der beiden
anderen Spannungen angezeigt, die in der Nähe des richtigen Wertes liegt, wenn man
annimmt, daß jeweils nur ein Fehler auf einmal eintritt. Solche bekanntefr Auswahlschaltungen
haben den Nachteil, daß der Ubertragungswirkungsgrad schlecht ist. Sie erzeugen
ferner ein fehlerhaftes Ausgangssignal, wenn an der Auswahlschaltung selbst ein
Ausfall eintritt. Außerdem ist bei normalem Betrieb das arithmetische Mittel mit
der geringsten Fehlerwahrscheinlichkeit behaftet. Es ist aus diesem Grund angestrebt
worden, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die einerseits den arithmetischen
Mittelwert der Eingangsspannungen bildet, andererseits aber Eingangsspannungen,
die sehr stark von dem Mittelwert abweichen, unterdrückt0 Dabei sind die Eingangsspannungen
über Widerstands zweige auf einen gemeinsamen Lastr widerstand aufgeschaltet, an
welchem die Mittelwert- Ausgangsspannung abfällt. In jedem der Widerstands zweige
ist ein mechanischer
Kontakt vorgesehen. Dieser Kontakt wird von
Relais in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Ausgangs spannung an dem Lastwiderstand
und zugehöriger Eingangsspannung derart gesteuert, daß der Kontakt öffnet, wenn
die Spannungsdifferenz einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise
wird jede Eingangsspannung unterdrückt, die um mehr als ein vorgegebenes Maß von
der Ausgangsspannung abweicht.
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Die Verwendung von mechanischen Kontakten in den Meßkanälen und von
Relais bringt jedoch zusätzliche Fehler- und Störungsquellen mit sich.
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Es ist weiterhin bekannt, daß die Widerstandszweige je einen Operationsverstärker
enthalten, in dessen Ausgangskreis ein erster Widerstand liegt, und einen zweiten
Widerstand in der Gegenkopplung von der Nittelwert-Ausgangsspannung auf den Eingang
des Operationsverstärkers. Eine solche Schaltung ist am Ausgang bis zu einem Strom,
der sich aus dem maximalen Verstärkerausgangsspannungswert, also der Sättigung des
Verstärkers und dem Verhältnis der Widerstände berechnen läßt, sehr niederohmig.
Gelangt der Verstärker in die Sättigung, dann ist die Gegenkopplung unterbrochen
und der Ausgangswiderstand der Anordnung steigt steil an. Die bekannte Schaltung
weist den Nachteil auf, daß der Widerstandswert der einzelnen Widerstandszweige
oberhalb der Spannungsschwelle nicht hinreichend groß ist Der in der Sättigung befindliche
Verstärker belastet über den ersten Widerstand den Ausgang. Dadurch wird die Ausgangskennlinie
begrenzt auf kleiner als ein Drittel der maximalen Verstärkerausgangsspannung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspanzungen zu schaffen, bei welcher
Eingangsspannungen, die um mehr als ein vorgegebenes Maß von der Ausgangsspannung
abweichen, unterdrückt werden.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine solche Unterdrückung
von "aus dem Rahmen fallenden" Eingangsspannungen kontaktlos zu bewirken.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Widerstandszweige
mit Halbleitergliedern aufgebaute spannungsabhängige Zweipole enthalten, deren Widerstand
oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird.
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Es läßt sich zeigen, daß unter diesen Umständen eine weitgehende Unterdrückung
von "aus dem Rahmen fallenden" Eingangsspannungen erzielt wird. Anzustreben ist
dabei, daß der Widerstand der Zweipole unterhalb der Spannungsschwelle sehr gering
ist und an der Spannungsschwelle steil auf einen sehr großen Wert ansteigt. Der
Widerstandswert der einzelnen Widerstandszweige sollte unterhalb der besagten Spannungsschwelle
klein und oberhalb dieser Spannungsschwelle groß gegen den Lastwiderstand sein.
