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Die vorliegende Patentanmeldung betrifft eine Schaltungsanordnung zur hysteresebehafteten Schwellwertdetektion einer an zwei Eingangsklemmen anliegenden Eingangsspannung, mit einem wählbaren Eingangsspannungsbereich und davon unabhängig vorgebbaren relativen Hystereseschaltschwellen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Speisen einer in ihrer Stromaufnahme steuerbaren Last in Abhängigkeit vom Detektionsergebnis einer hysteresebehafteten Schwellwertdetektion einer an zwei Eingangsklemmen anliegenden Eingangsspannung mit Eigenversorgung aus der Eingangsspannung.
Herkömmliche Schaltungsanordnungen zur hysteresebehafteten Schwellwertdetektion werden als Schmitt-Trigger bezeichnet. Sollen derartige Schaltungsanordnungen mit einem wählbaren Eingangsspannungsbereich ausgestattet werden, ist es in der Praxis wesentlich, dass die relativen Hystereseschaltschwellen weitgehend unabhängig vom gewählten Eingangsspannungsbereich sind. Beispielsweise werden in jedem Eingangsspannungsbereich eine relative Einschaltschwelle von 70% und eine relative Ausschaltschwelle von 30%, jeweils bezogen auf die Bereichsobergrenze, gefordert.
Diese Forderung ist besonders problematisch, wenn die Versorgung der gesamten Schaltungsanordnung ausschliesslich aus der Eingangsspannung erfolgen soll. Tatsächlich war es mit den bislang bekannten Schmitt-Trigger-Schaltungen nicht möglich, weitgehend gleiche relative Hystereseschaltschwellen in verschiedenen Eingangsspannungsbereichen zu erzielen, insbesondere wenn der Eingangsspannungsbereich die Versorgungsspannung des Schmitt-Triggers bedeutend übersteigt.
Es wäre daher eine Schaltungsanordnung der einleitend genannten Art wünschenswert, welche zur Gänze aus der Eingangsspannung versorgbar ist und weiterhin eine Bereichsumschaltung mit davon unabhängigen relativen Hystereseschaltschwellen ermöglicht. Gemäss der Erfindung wird dieses Ziel mit einer Schaltungsanordnung erreicht, die sich auszeichnet durch einen Parallelspannungsregler mit zwei über einen Steuereingang umschaltbaren Spannungsregelniveaus, der an die Eingangsklemmen über einen wählbaren Vorwiderstand und einen Stromfühler angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Stromfühlers dem Schaltungsausgang sowie dem Steuereingang des Parallelspannungsreglers über einen Schmitt-Trigger zugeführt ist,
welcher bei einem Überschreiten seiner Einschaltschwelle den Parallelspannungsregler auf das niedrigere und bei einem Unterschreiten seiner Ausschaltschwelle auf das höhere der beiden Spannungsregelniveaus umschaltet, und wobei der Schmitt-Trigger vom Parallelspannungsregler stromversorgt ist.
Die Funktionsweise dieser Schaltung wird später ausführlicher erläutert. Tatsache ist, dass der Eingangsspannungsbereich der Schaltung durch Verändern des Vorwiderstandes frei wählbar ist, während die relativen Hystereseschwellen weitgehend unabhängig vorgegeben werden können.
Die erfindungsgemässe Schaltung arbeitet selbst mit einem Vorwiderstand von Null, was den kleinsten, an der Grenze der Funktionsschwelle der Halbleiterbauelemente liegenden Eingangsspannungsbereich ermöglicht.
Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn gemäss einem bevorzugten Merkmal der Erfindung der Schmitt-Trigger von spannungsgesteuertem Typ und der Stromfühler ein Widerstand ist, dessen Spannungsabfall dem Eingang des Schmitt-Triggers zugeführt ist. In diesem Fall kann der Schmitt-Trigger mit Hilfe eines einfachen Schwellwertschalters, z. B. Komparators, mit konstantem Schwellwert aufgebaut werden, an dessen Eingang der genannte Spannungsabfall und das Spannungsregelniveau des Parallelspannungsreglers summiert werden. Die Hysterese ergibt sich bei dieser Variante durch die Rückwirkung des Spannungsregelniveaus des Parallelspannungsreglers auf das Eingangssignal des Schwellwertschalters.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung eignet sich besonders zum Einbau in eine Anspeisevorrichtung für eine in ihrer Stromaufnahme steuerbare Last, wobei die Last das Stellglied des Parallelspannungsreglers bildet. Auf diese Weise wird die Leistung, welche sonst im Stellglied des Parallelspannungsreglers dissipiert wird, zum Betreiben der Last ausgenützt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 ein Detailschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäss Fig. 1 weist die Schaltungsanordnung zwei Eingangsklemmen 1,2 auf, an welchen eine Eingangsspannung UE anliegt. Die gesamte Schaltungsanordnung hat die Aufgabe, das
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Überschreiten eines oberen Einschaltschwellwertes UE, swe durch die Eingangsspannung UE zu detektieren und das Detektionsergebnis an einer Ausgangsklemme 3 zur Verfügung zu stellen, beispielsweise in Form eines "high"-Zustandes bezüglich einer zweiten Ausgangsklemme 4, sowie das Unterschreiten eines unteren Ausschaltschwellwertes UE, swa durch die Eingangsspannung UE, z. B. in Form eines "low"-Zustandes an der Ausgangsklemme 3. Die Schaltungsanordnung stellt somit einen Vierpol mit den Eingangsklemmen 1,2 und den Ausgangsklemmen 3,4 dar, dessen Übertragungsverhalten im wesentlichen dem eines herkömmlichen Schmitt-Triggers entspricht.
