CH415832A - Verstärkerschaltung, insbesondere für Messzwecke - Google Patents

Description

  



  Verstärkerschaltung, insbesondere für   Messzwecke   
Für   Messzwecke      wirdt häufigdie Herstellung nichtz    linearer   Grössenbeziehungen benötigt,    einerseits zur Hervorhebung gewisser Messbereiche gegenüber anderen Messbereichen (z.   B.    Nullpunktunterdrückung) und anderseits zum Ausgleich von Nichtlinearitäten von   MeB-und tbertragungsgliedern    oder   derglei-    chen, um eine im ganzen Messbereich lineare Anzeige zu erhalten.

   Bei Verwendung eines Messverstärkers werden diese Glieder zur Herstellung nichtlinearer Beziehungen meist in den Ausgangskreis des Mess  verstarkers    eingeschaltet, wodurch eine bessere   Ju-    stierung der Me¯kennlinie auf die gewünschte Gestalt ermöglicht wird. Solche Schaltungen weisen aber den Nachteil auf, dass die meist temperaturempfindlichen nichtlinearen Glieder vom relativ starken   Ausgangs-    strom oder zumindest einem Teil desselben durchflossen werden und dadurch eine Eigenerwärmung erfahren, die den Verlauf ihrer Kennlinie in unerwünschter Weise verändert und so zu fehlerhaften Messergebnissen Anlass gibt. Ausserdem geht der Vorteil eines eingeprägten Ausgangsstromes verloren, weil die Wirkung der nichtlinearen Glieder von der Belastung des   Ausgangskreises    abhängt.



   Gegenstand der Erfindung ist eine Verstärkerschaltung, insbesondere für Messzwecke, die unter Vermeidung der genannten Nachteile eine nicht lineare Beziehung zwischen Ein-und Ausgangsgrösse aufweist. Die erfindungsgemässe Schaltung ist mit einem gegengekoppelten   Verstiärker    mit mindestens zwei Eingangskreisen versehen, von denen der eine von der Eingangsgrösse beaufschlagt ist, während der andere Eingangskreis mit mindestens einem nichtlinearen Widerstand in Serie geschaltet und von einem von der Ausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom abhängigen Strom gespeist ist.



   Mit Hilfe der erfindungsgemϯen Verstärkerschaltung lassen sich praktisch beliebige Verstärkerkennlinien erzielen. Im allgemeinen findet man das Auslangen mit Kennlinien, die keine Wendepunkte   aufwei-    sen, die sich dadurch erzielen lassen, dass als nichtlineare Widerstände beispielsweise Dioden verwendet werden. Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die mit dem nichtlinearen Widerstand, insbesondere einer Diode, in Serie liegende Eingangsstufe zusammen mit einem an einer Hilfsspannungsquelle liegenden Widerstand oder einem Zweig eines an einer Hilfsspannungsquelle liegenden   Spannungs-      teilers    einem in den Ausgangsstromkreis des Ver  stärkers geschalteten Widerstand parallel    geschaltet.



  Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich darauf, dass auch die von der Eingangs  gröl3e      beaufsehlagte    Eingangsstufe zusammen mit einem an der   Eihgangsspannung    liegenden Widerstand und gegebenenfalls mit einem an einer   Hilfs-    spannungsquelle oder einem Zweig eines an einer Hilfsspannungsquelle liegenden Spannungsteiler einem weiteren, im Ausgangsstromkreis liegenden Widerstand parallel geschaltet ist.



   Als Verstärker kann beispielsweise ein Magnet verstärker oder ein von einem Steuergalvanometer gesteuerter Me¯verstÏrker Verwendung finden, die mit mindestens zwei galvanisch getrennten   Einganga-    wicklungen versehen sind.



   Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Als Verstärker ist ein   Gerlit    mit einem Steuergalvanometer angenommen. Fig.   1    zeigt eine Begrenzerschaltung zur Erzielung der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie. Zur Kompensation von Nichtlinearitäten im Anfangsbereich dient die Schaltung nach Fig. 3 mit der Kennlinie nach Fig. 4.



