DE4122029C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines an einem Prüfobjekt abgegriffenen Spannungsab­ falls von einem vorgegebenen Eingangsspannungsbereich auf ei­ nen gewünschten Ausgangsspannungsbereich.

Es gibt bei elektrischen Schaltungen Fälle, in denen ein Bau­ element dadurch auf seine Funktionsfähigkeit geprüft wird, daß ein an ihm auftretender Spannungsabfall gemessen und daraufhin untersucht wird, ob er innerhalb eines vorgegebenen Toleranz­ bereichs liegt. Ein solches Prüfobjekt kann beispielsweise ein Schalter sein, der im einwandfreien Zustand im idealen Fall einen Kontaktwiderstand von wenigen mΩ hat, wenn er geschlos­ sen ist. Wenn der Schalter jedoch im geschlossenen Zustand ei­ nen größeren Widerstand hat, tritt an dem Schalter ein Span­ nungsabfall auf, durch dessen Auswertung erkannt werden kann, ob der Schalter noch brauchbar ist oder gegen einen neuen Schalter ausgewechselt werden muß. Der Schalter konnte bei­ spielsweise in einer Alarmauslöseelektronik angewendet werden, in der sein Schließen einen Alarm auslöst. Ein infolge korro­ dierter Kontakte nicht mehr funktionsfähiger Schalter würde die Alarmauslösung verhindern, was unter Umständen sehr nach­ teilige Folgen haben kann. Aus diesem Grund ist es erforder­ lich, den Kontaktwiderstand des geschlossenen Kontakts von Zeit zu Zeit zu überprüfen.

Bei der Auswertung eines solchen Spannungsabfalls ergibt sich aber dann ein Problem, wenn der Spannungsabfall auf einem Spannungspegel liegt, der höher als der Eingangsspannungsbe­ reich ist, der an die Auswertungsschaltung für den Spannungs­ abfall angelegt werden darf. Wenn beispielsweise eine digitale Auswertungsschaltung mit dem Spannungsbereich von 0 bis 5 V verwendet wird, dann ist es nicht möglich, einen Spannungsab­ fall an den Eingang der Auswertungsschaltung anzulegen, der beispielsweise auf einem Spannungspegel von 15 V liegt.

