DE2046140A1

DE2046140A1 - Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspannungen

Info

Publication number: DE2046140A1
Application number: DE19702046140
Authority: DE
Inventors: Edgar Dipl Ing 7700 Singen M Matejka
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1970-09-18
Filing date: 1970-09-18
Publication date: 1972-04-06
Also published as: IT965008B; FR2107815B2; FR2107815A2; US3760284A; DE2046140C2

Description

Patent anm e1dung

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH» Überlingen, Bodensee

Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspannungen

Zuaata zu Battat >...... (Patentanmeldung P 19 63 150.2)

Bas Hauptpatent ....... (Patentaneeldung P 19 6 3 130.2) betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspannungen, bei welcher die Eingangsspannungen über Widerstandszweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufgeschaltet sind, an welchem die Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher die Widerstandszweige in Abhängigkeit ▼on der Differenz zwischen der Ausgangsspannung an dem Lastwiderstand und der zugehörigen Eingangsspannung derart gesteuert ist, daß diese Eingangsapannung unterdrückt wird, wenn sie um mehr als ein vorgegebenes Maß von der Ausgangsspannung abweicht. Solche Schaltungsanordnungen dienen dazu, bei redundanten Systemen aus den verschiedenen Meß- oder Steuersignalen einen Mittelwert zu bilden, wobei "aus dem Rahmen fallende" Signale unterdrückt werden. Dae Hauptpatent strebt an, eine solche Unterdrückung von "aus dem Rahaen fallenden" Eingangespannungen kontaktlos zu bewirken. Dae wird nach dem Hauptpatent dadurch erreicht, daß die Widerstandszweige mit HaIb-

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leitergliedern aufgebaute, spannungsabhängige Zweipole enthalten, deren Widerstand oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird. Unterhalb dieser Spannungeschwelle ist bei der Anordnung nach dem Hauptpatent der Widerstandswert der einzelnen Widerstandszweige möglichst klein.

Die im Hauptpatent (Patentanmeldung P 19 63130.2)

beschriebenen Ausführungsformen bringen insofern Probleme mit sich, als bei einer plötzlichen Änderung eines der Eingangssignale, wenn also die Spannung an dem betreffenden Zweipol die Spannungsschwelle plötzlich überschreitet und ^ damit dieser Widerstandszweig praktisch abgeschaltet wird, f am Ausgang der Schaltungsanordnung ein Signalsprung auftritt, dessen Amplitude maximal den Wert der Differenz der beiden verbleibenden intakten Signale annehmen kann. Solche Signalsprünge können beispielsweise bei einem Flugregler höchst unerwünschte und gefährliche folgen haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungs anordnung der eingangs erwähnten Art gefährliche Signalsprünge der geschilderten Art zu verringern.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es bei solchen Schaltungsanordnungen zur Mittelwertbildung erforderlich ist, || die spannungBabhängigen Zweipole in bestimmter Weise zu dimensionieren. Demgemäß wird die erwähnte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bpannungsschwelle

ist, wenn η die Anzahl der Eingänge bzw. Widerstandszweige und 4U die Toleranz für den bei einer Störung in einem Kanal maximal auftretenden Signalsprung ist, und daß der Widerstand H jedes Zweipols unterhalb der Spannungβachwelle einen end-

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lichen Wert von etwa

^üo

R =

I.

besitzt, wobei I der verlangte maximale Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung ist.

Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Figur 1 illustriert die verwendete Grundschaltung

für η Eingangssignale.

., "- ^: - ' v. ·;;. * - *■*·*.■-Figur 2 zeigt die "Kennlinie eines-sp&rmungs-

abhängigen Zweipols von Figur 1.

Figur 3 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnungen für drei Eingangssignale und drei Ausgangssignale.

Figuren 4a bis 4c

zeigen die Ausgangsspannungen an den drei Ausgängen von Figur 3 in Abhängigkeit von der Abweichung der Eingangsspannung an einem der Eingänge.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines spannungsabhängigen Zweipols nach der Erfindung.

Figur 6 zeigt eine andere Ausführungsform eines spannungsabhängigen Zweijiols und

Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines spannungsabhängigen Zweipols.

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Figur 1 zeigt die verwendete Grundschaltung für η Eingangssignale. Bei dieser Schaltung werden die Eingangssignale U₁ bis U über spezielle Zweipole Ζ_χ bis Z_n auf einen gemeinsamen Ausgangspunkt A zusammengeführt. Damit die dargestellte Grundschaltung funktionsrichtig arbeitet, müssen die Zweipole die in Figur 2 dargestellte Kennlinie besitzen. Die Kennlinie zeigt, daß die Zweipole spannungsabhängig sind. Bei einer am Zweipol anliegenden Spannung

U / U
z^o

soll der Zweipolwiderstand
= Xt

sein.