  Eine Kompensation im entgegengesetzten Sinn wird durch die Schaltung nach Fig. 5 mit der zugehörigen, in Fig. 6 dargestellten Kennlinie erzielt. Eine genauere Anpassung der Verstärkerkennlinie an eine   ge-    wünschte Kurvenform lässt sich mit der Schaltung nach Fig. 7 erzielen, deren Kennlinie in Fig. 8 dargestellt ist. Fig. 9 und 11 zeigen Schaltungen, die anzuwenden sind, wenn die nichtlinearen Eingangsgrössen nicht in Form von Strömen oder Spannungen, sondern als Widerstände gegeben sind. Fig. 10 zeigt die zugehörige Eingangskennlinie. Fig. 12 und 13 sind Schaltungen, die in der Praxis zur leichteren Anpassung an die gegebenen Kurven dienen.



   In allen   Schaltbildern    ist mit 1 ein   Messverstär-      ker    bezeichnet),   dessenAusgangsleistung'vonderStel-    lung eines   richtkraftlosen    Steuergalvanometers abhängig ist, das mit einer   Eingangswicldung    2 und einer Eingangswicklung 3 versehen ist. Mit 4 ist ein Widerstand bezeichnet, an dem die   Eingangsspan-    nung   U,    liegt bzw. der vom Eingangsstrom Je durchflossen ist.

   Von den in den Ausgangsstromkreis des    Messverstärkers l geschalteten Widerständen ist ! mit    5 ein über die Eingangswicklung 2 dem an der Eingangsspannung   Ue    liegenden Widerstand 4 parallel geschalteter Widerstand bezeichnet, an dem eine dem Ausgangsstrom Ja proportionale Spannung auftritt.



  Ein weiterer im Ausgangsstromkreis des Messver  stärkers    1 liegender Widerband ist mit 6 bezeichnet, der über die Eingangswicklung 3 zumindest einen im   Eingangsstromkreis    an einer Hilfsspannung Uh liegenden Widerstand 7 parallel geschaltet ist. Mit 8 ist ein mit der Eingangswicklung 3 in Serie geschalteter nichtlinearer Widerstand, insbesondere eine Diode bezeichnet.



   Im folgenden ist die Wirkungsweise der einzelnen Schaltungen beschrieben :
In der Schaltung nach Fig.   1    steigt der Ausgangsstrom Ja mit der   Eingangsspannung Ue    vom Wert Null ausgehend so lange an, bis der Spannungsabfall am Widerstand 5 gleich ist der Eingangsspannung   Ue    ; in diesem Zustand ist dann die Eingangswicklung 2 stromlos und kann somit keine Anderung des   Ausgangsstromes    hervorrufen.



   Ein Ansteigen des Ausgangsstromes   J.    erhöht jedoch auch den Spannungsabfall am Widerstand 6.



  Solange aber die Spannung am Widerstand 6   klei-    ner ist als die Hilfsspannung   Uh    am Widerstand 7, sperrt die Diode 8, und die Eingangswicklung 3 bleibt stromlos. Wird die Spannung am Widerstand 6 gro sser als die Spannung am Widerstand 7, so wird die Diode 8 leitend und durch die Wicklung 3 fliesst ein Strom. Die Wicklung 3 ist so geschaltet, dass der nun fliessende Strom das Steuergalvanometer zurückzudrehen versucht. Dadurch nimmt der   Ausgangs-    strom Ja bei einer Vergrösserung der Eingangsspannung   Ue    nicht mehr so stark zu wie im   Anfangsbe-    reich.

   Dadurch wird aber auch der Spannungsabfall am Widerstand 5 kleiner als die Eingangsspan  nung Ue    und durch die Eingangswicklung 2 fliesst ein Strom, der das Steuergalvanometer so verdreht, dass der   Ausgangssbrom Ja    des Verstärkers 1 wieder zunimmt. Ein Gleichgewicht stellt sich am Steuergalvanometer dann ein, wenn sich die Ströme in den Eingangswicklungen 2 und 3 in ihren Wirkungen aufheben.