Aus "VALVO Berichte", Band XIX, Heft 3, 1975, S. 107-114, und aus DE 31 20 979 A1 sind Stromspiegelschaltungen bekannt, die es ermöglichen, einen Strom zu erzeugen, der in einem festen Verhältnis zu einem vorgegebenen Referenzstrom steht, der in einem anderen Stromkreis fließt. Dieses Verhältnis kann auch den Wert 1 haben, was bedeutet, daß der erzeugte Strom gleich dem Referenzstrom ist. Die Grundschaltung eines solchen Stromspiegels besteht aus zwei Transistoren, deren Emitter- Kollektor-Strecken parallel zueinander geschaltet sind und deren Basis-Anschlüsse miteinander verbunden sind. Die ver­ bundenen Basisanschlüsse sind mit dem Kollektor eines der beiden Transistoren verbunden. Der durch die Emitter-Kollek­ tor-Strecke des Transistors, dessen Basis- und Kollektor- Anschlüsse verbunden sind, fließende Strom ist dabei der Referenzstrom, der in die Emitter-Basis-Strecke des zweiten Transistors "gespiegelt" wird.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit deren Hilfe es ermöglicht wird, einen Spannungsabfall an einem Prüfobjekt auszuwerten, der am Prüfobjekt auf einem Spannungs­ pegel liegt, der außerhalb des zulässigen Eingangsspannungsbe­ reichs einer Auswertungsschaltung für den Spannungsabfall liegt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine von einer Konstantstromquelle gespeisten Stromspiegelschaltung mit einem Eingangstransistor und einem Ausgangstransistor, wobei die Konstantstromquelle in der Kollektorleitung des Eingangstran­ sistors liegt, während in der Kollektorleitung des Ausgangs­ transistors wenigstens eine Diode liegt, die von einem Strom durchflossen ist, dessen Wert gleich dem Wert des von der Kon­ stantstromquelle gelieferten Stroms ist, einen parallel zu dem den Ausgangstransistor und die wenigstens eine Diode enthal­ tenden Zweig der Stromspiegelschaltung liegenden, identisch aufgebauten Schaltungszweig mit einem weiteren Transistor und wenigstens einer in dessen Kollektorleitung liegenden Diode, wobei das Prüfobjekt in der Emitterleitung des weiteren Tran­ sistors liegt und von einem Prüfstrom aus einer weiteren Kon­ stantstromquelle durchflossen ist, und zwei Ausgangsleitungen zum Abgeben des umgesetzten Spannungsabfalls, von denen die eine am Kollektor des Ausgangstransistors und die andere am Kollektor des weiteren Transistors angeschlossen ist.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der am Prüf­ objekt abgegriffene Spannungsabfall in einen Ausgangsspan­ nungsbereich "gespiegelt", der so festgelegt werden kann, daß er mit dem Eingangsspannungsbereich einer Auswertungsschaltung verträglich ist. Der umgesetzte Spannungsabfall ist dabei un­ abhängig von dem Spannungspegel, auf dem er ursprünglich am Prüfobjekt erzeugt wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanord­ nung läßt sich vollständig als integrierte Schaltung aufbauen, wobei die einzelnen Transistoren und Dioden bei der Herstel­ lung paarweise jeweils identische Parameter erhalten, so daß sie dementsprechend auch ein identisches Temperaturverhalten haben. Die Umsetzung des Spannungsabfalls erfolgt daher sehr genau ohne Einflüsse von Temperaturänderungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert, deren einzige Figur ein Schaltbild der erfindungs­ gemäßen Schaltungsanordnung zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltungsanordnung enthält eine Stromspiegelschaltung aus zwei PNP-Transistoren T1 und T2. Wie zu erkennen ist, ist beim Transistor T1 der Kollektor­ anschluß mit dem Basisanschluß verbunden, wobei dieser Basis­ anschluß wiederum mit dem Basisanschluß des Transistors T2 verbunden ist. Die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren sind mit einer Versorgungsspannungsleitung 10 verbunden, an die über eine Klemme 12 eine Versorgungsspannung U_v angelegt ist. Diese Versorgungsspannung kann je nach dem Anwendungsfall die verschiedensten Werte haben.

Durch den den Eingangstransistor der Stromspiegelschaltung bildenden Transistor T1 fließt der mit Hilfe einer in seiner Kollektorleitung liegenden Konstantstromquelle 14 eingeprägte Strom I1. Aufgrund der bekannten Funktion der Stromspiegel­ schaltung hat der in der Kollektorleitung des den Ausgangs­ transistor der Stromspiegelschaltung bildenden Transistors T2 fließende Strom den gleichen Wert wie der Strom I1.

Wie in dem Schaltbild zu erkennen ist, liegt in der Kollektor­ leitung des Transistors T2 eine Diode D1, die entsprechend dem Schaltbild von einem Transistor gebildet ist, dessen Basisan­ schluß direkt mit dem Kollektoranschluß verbunden ist.

Parallel zu der Serienschaltung aus dem Transistor T2 und der Diode D1 liegt ein Schaltungszweig, der aus einem Transistor T3 und einer damit ebenfalls in Serie geschalteten weiteren Diode D2 besteht, wobei in die Emitterleitung dieses Transi­ stors T3 ein Prüfobjekt 16 eingefügt ist, das aus einem Schal­ ter 18 besteht. Der Schalter 18 ist dabei im geschlossenen Zu­ stand dargestellt, was bedeutet, daß in der Emitterleitung des Transistors T3 lediglich der Kontaktwiderstand des Schalters 18 wirksam ist. Über den Schalter 18 fließt der von einer wei­ teren Konstantstromquelle 20 gelieferte Strom. Die Schaltungs­ anordnung weist eine erste Ausgangsleitung 22 auf, die den Verbindungspunkt zwischen dem Kollektoranschluß des Transi­ stors T2 mit einer Ausgangsklemme 24 verbindet. Eine weitere Ausgangsleitung 26 verbindet den Verbindungspunkt zwischen dem Kollektoranschluß des Transistors T3 und der Diode D2 mit ei­ ner Ausgangsklemme 28. Der mit Hilfe der beschriebenen Schal­ tungsanordnung umgesetzte Spannungsabfall kann zwischen den Ausgangsklemmen 24 und 28 abgegriffen werden.