Bei einer am Zweipol anliegenden Spannung

soll hingegen der Strom durch den Zweipol auf den Wert

¹S = ¹O

begrenzt sein.

Die Zweipolschaltung TJ₀ wird durch die zulässige Signalabweichung Δ U der Eingangsspannungen bestimmt. Für den Strom I_Q gilt, daß er größer als der verlangte maximale Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung sein muß. Aus diesen Angaben errechnet sich der Widerstand

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In Figur 3 ist eine vollständige Schaltungsanordnung für drei Eingangs- bzw. Ausgangssignal U₁, U₂, U₅ bzw. U_A1 U_A2, U_A5 dargestellt. In diesem Fa wird die unter Figur 1 dargestellte Grundschaltung mit drei Eingängen E₁, E₂, E-,

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versehen und dreimal verwendet, um drei Ausgänge A₁, A₂, A, zu erhalten. In Figuren 4a, 4b und 4c sind die drei Ausgangsspannungen U.₁ U_Ä9, U., in Abhängigkeit von der Eingangsspannungsabweichung ΔU. dargestellt.

Festgelegt wurde, daß bis zur Signalabweichung AU die Zweipole den Widerstand R besitzen. Aus dieser Bedingung ergibt sich U . Es ist unter der Voraussetzung U₁ = U + /\JJ; U, = U, = U

U. = 2/3

⁵ U₀

Für η Eingänge ergibt sich U_Q = ⁿ~

Figuren 4a bis 4c zeigen, daß die Ausgangssignale der Schaltungsanordnung bis zu einer Signalabweichung von identisch sind. Überschreitet die Signalabweichung den Wert am Eingang E₁, dann werden die Ausgangssignale U^₁,

^UA2 ^und ^A"? ^Ton *^{nr niclrt menr} beeinflußt. Die maximale Signalabweichung an den Ausgängen A₁, A₂, A, aufgrund der Signalabweichung am Eingang E₁ beträgt

Da die Schaltung bezüglich Eingang und zugehörigem Ausgang immer gleich aufgebaut ist, erhält man für die beiden anderen Eingänge die identischen Ergebnisse. <(

Die vorausgegangenen Betrachtungen wurden ohne last durchgeführt. Der zulässige Laststrom beträgt maximal I_Q. Er bewirkt an den Ausgängen eine Ausgangssignalverschiebung um maximal 0,5 U_n.

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Zur !Realisierung der angegebenen Zweipole können herangezogen werden:

1. Kaltleiter

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. 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 Umgebungstemperatur vorzunehmen. Um den Widerstand R des Zweipols definiert einstellen zu können, muß in Reihe zum Kaltleiter ein Abgleichwiderstand R.gelegt werden.

2. Schaltungsanordnungen mit Feldeffekttransistoren

Mit einem symmetrischen Feldeffekttransistor FT1 kann die in Figur 5 dargestellte Schaltung realisiert werden, bei welcher jeder Widerstandszweig als spannungsabhängigen Zweipol einen symmetrischen Feldeffekttransistor mit einem Paar von vor- und nachgeschalteten Widerständen Rj, enthält, dessen Basis über Dioden (D₁, D₂) mit den freien Enden der Widerstände verbunden ist, und einen mit dieser Schaltung in Serie liegenden Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderstands R. Sie besitzt ebenfalls die erforderliehe Kennlinie. Der niederohmige Bereich wird hier im wesentlichen von den Eigenschaften des Feldeffekttransistors FT1 bestimmt. Zur Einstellung des erforderlichen Widerstandes R wird ebenfalls ein Abgleichwiderstand R^ herangezogen. Die Einstellung der Strombegrenzung I_Q wird mit den Widerständen R_? durchgeführt. Vorteilhaft werden Feldeffekttransistoren mit nie-

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drigem Bahnwiderstand (r^ _Qn) und kleiner "Pinch-Off" Spannung verwendet.

Eine weitere Schaltung mit Feldeffekttransistoren zeigt Figur 6, bei welcher jeder Widerstandszweig ein Paar von -antiparallel geschalteten Feldeffekttransistoren (FT2, FT3 enthält, wobei das Gitter jedes Feldeffekttransistors über einen Widerstand R-r, mit der Kathode des anderen verbunden ist und in Reihe mit dieser Schaltung ein Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderstandes R angeordnet ist. Hier wird der Strom I_n mit den Widerständen R₁₃,*

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der Widerstand R mit dem Widerstand R^ eingestellt.