   Die Knickstelle in der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie hängt vom Verhältnis der Widerstände 5 und 6 und von der Grösse der Hilfsspannung   Ull    ab.



  Die Steigung der Kennlinie vor der Knickstelle ist durch die Grösse des, Widerstandes 5 bedingt. Die Steigung nach der Knickstelle hängt vom Einfluss der Wicklungen 2 und 3 auf den Verstärker (Windungszahlen) und von allen anderen Widerständen ab.



   Eine Schaltung zur Umwandlung einer nichtlinearen Eingangsgrösse in eine lineare   Au, sgangss    grösse ist in Fig. 3 dargestellt. Bekanntlich liefern   gewisse Messgeräte eine Messspannung,    die im An  fangsbereich    eine etwa quadratische Abhängigkeit von der Messgrösse aufweist und erst bei grösseren Messwerten linear ansteigt. Wenn eine der Messgrösse streng proportionale Ausgangsgrösse schon im Anfangsbereich erzielt werden soll, so ist die erhaltene Messspannung gemäss der Kennlinie nach Fig. 4 umzuformen, die die inverse Kennlinie des Messgerätes darstellt.



   Die Schaltung der Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Schaltung nach   Fig. 1 m, it    dem Unterschied, dass die Hilfsspannung   Uh    an einem Spannungsteiler liegt, der einerseits aus dem der Eingangswicklung 3 liegenden Widerstand 7 und anderseits aus einem weiteren, an den an der Eingangsspannung Ue (Messspannung) liegenden Widerstand 4 geschalteten Widerstand 9 besteht. Die am Widerstand 9 liegende Spannung wird im gesamten Messbereich zur Eingangsspannung   Ue addiert.    Die Widerstände 4, 5, 6, 7 und 9 sind so bemessen,   dlass    bei fehlender Eingangsspannung das Steuergalvanometer in seiner Nullstellung steht, so dass auch kein Ausgangsstrom geliefert wird. Mit wachsender Eingangsspannung   Ue    wird auch ein anwachsender Ausgangsstrom Ja eingeregelt.

   Der Strom durch die Eingangswicklung 3 wird durch das Ansteigen von   Ue    vermindert.



   Die Zunahme des Stromes   Ta    wird durch die Wirkung der Eingangswicklung 3 verstärkt. Ohne Eingangswicklung 3 würde die in Fig. 4 zum Teil durch strichlierte Linien angedeutete Kennlinie zu  standekommen,    die sich dadurch ergibt, dass der Aus  gangsstrom Ja    der um den Wert der am Widerstand 9 liegenden Spannung erhöhten Eingangsspannung Ue proportional ist. Zufolge der endlichen Krümmung der Kennlinie des Gleichrichters 8 ergibt sich die durch die stark ausgezogene, im Nullpunkt beginnende Linie dargestellte Beziehung zwischen Eingangsspannung Ue und Ausgangsstrom   Ja.   



   Eine Kurve mit entgegengesetzt verlaufender Krümmung wird durch die Schaltung nach Fig. 5 erzielt, die sich von der Schaltung nach Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass die Spannung am Widerstand 9 von der Eingangsspannung Ue subtrahiert wird. Die Eingangswicklung 3 ist umgepolt (in der Zeichnung nicht dargestellt). Während bei der Schaltung nach Fig. 3 das   Verhältnis,-beiStromfluss    durch die    e     Eingangswicklung 3 vergrössert wird, wird es bei der Schaltung nach Fig.   5    verkleinert. Den Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung Ue und dem Ausgangsstrom   J,    zeigt die Fig. 6.



   Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung gestattet die Erzeugung eines   Ausgangsstromes    Ja nach einer durch mehrere vorgegebene Punkte   Pl,    P2... festgelegten Beziehung zur Eingangsspannung Ue z. B. gemäss der Kennlinie nach Fig. 8. Die Schaltung entspricht im wesentlichen der Schaltung nach Fig. 3 bis auf die Ausbildung des   Speisestromkreises    der Eingangswicklung 3. In den Ausgangsstromkreis des   Verstär-    kers 1 ist ausser dem Widerstand 5 ein aus den Widerständen 6. 1, 6. 2... 6. n bestehender Span  nungsteiler    eingeschaltet. Die Anzapfpunkte und das Ende des Spannungsteilers sind über Dioden 8. 1, 8. 2... 8. n an die Eingangswicklung 3 geschaltet.

   Die an den einzelnen Dioden liegenden Spannungen sind verschieden gross und von der Stärke des   Ausgangs-    stromes   Jazz    abhängig. Bei kleinen Werten des Ausgangsstromes   J,    sind alle Gleichrichter leitend. Bei Ansteigen des   Ausgangsstromes Ja tritt    zuerst am Gleichrichter 6. 1 ein Sperrpotential auf, das diesen Gleichrichter sperrb. Bei weiterem Stromanstieg wird der Gleichrichter 6. 2 gesperrt und in weiterer Folge alle anderen Gleichrichter. Den Zuständen der Sperrung der Gleichrichter 6. 1, 6. 2... 6. n   enbsprechen    im Diagramm der Fig. 8 die Punkte   Pl,    P2... Pn.



   Der   erfindungsgemäl3e Verstärker eignet, sich    auch zur Bildung von Strömen, die von einem Widerstandswert in gewünschter Weise abhängen, wozu die in Fig. 9 dargestellte Schaltung dient. Diese   unterschei-    det sich von der Schaltung nach Fig. 3 dadurch, dass anstelle eines an einer Eingangsspannung liegenden Widerstandes ein von einem konstanten Strom 7e durchflossener Widerstand 4'vorgesehen ist. Es handelt sich hierbei um ein Potentiometer, dessen Abgriffstellung x die Eingangsgrösse darstellt. Der Spannungsabfall an dem jeweils abgegriffenen   Potentio-    meterteilwiderstand und am Widerstand 9 wird durch den vom Ausgangsstrom Ja am Widerstand 5   hervor-    gerufenen Spannungsabfall kompensiert.

   Ohne die Wirkung der Eingangswicklung 3 würde daher die in Fig. 10 mit zum Teil strichlierten Linien dargestellte lineare Beziehung zwischen der Eingangsgrösse x und dem Ausgangsstrom Ja zustande kommen ; zufolge der endlichen Krümmung der Charakteristik des Gleichrichters 8 ergibt sich die Abrundung der mit stark ausgezogenem Strich dargestellten Kennlinie der Fig. 10. Die inverse Kennlinie lässt sich mit der Schaltung nach Fig. 11 erzielen, die analog zur Schaltung nach Fig.   5    als Widerstandsmessschaltung ausgebildet ist.

   Wenn in der Schaltung nach Fig. 9 der Widerstandswert der Zuleitungen zu dem zu messenden Widerstand 4'grösser ist als der Wert des   WLlerstandies    9, dann müsste   dlie    am Widerstand 9 liegende Spannung verkleinert werden, was sich mit der Schaltung nach Fig. 9 nicht erzielen lässt. In diesem Fall ist die aus dem zu messenden Widerstand 4'und den Widerständen 4", 9 und 9'bestehende Brückenschaltung der Fig. 11 anzuwenden.



   Zwecks besseren Abgleichs der   erfindungsgemä-    ssen Schaltungen erweist es sich als vorteilhaft, die Widerstände 6 bzw. 7 veränderbar, insbesondere als Potentiometer auszubilden, wie dies in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist. Eine weitere   Einstellmöglich-    keit lässt sich durch die Anordnung eines   veränder-    baren Widerstandes 10, insbesondere eines Potentiometers, parallel zur   Gegenkopplungsspule    3 des Steuergalvanometers erzielen.