Die Stromversorgung der gesamten Schaltungsanordnung erfolgt ausschliesslich über die Eingangsklemmen 1, 2 von einer die Eingangsspannung UE erzeugenden (nicht dargestellten) Signalspannungsquelle.
An die Eingangsklemmen 1,2 ist über einen wählbaren Vorwiderstand Rv und einen Stromfühler 6 ein Parallelspannungsregler 7 angeschlossen. Die Funktionsweise eines Parallelspannungsreglers ist dem Fachmann bekannt und wird hier nur kurz zusammengefasst. Ein Parallelspannungsregler ist ein Zweipol mit einem leistungsverbrauchenden Stellglied zwischen seinen beiden Anschlüssen P und R, z. B. einem steuerbaren Widerstand. Die Stromaufnahme des Stellgliedes wird in einem internen Regelkreis im Hinblick auf ein Konstanthalten der über den Parallelspannungsregler abfallenden Spannung geregelt, welche als Spannungsregelniveau UPR des Parallelspannungsreglers bezeichnet wird.
Der hier zum Einsatz kommende Parallelspannungsregler 7 ist insoferne von speziellem Typ, als sein Spannungsregelniveau UPR über einen Steuereingang 8 zwischen zwei vorgegebbaren
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Das Spannungsregelniveau UPR des Parallelspannungsreglers 7 liefert die Versorgungsspannung für einen Schmitt-Trigger 9 herkömmlicher Bauart ; alternativ könnte der Schmitt-Trigger 9 auch auf andere Weise versorgt werden.
Der Eingang des Schmitt-Triggers 9 ist an einen Ausgang 10 des Stromfühlers 6 angeschlossen. Der Stromfühler 6 misst die gesamte Stromaufnahme Is der Schaltung und kann von beliebiger Art sein, z. B. von induktivem oder Halleffekt-Typ. Bevorzugt wird ein Widerstand im Bereich von einigen Ohm als Stromfühler verwendet. Der Schmitt-Trigger 9 spricht an, wenn die vom Stromfühler 6 gemessene Gesamtstromaufnahme Is der Schaltung einen Einschaltschwellwert Is, swe überschreitet und erzeugt ein Zustandssignal "high" an seinem Ausgang 11, bzw. ein Zustandssignal "low", wenn die Stromaufnahme Is einen Ausschaltschwellwert Is, swa unterschreitet. Beispielhafte Werte für Is, swe und Is, swa sind 1,0 bzw. 0,8 mA.
Der Ausgang 11des Schmitt-Triggers 9 ist mit der Ausgangsklemme 3 und dem Steuereingang 8 des Parallelspannungsreglers 7 verbunden. Der Zustand "high" am Steuereingang 8 des Parallelspannungsreglers 7 weist diesen an, das Spannungsregelniveau UPR auf das untere Spannungs-
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obere Spannungsregelniveau UPRe umschaltet.
Der Vorwiderstand Rv legt den Eingangsspannungsbereich der Schaltung fest und kann ein variabler oder stufenweise schaltbarer Widerstand, eine schaltbare Widerstandskaskade oder eine schaltbare Widerstandsauswahl sein. Im Falle des kleinstmöglichen Eingangsspannungsbereiches hat der Vorwiderstand Rv den Wert Null (d. h. entfällt).
Die folgende Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung verwendet die oben genannten Beispielwerte für die Spannungsregelniveaus UPRe und UPRa sowie die Ein- und Ausschaltschwellwerte Is, swe und Is, sw; andere Werte sind selbstverständlich möglich.
Zunächst wird der Fall des kleinstmöglichen Eingangsspannungsbereiches betrachtet, d.h.
Rv = 0. Es sei davon ausgegangen, dass sich der Schmitt-Trigger 9 anfänglich im Ausschaltzustand befindet (Ausgang 11= "low"), wodurch der Parallelspannungsregler 7 auf das obere Spannungsregelniveau UPRe von 3 V eingestellt wird.