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Die Erfindung kann in der Weise verwirklicht werden, daß die Widerstands
zweige je einen Operationsverstärker enthalten, in dessen Ausgangskreis ein erster
Widerstand liegt, und einen zweiten Widerstand in der Gegenkopplung von der Mittelwert-Ausgangsspannung
auf den Eingang des Operationsverstärkers und daß der erste Widerstand ein spannungsabhängiger
Widerstand ist, dessen Wert oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird.
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Die Widerstands zweige können als spannungsabhängige Widerstände Kaltleiter
enthalten. Um eine Abhängigkeit der Widerstandswerte der Kaltleiter von der Umgebungstemperatur
zu vermeiden, kann die Umgebungstemperatur der Kaltleiter geregelt sein.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß die Widerstandszweige
als spannungsabhängigen Zweipol je einen symmetrischen Feldeffekttransistor mit
vor- und nachgeschalteten Widerständen enthalten, dessen Basis über Dioden an den
beiden Enden des Zweipols liegt.
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Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Fig.1 veranschaulicht
den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Fig.2 veranschaulicht einen möglichen Aufbau eines Widerstandszweiges
bei der Schaltung von Fig.1.
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Fig.3 zeigt die Kennlinie eines in einem solchen Widerstandazweig
verwendbaren Kaltleiters.
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Fig.4 zeigt eine andere- Möglichkeit eines spannungsabhängigen Zweipols
in Schaltungsanordnungen nach Fig.1 und/oder Fig.2.
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Fig.5 zeigt die Kennlinie eines Zweipols nach Fig.4.
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Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Bei der Sohaltungsanordnung nach Pig,l sind Eingangsspannungen U1
U2, U3 ... Un über Widerstandszweige mit den spannungsabhängigen Zweipolen Z1, Z2,
Z3 ... Zn auf einen Lastwiderstand RL geschaltet. Im Punkt A wird eine Ausgangsepannung
abgenommen, die bei geeigneter Bemessung der Widerstände dem arithmetischen
Mittel
der Spannungen U1, U2, U3 ... Un-entspricht. Die Zweipole Z1 Z2 Z3 ...Zn sind mit
Halbleitergliedern so aufgebaut, daß sie bei geringen Spannungsdifferenzen zwischen
der jeweiligen Eingangsspannung, Z.B. U1, und der Ausgangsspannung Punkte A niederohmig
sind, jedoch sehr hochohmig werden, wenn diese Spannungsdifferenzen einen bestimmten
Schwellwert überschreiten. Dabei wird der Einfluß derjenigen Eingangsspannungen
U1 ... Un unterdrückt, die von dem im Punkte A gebildeten Mittelwert über ein bestimmtes
Maß hinaus abweichen, was auf einen Defekt. in dem betreffenden Kanal hindeutet,
Es erfolgt eine Mittelwertbildung unter Ausschaltung stark abweichender Eingangs
spannungen.
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Die Zweipole Z1, Z2, Z3 .. Zn können nach Art von Fig.2 aufgebaut
sein. Die Eingangsspannungen, Z.B. U1, liegen jeweils über einen Widerstand Ri am
Eingang eines Operationsverstärkers 0. Der Ausgang des Operationsverstärkers 0 ist
über einen Widerstand R2 mit dem Punkt A verbunden. Vom Punkt A erfolgt über einen
Widerstand R3 eine Gegenkopplung auf den Eingang des Operationsverstärkers O. Die
beschriebene-Schaltung ist am Ausgang bis zu einem Strom, der sich aus der maximalen
Verstärkerausgangsspannung, d.h. der Ausgangsspannung, bei welcher der Verstärker
O in die Sättigung gelangt und dem Verhältni-s von R2 und R3 berechnen läßt, sehr
niederohmig.-Gelangt der Verstärker 0 in die Sättigung, dann ist die-Gegenkopplung
unterbrochen und der Ausgangswiderstand -der Anordnung steigt auf einen hohen Wert
an. Das geschieht, wenn sich die Eingangsspannung U1 um einen sich aus den angegebenen
Großen ergebenden Betrag von der im Punkte A gebildeten Mittelwert-Ausgangs spannung
unterscheidet.