   Weiter erweist es sich als zweckmässig, der Diode einen Widerstand 11 vorzuschalten, um deren Temperaturfehler klein zu halten.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verstärkerschaltung, insbesondere für Messzwecke, mit nichtlinearer Beziehung zwischen Ein-und Aus- gangsgrosse, gekennzeichnet durch einen gegengekoppelten Verstärker (1) mit mindestens zwei Eingangskreisen (2, 3), von denen der eine (2) von der Eingangsgrösse (Ue) beaufschlagt ist, während der andere Eingangskreis (3) mit mindestens einem nichtlinearen Widerstand (8) in Serie geschaltet und von einem von der Ausgangsspannung oder dem Ausgangsstrom (Ta) abhängigen Strom gespeist ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärker (1) ein von einem Steuergalvanometer mit mindestens zwei Eingangswicklungen (2, 3) gesteuerter Messverstärker dient.

   2. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärker (1) ein Magnetverstärker mit mindestens zwei Eingangswicklungen (2, 3) dient.

   3. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Eingangsgrosse beaufschlagte Eingangskreis (2) zusammen mit einem an der Eingangsspannung (Ue) liegenden Widerstand (4) und gegebenenfalls mit einem an einer Hilfsspannung (Uh) oder einem Zweig (9) eines an einer Hilfsspannung (Uh) liegenden Spannungsteilers (7, 9) einem weiteren, im Ausgangsstromkreis liegenden Widerstand (5) parallel geschaltet ist.

   4. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem nichtlinearen Widerstand, insbesondere einer Diode (8), in Serie liegende Eingangskreis (3) zusammen mit einem an einer Hilfsspannung (Uh) liegenden Widerstand oder einem Zweig (7) eines an einer Hilfsspannung (Uh) liegenden Spannungsteilers (7, 9) einem im Ausgangsstromkreis liegenden Widerstand (6) parallel geschaltet ist.

   5. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingangskreis (3) über nichtlineare Widerstände, insbesondere Dioden (8. 1 ... 8. n) an die Anzapfungen eines im Ausgangsstromkreis liegenden, aus mehreren Widerständen (6. 1... 6. n) bestehenden Spannungsteilers geschaltet ist.

   6. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch zur Erzeugung eines von der Einstellung eines Widerstandes, insbesondere eines Potentiometers, abhän- gigen Ausgangsstromes, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbarer Widerstand, insbesondere ein Potentiometer (4'), in den Kreis eines konstanten Stromes (Je) eingeschaltet und gegebenenfalls in Serie mit einem Hilfswiderstand (9) über einen Eingangskreis (2) einem im Ausgangsstromkreis liegenden Widerstand (5) parallel geschaltet ist.

   7. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch zur Erzeugung eines von der Einstellung eines Widerstandes, insbesondere eines Potentiometers, abhängigen Ausgangsstromes, dadurch gekennzeichnet, dass ein verstellbarer Widerstand (4') in einer von einem konstanten Strom (Je3 durchflossenen Widerstands- briicke (4', 4", 9, 9Q angeordnet ist, deren Diagonale einem im Ausgangsstromkreis liegenden Widerstand (5) parallel geschaltet ist.

   8. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden an dem mit dem nichtlinearen Widerstand, insbesondere der Diode (8), in Serie geschalteten Eingangskreis (3) liegenden Widerstände (6, 7) verän- derbar, insbesondere Potentiometer sind.

   9. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingangskreis (3) ein veränderbarer Widerstand (10), insbesondere ein Potentiometer, über dessen Abgriff parallel geschaltet ist.

   10. Verstärkerschaltung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem nichtlinearen Widerstand, insbesondere der Diode (8), ein zum Ausgleich von Temperaturfehlern dienender Widerstand (11) vorgeschaltet ist.