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Schaltungsanordnung zur Abgabe eines konstanten eingeprägten
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Gleichstromes Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Abgabe eines konstanten eingeprägten Gleichstromes mit einem gegengekoppelten Operationsverstärker.
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Derartige Schaltungsanordnungen kommen in erster Linie dort zur Anwendung,
wo Präzisionsmeßwiderstände, beispielsweise PT 1 OO-Meßwiderstände, über größere
Entfernungen mit Gleichstrom zu speisen sind, um eine temperaturabhängige Spannung
abgreifen zu können.
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Eine Schaltungsanordnung der eingangs bezeichneten Art ist aus der
DT-AS 2 047 981 bekannt. Wesentliche Bestandteile der Schaltungsanordnung sind ein
Operationsverstärker und
eine temperaturkompensierte Konstantspannungsquelle,
die über einen Widerstand an dem einen Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen
ist. An diesem Verstärkereingang ist über einen weiteren Widerstand ein am Verstärker
ausgang angeschlossener Widerstandsmeßgeber und ein Gegenkopplungswiderstand angeschlossen,
der seinerseits am negativen Pol der Konstantspannungsquelle liegt; der negative
Pol ist ferner mit dem zweiten Verstärkereingang verbunden. Am Widerstandsmeßgeber,
der in dem in der DT-AS 2 047 981 dargestellten Ausführungsbeispiel als Potentiometergeber
ausgeführt ist, ist eine Schaltungsanordnung zur Umformung der am Potentiometergeber
entstehenden Spannung in eine eingeprägte Gleichspannung angeschlossen.
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Bei der rechnerischen Ermittlung des den Widerstandsmeßgeber durchfließenden
Ausgangsstromes des Operationsverstärkers ergibt sich eine proportionale Abhängigkeit
dieses Stromes vom Betrag der Konstantspannungsquelle. Da der Ausgangsstrom des
Operationsverstärkers möglichst konstant sein soll, muß die Konstantspannungsquelle
über einen sehr geringen Schwankungsberech verfügen. Realisiert wird dies im wesentlichen
durch eine in der Konstantspannungsquelle vorhandene temperaturkompensierte Referenzdiode.
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Als nachteilig ist bei der beschriebenen Schaltungsanordnung der erforderliche
Aufwand beim Aufbau der Konstantspannungsquelle und die damit verbundenen Kosten
anzusehen. Dieser
Nachteil ist bei der bekannten Schaltungsanordnung
nicht zu vermeiden, weil eine ungenaue Konstantspannungsquelle einen prinzipbedingten
Fehler bei der Widerstandsmessung zur Folge hat. Ferner muß neben der Konstantspannungsquelle
eine zweite Gleichspannungsquelle vorhanden sein, die den Versorgungsstrom des Operationsverstärkers
liefert. Zudem kann die beschriebene Schaltungsanordnung nicht ohne weiteres zur
Speisung von Widerstandsthermometern eingesetzt werden, da keine Einrichtungen zur
Kompensation der Unlinearität derartiger Meßwiderstände vorhanden sind.
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Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Operationsverstärker
und die Meßschaltung aus einer einzigen stabilisierten Gleichspannungsquelle gespeist
werden und bei der eine Linearisierung von Widerstandsthermometern in einfacher
Weise vorzunehmen ist.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch' gelöst, daß ein zu speisender
Meßwiderstand am Anschluß für die negative Versorgungsspannung des Operationsverstärkers
liegt und daß eine Betriebs spannung den Versorgungsstrom des Operationsverstärkers
liefert, über Widerstände dessen Arbeitspunkt vorgibt und über einen Lastwiderstand
und einen Gegenkopplungswiderstand den Ausgangsstrom bereitstellt.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand von Fig. 1 - 4 der Zeichnung
nher erläutert: Fig. 1 zeigt einen Stromlaufplan der Schaltungsanordnung.
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Fig. 2 bis 4 beinhalten vorteilhafte Anwendungsbeispiele der Schaltungsanordnung.
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Einander entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen.
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In Fig. 1 ist mit V1 ein Operationsverstärker, mit E ein Geßwiderstand,
mit UB eine Betriebsspannung und mit Ust eine Steuerspannung bezeichnet. Weitere
Bestandteile der Schaltungsanordnung sind mehrere Widerstände R1 ...R6.