Solange die Eingangsspannung UE des Spannungsregelniveau UPRe von 3 V nicht erreicht, ist das interne Stellglied des Parallelspannungsreglers 7 gesperrt und die Stromaufnahme ls der gesamten Schaltung sehr gering, in der Praxis im Bereich von einigen A. Erst wenn die Eingangsspannung UE das Spannungsregelniveau UPRe von 3 V übersteigt, öffnet das Stellglied des Parallelspannungsreglers 7 und die Stromaufnahme Is steigt abrupt an und übersteigt den Einschaltschwellwert ls, swe von 1,0 mA. Der Schmitt-Trigger 9 schaltet in den "high"-Zustand und weist den
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Parallelspannungsregler 7 an, das untere Spannungsregelniveau UPRa von 2,5 V einzustellen.
Es ist ersichtlich, dass die Eingangsspannung UE nun unter das untere Spannungsregelniveau UPRa von 2,5 V absinken muss, damit die Stromaufnahme Is (durch Sperren des Stellgliedes des Parallelspannungsreglers 7) abrupt absinkt, u. zw. unter den Ausschaltschwellwert Is swa von 0,8 mA, bei welchem der Schmitt-Trigger 9 in den "low"-Zustand zurückschaltet.
Als zweiter Fall wird ein von Null verschiedener Vorwiderstand Rv betrachtet, z.B. Rv = 100 k#.
Das Erreichen der Einschaltschwelle Is, swe von 1 mA bedingt am Vorwiderstand Rv einen zusätzlichen Spannungsabfall von 100 V, welcher zum Spannungsregelniveau UPRe von 3 V hinzutritt, so dass der Einschaltschwellwert UE, swe für die Eingangsspannung UE 103 V beträgt. Bei der Ausschaltschwelle Is, swa von 0,8 mA beträgt der Spannungsabfall am Vorwiderstand Rv 80 V und tritt zu dem Spannungsregelniveau UPRa von 2,5 V hinzu, so dass die Ausschaltschwelle UE, swa für die Eingangsspannung UE 82,5 V beträgt. Bei einem angenommenen Eingangsspannungsbereich von 0 bis 150 V entspricht dies einer relativen Einschaltschwelle von 68,6% und einer relativen Ausschaltschwelle von 55%.
Im Vergleich dazu betrugen die relativen Hystereseschaltschwellen im ersten Fall (ohne Vorwiderstand) 68,6% und 57%, bezogen auf einen entsprechenden Eingangsspannungsbereich von 4,37 V, was unter Berücksichtigung des 34-fachen Eingangsspannungsbereiches eine nur geringfügige Abweichung darstellt.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsvariante, bei der die Funktion des Schmitt-Triggers 9 durch das Zusammenwirken von Schwellwertschalter 14, Stromfühler 6 und Parallelspannungsregler 7 erzielt wird. Schwellwertschalter 14 wird durch das Zusammenwirken des Komparators 12, dem als Referenzwert der Ausgang einer Referenzspannungsquelle 13 zugeführt ist, gebildet.
Der Stromfühler 6 ist hier durch einen Widerstand Rs gebildet. Der Stromfühlwiderstand Rs ist für die Zwecke der übrigen Schaltung vernachlässigbar klein, erzeugt jedoch einen Spannungsabfall Us, welcher als Messgrösse für die Gesamtstromaufnahme Is dient. Der Spannungsabfall Us wird am Eingang des Schwellwertschalters 14 über einen Spannungsteiler 16,17 mit dem Spannungsregelniveau UPR des Parallelspannungsreglers 7 summiert. Auf diese Weise ergibt sich eine Rückwirkung der Änderung des Spannungsregelniveaus UPR auf den Arbeitspunkt des Schwellwertschalters 14, welche durch entsprechende Dimensionierung des Stromfühlwiderstandes Rs für die Einstellung der Ein- und Ausschaltschwellen Is, swe und Is, swa auf z. B. 1,0 und 0,8 mA ausgenützt wird.
In Fig. 2 ist das interne Stellglied 18 des Parallelspannungsreglers 7 schematisch dargestellt.
Für die spezielle Anwendung der Schaltungsanordnung zur selektiven Speisung einer Last abhängig von der Schwellwertauswertung der Eingangsspannung UE kann das Stellglied 18 durch die zu speisende Last selbst ersetzt werden. Dadurch wird die sonst im Stellglied 18 dissipierte Leistung zur Lastspeisung ausgenützt. Ein Beispiel für eine geeignete Nutzlast ist ein in seiner Stromaufnahme steuerbarer Speiseoszillator für einen induktiven Übertrager, mit welchem das Ergebnis der Detektion galvanisch getrennt weitergeleitet werden kann.
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