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Diese Schaltungsanordnung mit ohmschen Widerständen hat noch den Nachteil,
daß bei einer Schaltung mit beispielaweise drei Bingangssignalen die Ausgangskennlinie
nur in einen Bereich von weniger als einem Drittel der maximalen Verstärkerausg-angsspannung
benutzt
werden kann. Die Erfindung sieht daher vor, daß der Widerstand R2 seinerseits als
spannungsabhängiger Zweipol ausgebildet ist, dessen Widerstandswert oberhalb der
Spannungsschwelle sehr groß wird.
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Zu diesem Zweck kann der Widerstand R2 ein Kaltleiter sein.
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Bin Kaltleiter ist ein temperaturabhängiger Widerstand, der unterhalb
der Curie-Temperatur sehr niederohmig ist und oberhalb der Curie-Temperatur einen
hohen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt. Man kann den Widerstand eines Kaltleiters
mit Hilfe des durch ihn fließenden Stromes verändern. Es ergibt sich die in Fig.3
dargestellte Funktion. Da die Widerstandsänderung auf dem Umweg über die Temperatur
erfolgt, beeinflußt auch die Umgebungstemperatur den Knickpunkt der Kennlinie. Es
empfiehlt sich daher, eine Stabilisierung der Umgebungst emperatur vorzunehmen.
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Eine andere Zweipolschaltung ist in Fig.4 dargestellt. Diese Zweipolschaltung
enthält einen symmetrischen Feldeffekttransistor FT mit vor- und nachgeschalteten
Widerständen R4 bzw.
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R5. Das Gitter des Feldeffekttransistors FT ist über Dioden D1 bzw.
D2 mit den beiden Enden des Zweipols verbunden. Eine solche Schaltung liefert eine
Kennlinie, wie sie in Fig.5 dargestellt ist. Der Widerstand im niederohmigen Bereich
wird wesentlich von den Eigenschaften des Feldeffekttransistors bestimmt. Vorteilhaft
werden Feldeffekttransistoren mit niedrigem Bahnwiderstand und kleiner Gate-Source-Sperrspannung
verwendet.
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Die in Verbindung mit Fig. 3 bis 5 beschriebenen spannungsabhängigen
Zwei-pole können auch statt als Widerstand R2 in der Schaltung von Fig.2 unmittelbar
in den einzelnen Widerstandskanälen an Stelle der Zweipole Z1, Z2, Z3 ... Zn von
Fig.l vorgesehen werden. Der FeldeffektSansistor kann dann gleichzeitig als Schalter
zum Abschalten eines defekten Kanals dienen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.6 enthält jeder Widerstandszweig
ein Paar Feldeffekttransistoren PT1 und PT2 und Widerstände R6 und R7. Die Kathode
des Feldeffekttransistors FTl ist über den Widerstand R6 mit dem Gitter des Seldeffekttransistors
FT2 verbunden, während andererseits die Kathode des Peldeffekttransistors FT2 über
den Widerstand R7 verbunden ist. Die beiden Pole des Zweipols sind dann die Anoden
der Peldeffekttransistoren.
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Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Feldeffekttransistoren
verhalten sich bekanntlich ähnlich wie Pentoden. Es sind zwei solche Feldeffekttransistoren
vorgesehen, um eine Symmetrie bei verschiedenen Polaritäten der anliegenden Spannung
zu erhalten. Bei einer bestimmten Polarität kann z.B. der Peldeffekttransistor FT2
als durchgesteuert, also leitend angenommen werden. Es liegt dann die Kathode von
PTI über den Widerstand R6 und das Gitter von FT1 über den Widerstand R7 an Masse.
über das Gitter fließt kein Strom, so daß dieses auf Massepotential liegt. Wenn
dann die Anodenspannung erhöht wird, so steigt der Strom über den Seldeffekttransistor
FTi an, so daß das Kathodenpotential durch den Spannungsabfall an R6 angehoben wird.
Bei einem bestimmten Strom tritt eine Sperrwirkung durch das nun gegenüber der Kathode
negative Gitter auf, die einen weiteren Stromanstieg verhindert. Es erfolgt so eine
starke Erhöhung des Widerstands.
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Für entgegengesetzte Polarität der anliegenden Spannung ergibt sich
der gleiche Vorgang an dem Feldeffekttransistor FT2.