5. Schaltungen mit Operationsverstärkern Will man sehr genaue Werte für R und I_Q erzeugen, dann empfiehlt sich die Verwendung von Vierpolschaltungen, deren Übertragungscharakteristik derjenigen der Zweipole entspricht. In diesen Schaltungen werden vorzugsweise Operationsverstärker eingesetzt. Ein Beispiel für eine solche Schaltung zeigt Figur 7, bei welcher die Widerstandszweige je einen Operationsverstärker V enthalten, in dessen Ausgangskreis ein erster spannungsabhängiger Widerstand R liegt, dessen Wert oberhalb der Spannungaschwelle sehr groß wird, und ein zweiter Widerstand R^ in der Gegenkopplung sowie einen mit der Ver- | Stärkerschaltung in Reihe liegenden Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderstandes R. In dieser Schaltung wird für die Strombegrenzung im wesentlichen die in Figur 5 dargestellte Schaltung mit R^, FT₁,, D₁,, D₂,, jedoch ohne den Abgleichwiderstand R^, verwendet.

Es sind natürlich auch andere Schaltungsanordnungen zur Strombegrenzung bekannt, die hier verwendet werden können.

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Voraussetzung ist, daß die Strombegrenzung bipolar wirksam ist. Die Gegenkopplung des Verstärkers wird nach der Strombegrenzungsschaltung am Punkt P abgegriffen und über den Gegenkopplungswiderstand IU auf den Summenpunkt des Verstärkers geführt. Das Eingangssignal gelangt über den Eingangswiderstand R_E ebenfalls auf den Summenpunkt. Infolge der Gegenkopplung ist der Quellwiderstand an Punkt P, wenn der Verstärker auf seiner Kennlinie betrieben wird, sehr gering und kann vernachlässigt werden. Der Quellwiderstand an Punkt A der Anordnung wird dann nur vom Widerstand R-bestimmt, der Punkt P mit Punkt A verbindet. Der Widerstand kann damit entsprechend den Erfordernissen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gewählt werden und entspricht in der Regel dem Widerstand R des Zweipols.

Zu erwähnen ist noch hierzu, daß die Beschaltung des Operationsverstärkers weitgehend frei gewählt werden kann. Es können somit auch spezielle Frequenzgänge realisiert werden.

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Claims

Patentansprüche

ί 1 .,/Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer ' Eingangsspannungen, bei welcher die Eingangsspannungen über Widerstandszweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufgeschaltet sind, an welchem die Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher die Widerstands zweige mit Halbleitergliedern aufgebaute spannungsabhängi ge Zweipole enthalten, deren Widerstand oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird, nach Patent .... (Anmeldung P 19 63 130.2), dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsschwelle

ist, wenn η die Anzahl der Eingänge bzw. Widerstandszweige und Λυ die Toleranz für den bei einer Störung in einem Kanal maximal auftretenden Signalsprung ist und daß der Widerstand R jedes Zweipola unterhalb der Spannungsschwelle einen endlichen Wert τοη etwa U

besitzt, wobei I_Q der verlangte maximale Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstandszweig als spannungsabhängigen Zweipol (Z) einen symmetrischen Feldeffekttransistor mit einem Paar von vor- und nachgeschalteten Widerständen (R_y) enthält, dessen Basis über Dioden (D₁, Bp) mit den freien Enden der Widerstände verbunden ist, und einen mit dieser Schaltung in Serie liegenden Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gresamtwiderstands R.

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Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstandszweig ein Paar von antiparallel geschalteten Feldeffekttransistoren (FT2, PT3) enthält, wobei das Gitter jedes 'Feldeffekttransistors über einen Widerstand (Hj,) mit der Kathode des anderen verbunden ist und in Reihe mit dieser Schaltung ein Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderständea R angeordnet ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandszweige je einen Operationsverstärker (Y) enthalten, in dessen Ausgangskreis ein erster spannungsabhängiger Widerstand (R_Q) liegt, dessen Wert oberhalb der S.pannungsschwelle sehr groß wird, und ein zweiter Widerstand (R„) in der Gegenkopplung sowie einen mit der Verstärkerschaltung in Reihe liegenden Ausgleichswideretand R^ zur Erzielung des Gesaatwiderstandea R.

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