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Die genannten Bauelemente sind wie folgt zusammengeschaltet: Zur Arbeitspunkteinstellung
des Operationsverstärkers V1 liegt an dessen nicht invertierendem Eingang der Mittelabgriff
eines aus zwei Widerständen R4, R6 gebildeten Spannungsteilers, der seinerseits
an einer stabilisierten positiven Betriebsspannung UB und Nullpotential, bzw. "Masse",
angeschlossen ist. über einen zur Gegenkopplung dienenden Widerstand R1 und einen
Lastwiderstand R ist der Ausgang des 3perationsverstärkers 1 mit der Betriebsspannung
UB verbunden. Über den Gegenkopplungswiderstand R1 gelangt außerdem eine Versorgungsspannung
an den dafür vorgesehenen Anschluß
des Operationsverstärkers V1.
Ferner ist am Gegenkopplungswider stand R1 ein aus den Widerständen R3 und R5 gebildeter
Spannungsteiler angeschlossen, der über eine Steuerspannung Ust an Nullpotential
liegt. Der Mittelabgriff des Spannungsteilers R3, R5 ist dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers V1 zugeführt.
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Der Spannungsteiler R3, R5 sorgt neben der Rückkopplung der am Gegenkopplungswiderstand
R1 auftretenden Spannung für eine Möglichkeit zur Anpassung der Arbeitspunktspannung
durch den Widerstand R5 an den vorgegebenen Arbeitspunkt des Spannungsteilers R4,
R6 Der Anschluß für die negative Versorgungsspannung des Operationsverstärkers V1
ist über den Meßwiderstand RM gegen Nullpotential geschaltet. Der den Meßwiderstand
RM durchfließende Strom IM setzt sich folglich aus dem Strom I2 durch den Lastwiderstand
R2 und den Versorgungsstrom IS zusammen.
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Die entsprechend den vorstehenden Ausführungen aufgebaute Schaltungsanordnung
ist nun einerseits in der Lage, Änderungen des Versorgungsstromes Is, der Exemplarstreuungen
unterworfen und temperaturabhängig ist, über das Gegenkopplungsnetzwerk auszuregeln,
den Meßstrom 1M also konstant zu halten. Zudem haben Änderungen des Meßwiderstandes
RM selbst dann keinen nennenswerten Einfluß auf den Meßstrom IM, wenn sich der Betrag
des Meßwiderstandes z.B. im Bereich zwischen 0 n und 1 Kfl ändert.
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Am Beispiel einer Widerstandserhöhung von RM ist im folgenden der
Regelmechanismus der Schaltungsanordnung erläutert: Durch eine Vergrößerung des
Meßwiderstandes E sinkt die Spannung am Gegenkopplungswiderstand R1 ab, da sich
der Versorgungsstrom IS entsprechend verkleinert. Damit tritt am Gegenkopplungswiderstand
R1 eine gegen Nullpotential positivere Spannung auf, die zu einem durch den Spannungsteiler
R3, R5 vorgegebenen Anteil am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers V1
wirksam wird.
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Da der Operationsverstärker V1 invertierend arbeitet, vergrößert sich
der in den Verstärkerausgang hineinfließende Strom I2. 2Die sich demzufolge einstellende
Potentialabsenkung am Verstärkerausgang hält solange an, bis das Potential am invertierenden
Verstärkereingang wieder näherungsweise mit dem Potential am nicht invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers V1 übereinstimmt. Ist dies der Fall, so ist der
Regelvorgang abgeschlossen und der Ausgangszustand wiederhergestellt.
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In die nun folgenden Betrachtungen soll die Steuerspannung Ust mit
einbezogen werden, die bisher als konstant angenommen amrde.
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Es hat beispielsweise eine Vergrößerung der Steuer spannung Ust durch
eine potentialmäßige Anhebung des invertierenden Verstärkereingangs eine Vergrößerung
des Ausgangs stromes I2 zur Folge; der Meßstrom 1M -Summe aus Ausgangs strom 12und
Versorgungsstrom IS = erhöht sich zwangsläufig um denselben Betrag.