Die beschriebene Schaltungsanordnung verhält sich im Betrieb wie folgt:

Wie bereits erwähnt wurde, wird durch die Stromspiegelschal­ tung mit den beiden Transistoren T1 und T2 in der Kollektor­ leitung des Transistors T2 ein konstanter Strom 12 erzeugt, dessen Wert dem durch die Konstantstromquelle 14 eingeprägten Stroms I1 entspricht. Dieser Strom I2 fließt durch die Diode D1 und erzeugt an dieser Diode einen Spannungsabfall U_BE. Die­ ser Spannungsabfall ändert sich bekanntlich nichtlinear in Ab­ hängigkeit von dem durch die Diode fließenden Strom. Da dieser Strom aber, wie oben erläutert, konstant ist, tritt am Kollek­ toranschluß des Transistors T2 und somit an der Ausgangsklemme 24 eine konstante Spannung auf, die exakt dem Spannungsabfall U_BE an der Diode D1 entspricht.

Wenn angenommen wird, daß der Schalter 18 im Prüfobjekt 16 den idealen Kontaktwiderstand 0 Ohm hat, dann fließt auch durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T3 und durch die Diode D2 der gleiche Strom wie durch die dazu parallel liegen­ de Serienschaltung aus dem Transistor T2 und der Diode D1. Dieser Strom hat auch an der Diode D2 den Spannungsabfall U_BE zur Folge, so daß an der Ausgangsklemme 28 die gleiche Span­ nung U_BE wie an der Ausgangsklemme 24 vorhanden ist. Die Dif­ ferenz der Spannungen an den beiden Ausgangsklemmen 24 und 28 ist daher Null. Dies entspricht genau dem Fall, daß am Prüfob­ jekt 16 der Spannungsabfall den Wert 0 V hat.

In der Praxis wird jedoch der Schalter 18 auch im geschlos­ senen Zustand stets einen bestimmten niedrigen Widerstand ha­ ben, so daß abhängig von dem mittels der Konstantstromquelle 20 eingespeisten Strom am Schalter 18 ein bestimmter Span­ nungsabfall auftritt. Solange der Schalter 18 funktionsfähig ist, ist sein Kontaktwiderstand sehr klein, so daß dementspre­ chend auch der Spannungsabfall klein ist und in der Größenord­ nung von mV liegt. Welcher Kontaktwiderstand noch als ausrei­ chend niedrig betrachtet wird, hängt vom jeweiligen Anwen­ dungsfall des Schalters 18 ab.

Der am Schalter 18 auftretende Spannungsabfall führt am Tran­ sistor T3 zu einer Änderung der Basis-Emitter-Spannung, was wiederum zur Folge hat, daß der durch die Emitter-Kollektor- Strecke dieses Transistors fließende Strom geändert wird. Die­ se Stromänderung führt dazu, daß sich auch die an der Diode D2 als Spannungsabfall bildende Spannung U_BE entsprechend der be­ kannten Gesetzmäßigkeit ändert, die durch die bekannte Dioden­ gleichung ausgedrückt wird. Ebenso wie die Änderung der Basis- Emitter-Spannung des Transistors T3 zu einer Änderung des die­ sen Transistor T3 durchfließenden Stroms führt, führt die Stromänderung durch die Diode D2 zu einer Änderung der Span­ nung U_BE′, die dem Spannungsabfall am Schalter 18 entspricht. An den Ausgangsklemmen 24 und 28 kann daher eine Ausgangsspannung abgegriffen werden, die der Differenz zwischen der Spannung U_BE an der Diode D1 und der durch den geänderten Strom durch die Diode D2 veränderten Spannung U_BE′ entspricht, die exakt den Spannungsabfall am Schalter 18 darstellt. Wenn der Spannungsabfall am Schalter 18 mit ΔU und die Ausgangsspannung zwischen den Anschlußklemmen 24 und 28 mit U_A bezeichnet wird, dann gilt:

U_A = U_BE - U_UBE′ = U_BE - (U_BE - ΔU) = ΔU

Wie aus der obigen Erläuterung der Wirkungsweise der in der Zeichnung dargestellten Schaltungsanordnung hervorgeht, ist der Pegel der Ausgangsspannung U_A völlig unabhängig von der Versorgungsspannung U_v, so daß selbst bei Schwankungen dieser Spannung der Spannungsabfall am Schalter 18 an den Ausgangs­ klemmen 24 und 28 auf dem gewünschten niedrigen Ausgangspegel erzeugt werden kann.