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Durch verschiedene Steuerspannungen Ust lassen sich also verschiedene
Meßströme IM einstellen, die wiederum durch den beschriebenen Regelmechanismus konstant
gehalten werden.
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Die Abhängigkeit des Meßstromes IM von der Steuer spannung Ust ist
linear, so daß eine Linearisierung von Meßwiderstandskennlinien, z.B. von PT 100-Widerstandsthermometern,
in einfacher Weise durchzuführen ist. Wird die Steuerspannung Ust zwischen Nullpotential
und dem Widerstand R6 eingeschaltet, so sind mit der Schaltungsanordnung Nickel-Widerstandsthermometer
linearisierbar.
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Die beschriebene Schaltungsanordnung ist vorzugsweise in Dickschichttechnik
oder Hybridtechnik aufgebaut. Der eingeprägte Meßstrom IM ist von der Stabilität
und von seiner Temperaturabhängigkeit her mit einem Präzisionswiderstand (z.B. Manganinwiderstand)
vergleichbar. Die Schaltungsanordnung kann daher unter anderem als hochohmiger Brückenwider
stand innerhalb einer Wheatstoneschen Meßbrücke eingesetzt werden.
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Als weiteren Vorteil beinhaltet die Schaltungsanordnung, daß die absoluten
Toleranzen der verwendeten Bauelemente keinen Einfluß auf die Steuercharakteristik
des eingeprägten Meßstromes I, d. h. auf den Innenwiderstand der Schaltungsanordnung,
haben.
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Die oben bereits erwähnte Einsatzmöglichkeit als hochohmiger Brückenwiderstand
innerhalb einer Wheatstoneschen Meßbrücke
eröffnet eine Vielzahl
von Anwendungsbeispielen, von denen drei herausgegriffen und im folgenden beschrieben
werden.
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Zunachst wird in Fig. 2 eine Temperaturmeßschaltung beschrieben, die
neben der abkürzend mit Q bezeichneten Stromquelle nach Fig. 1 einen Schalter S,
einen zweiten Operationsverstärker V2, ein Meßwerk M und mehrere Widerstände R7
... Rg enthält, von denen R8 und R9 als einstellbare Widerstände ausgeführt sind.
Als Meßwiderstand RM ist ein Widerstandsmeßfühler eingesetzt.
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In Fig. 2 bilden die Widerstände R7 Rg zusammen mit der Stromquelle
Q und dem Meßwiderstand q eine Brückenschaltung.
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Die Brückenausgangsspannung (Diagonalspannung) wird einem Operationsverstärker
V2 zugeführt, der durch den Widerstand R9 gegengekoppelt ist. Am Ausgang des Operationsverstärkers
V2 liegt das Meßwerk M.
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Bei hinreichend großer Verstärkung sorgt der Operationsverstärker
V2 im stationären Zustand bei jedem möglichen Wert des Meßwiderstandes RM dafür,
daß die Brückenausgangsspannung gegen Null geht. Damit muß sich in Abhängigkeit
von RM ein definierter Ausgangsstrom am Operationsverstärker V2 einstellen. Liegt
die Brücke dabei bei der Stellung 'Xa" des Schalters S an Nullpotential, so ergibt
sich eine widerstandslineare Abhängigkeit des Ausgangs stromes vom Betrag des Meßwiderstandes
BM Demgegenüber ist der Ausgangsstrom z.B. bei PT 100-Meßwiderständen temperaturlinear,
wenn der Schalter S in Stellung b" steht.
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Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung bei der Schalterstellung
"a" (widerstandslinear) ist ohne weiteres überschaubar. Bei der Schalterstellung
b (temperaturlinear) kommt die gewünschte Wirkungsweise dadurch zustande, daß am
Widerstand Rg unter der Voraussetzung, daß R7 » R8 ist, annähernd die gleiche Spannungsänderung
auftritt, die sich am Meßwiderstand RM durch eine Temperaturänderung einstellt.
Da die Spannungsänderung am Widerstand Rg die Steuerspannung Ust der Stromquelle
Q darstellt, muß diese Steuer spannung USt der Temperaturänderung am Meßwiderstand
RM propcrtonal sein.