Falls es erwünscht ist, den Spannungsabfall zu verstärken, dann kann dies einfach dadurch erreicht werden, daß mit den Dioden D1 und D2 jeweils weitere, in der Zeichnung nur schema­ tisch dargestellte Dioden D3, D4 in Serie geschaltet werden. Wenn beispielsweise in die Kollektorleitungen der Transistoren T2 und T3 jeweils zwei in Serie geschaltete Dioden eingefügt werden, dann tritt an jeder der Dioden in der Kollektorleitung des Transistors T3 durch den Spannungsabfall am Schalter 18 die gleiche Änderung der Spannung U_BE auf, so daß an jeder Diode die geänderte Spannung U_BE′ vorhanden ist, was zur Folge hat, daß die an den Ausgangsklemmen 24, 28 abgegriffene Span­ nung dem zweifachen Wert des Spannungsabfalls am Schalter 18 entspricht.

Die beschriebene Schaltung kann ohne weiteres in Form einer integrierten Schaltung hergestellt werden, da sie ausschließ­ lich aus Transistoren und Dioden aufgebaut ist. Wenn bei der Herstellung darauf geachtet wird, daß der Transistor T2 und der Transistor T3 einerseits und die Diode D1 und die Diode D2 jeweils exakt die gleichen charakteristischen Parameter haben, wird eine sehr gute Temperaturunabhängigkeit der Schaltung er­ halten, da sich die Parameter der genannten Bauelemente bei Temperaturänderungen in der gleichen Weise verändern. Dies hat zur Folge, daß sich sowohl die als Bezugsspannung verwendete Spannung U_BE an der Diode D1 und auch die veränderte Spannung U_BE′ an der Diode D2 im gleichen Sinne verändern und damit keine Auswirkung auf die an den Ausgangsklemmen 24 und 28 ab­ gegriffene Spannung U_A haben.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines an einem Prüfobjekt abgegriffenen Spannungsabfalls von einem vorgegebenen Ein­ gangsspannungsbereich auf einen gewünschten Ausgangsspannungs­ bereich, gekennzeichnet durch eine von einer Konstantstrom­ quelle (14) gespeiste Stromspiegelschaltung mit einem Ein­ gangstransistor (T1) und einem Ausgangstransistor (T2), wobei die Konstantstromquelle (14) in der Kollektorleitung des Ein­ gangstransistors (T1) liegt, während in der Kollektorleitung des Ausgangstransistors (T2) wenigstens eine Diode (D1) liegt, die von einem Strom durchflossen ist, dessen Wert gleich dem Wert des von der Konstantstromquelle (14) gelieferten Stroms ist, einen parallel zu dem den Ausgangstransistor (T2) und die wenigstens eine Diode (D1) enthaltenden Zweig der Stromspie­ gelschaltung liegenden, identisch aufgebauten Schaltungszweig mit einem weiteren Transistor (T3) und wenigstens einer in dessen Kollektorleitung liegenden Diode (D2), wobei das Prüf­ objekt (16) in der Emitterleitung des weiteren Transistors (T3) liegt und von einem Prüfstrom aus einer weiteren Konstant­ stromquelle (20) durchflossen ist, und zwei Ausgangsleitungen (22, 26) zum Abgeben des umgesetzten Spannungsabfalls, von denen die eine am Kollektor des Ausgangstransistors (T2) und die andere am Kollektor des weiteren Transistors (T3) ange­ schlossen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Kollektorleitung des Ausgangstransistors (T2) und des weiteren Transistors (T3) jeweils mehrere Dioden (D3, D4) in Serienschaltung eingefügt sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dioden (D1, D2, D3, D4) aus Transistoren ge­ bildet sind, deren Basis- und Kollektoranschlüsse miteinander verbunden sind.