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Beispielsweise muß für einen Meßbereich O ... 6000 C bei einem PT
100-Meßwiderstand der Thermometerstrom am Meßbereichsende etwa 10% größer sein als
am Meßbereichsanfang. Diese Steuerung erfolgt durch die Steuerspannung Ust Wird
nun der Meßbereich von 0 ... 6000 C auf z.B.
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0 ... 3000 C durch eine Verkleinerung des Widerstandes R9 geändert,
so ergibt sich eine kleineresteuerspannung Ust und daher eine entsprechend kleinere
Erhöhung des Thermometerstromes am Meßbereichsende. Der Meßbereichsanfang läßt sich
durch den Widerstand R8 einstellen. Durch die bei den Wider ständen R8 und R9gegebenen
Verstellmöglichkeiten sind Nullpunkt und Meßbereich beliebig einstellbar, wobei
die temperaturlineare Abhängigkeit des Ausgangs stromes bis auf vernachlässigbare
Fehler erhalten bleibt.
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Die Stromquelle Q ist weiterhin auch zur Stromspeisung einer Widerstandsmeßbrückenschaltung
geeignet. Eine derartige Schaltungsanordnung ist im Stromlaufplan in Fig. 3 dargestellt.
Der Meßwiderstand RM ist hier über drei Adern mit den Leitungswiderständen RLl ...
RL3 mit der Meßanordnung verbunden. Der Meßbereichsanfang läßt sich mit Hilfe eines
in Reihe zum Meßwiderstand RM liegenden Widerstandes R8 einstellen, während der
Meßbereich, wie bereits beschrieben, durch den Widerstand Rg vorgegeben wird.
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Wie in der Schaltung nach Fig. 2 regelt der Operationsverstärker V2
für jeden Wert des Meßwiderstandes RM die Brückenausgangsspannungauf den Wert Null.
Bei einer symmetrischen Änderung der Leitungswiderstände RL1, RL2 von z.B. O fl
auf 10 Q tritt keine Änderung der Brückenausgangsspannung bzw. der Eingangsspannung
des Operationsverstärkers V2 ein, da die Leitungswiderstände RL1, RL2 jeweils einem
BrückenzVeig zugeordnet sind. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß der Widerstand
R7 wesentlich größer als R8 ist und der Summe der Widerstände Rg und R10 entspricht.
Der Leitungswiderstand RL3 hat darauf keinen Einfluß, da der Eingangswiderstand
des Operationsverstärkers V2 hinreichend groß ist. Ansonsten kommen die zu der Schaltungsanordnung
nach Fig. 1 aufgeführten Vorteile auch hier bei widerstandslinearem Ausgangsstrom
(Ust = 0) oder ternperaturlinearem Ausgangsstrom voll zum Tragen.
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Die in Fig. 4 dargestellte Schaltungsanordnung dient zur Messung von
Temperaturdifferenzen mittels zweier Meßwiderstände RM, die den Temperaturen #1
und #2 ausgesetzt sind.
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Bei der Schalterstellung Itall liefert das Meßwerk M eine widerstandslineare
Anzeige der Temperaturdifferenz (#1 -#2); bei der Schalterstellung "b" ist die Anzeige
temperaturlinear.
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Die temperaturlineare Abhängigkeit des Ausgangs stromes des Operationsverstärkers
V2 bei der Schalter stellung "b" beruht im wesentlichen darauf, daß sich beim Anstieg
der Temperaturen #1, #2 an den Meßwiderständen RM die Steuerspannung Ust vergrößert.
Bei geeigneter Dimensionierung der Schaltungsanordnung kompensiert diese Erhöhung
des Meßstromes IM die Abflachung der Widerstandskennlinien der Meßwiderstände RM
derart, daß z.B. bei PT 100-Widerstandsthermometern die Widerstandsdifferenz zwischen
#1 = 10°C und #2 = 0°C von 3,9 # die gleiche Meßspannung erzeugt wie die Widerstandsdifferenz
zwischen 61 = 21OOC und 82 = 200°C von 3,6,7 #. Damit zeigt das Meßwerk M die Temperaturdifferenz
43 - 2 unabhängig vom Arbeitspunkt der Meßwiderstände RM temperaturlinear an.
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11 Seiten Beschreibung 7 Ansprüche 3 Blatt Zeichnungen mit 4 Figuren
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