DD240086A1

DD240086A1 - Spannungs-strom-wandler

Info

Publication number: DD240086A1
Application number: DD27931885A
Authority: DD
Inventors: Erich Leistner; Peter Schmidt; Michael Schmeisser; Wolfgang Foerster
Original assignee: Berlin Treptow Veb K
Priority date: 1985-08-05
Filing date: 1985-08-05
Publication date: 1986-10-15

Abstract

Anwendbar in Einrichtungen der Automatisierungstechnik, in denen analoge Signale ueber groessere Entfernungen uebertragen werden muessen, soll die Erfindung die Proportionalitaet der Spannungs-Strom-Wandlung bei geringen Ausgangsstroemen verbessern. Erreicht wird dies, indem in einen in bekannter Weise ausgefuehrtem Spannungs-Strom-Wandler ein zusaetzlicher Strompfad so eingefuegt wird, dass sich ein Vorstrom einstellt, mit dem die Steuerbarkeit des Spannungs-Strom-Wandlers auch beim Ausgangsstrom Null ermoeglicht wird. Figur

Description

Zur Umwandlung von Spannungs- in Stromsignale wird den Signaleingängen E1 und E2 eine Eingangsspannung Ue zugeführt, und der Ausgangsstrom la, der durch den am Signalausgang A angeschlossenen Lastwiderstand Rl fließt, bildet das Ausgangssignal der Schaltung. Im vorgesehenen Arbeitsbereich, der beispielsweise zwischen 0 und 20 mA liegt, wird von der Schaltung eine strenge Proportionalität zwischen Eingangsspannung Ue und Ausgangsstrom la gefordert. Der Ausgangsstrom la muß dabei von der Größe des Lastwiderstandes Rl unabhängig sein, solange dessen Widerstandswert innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt, die in praktischen Anwendungen zwischen 0 und etwa 500 Ohm liegen. Die gewählte Schaltung ist so ausgeführt, daß der anzuschließende Lastwiderstand Rl mit seinem zweiten Anschluß auf Massepotential liegt.

Die Erläuterung der Funktion bezieht sich vorerst auf den bekannten Teil der Schaltung, d. h., der Widerstand R wird zunächst nicht berücksichtigt. Der Stromkreis, durch den der Ausgangsstrom la fließt, erstreckt sich vom Anschluß der Betriebsspannung +Ub über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors Ts, einen Meßwiderstand Rm, den Lastwiderstand Rl und schließt sich über den Masseanschluß der Betriebsspannungsquelle. Der Meßwiderstand Rm ist eng toleriert mit einem sehr geringen TK-Wert und einer hohen Langzeitstabilität ausgeführt. Dadurch stellt der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand Rm ein genaues Maß für den Ausgangsstrom la dar. Dieser Spannungsabfall wird den beiden Differenzeingängen des Operationsverstärkers OV über zwei Gegenkopplungswiderstände Rg1 und Rg2 zugeführt. In Verbindung mit zwei Eingangswiderständen Re1 und Re2 stellt sich eine Gegenkopplung ein, wodurch ein Regelkreis entsteht, der dafür sorgt, daß der Spannungsabfall am Meßwiderstand Rm der Eingangsspannung Ue streng proportional ist.

Eine geringfügige Beeinflussung der Proportionalität entsteht dadurch, daß vom Meßwiderstand Rm außer dem Ausgangsstrom la auch noch der Strom erfaßt wird, der über den Gegenkopplungswiderstand R2 abzweigt. Dieser Einfluß, der sich mit steigendem Widerstandswert des Lastwiderstandes Rl vergrößert, läßt sich in bekannter Weise vollständig kompensieren, indem die beiden Gegenkopplungswiderstände Rg1 und Rg2 mit unterschiedlichen Widerstandswerten ausgeführt werden. Es kann auch in Reihe mit dem Gegenkopplungswiderstand Rg1 ein zusätzlicher Abgleichwiderstand eingefügt werden, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Bei real ausgeführten Schaltungen zeigt sich jedoch, daß auch mit einer vollständigen Kompensation des Einflusses der Stromabzweigung über den Gegenkopplungswiderstand R2 eine genügend gute Proportionalität zwischen Eingangsspannung Ue und Ausgangsstrom la nicht im insgesamt erforderlichen Arbeitsbereich erreicht werden kann. Die Proportionalitätsfehler werden unzulässig groß, wenn der Ausgangsstrom la in die Nähe von Null gelangt, und bei einer Eingangsspannung Ue von Null läßt sich ein Ausgangsstrom Ia = O überhaupt nicht erreichen. Die Ursache dafür liegt darin, daß sich der Transistor Ts bei einem Kollektorstrom von Null nicht mehr steuern läßt.

Dieser Proportionalitätsfehler wird durch Einfügen eines Widerstandes R zwischen dem Meßwiderstand Rm und dem Anschluß der negativen Betriebsspannung -Ub beseitigt. Der Widerstand R ruft einen negativen Vorstrom Iv hervor, der ständig durch den Lastwiderstand Rl fließt. Bei einer Eingangsspannung Ue = O ist es nunmehr zulässig, daß der Transistor einen von Null verschiedenen positiven Strom liefert, der sich mit dem negativen Vorstrom zu la = 0 ergänzt, d. h., der Transistor Ts bleibt auch bei einem Ausgangsstrom la = 0 in einem steuerfähigen Arbeitsbereich. Die Größe des Vorstromes Iv ist relativ unkritisch, er muß lediglich betragsmäßig mindestens so groß sein, daß er dem fehlerhaften Ausgangsstrom la entspricht, der sich bei der Eingangsspannung Ue = 0 einstellt, wenn die Schaltung ohne den Widerstand R betrieben wird.

Es ist wesentlich, daß der Widerstand R von demjenigen Anschluß des Meßwiderstandes Rm ausgeht, der dem Signalausgang A abgewandt ist. Damit wird erreicht, daß der Vorstrom Iv durch den Meßwiderstand Rm fließt und somit in den Regelkreis für den Ausgangsstrom la eingeht.

Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung ist so ausgelegt, daß die Polarität der Eingangsspannung Ue positiv gegen Masse ist und damit einen Ausgangsstrom la hervorruft, der vom Signalausgang A nach Masse fließt.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Schaltung mit dieser Polarität und Stromrichtung beschränkt, sondern läßt jede beliebige Kombination von Polarität und Stromrichtung zu. Eine entgegengesetzte Polarität der Eingangsspannung Ue erfordert bei gleichbleibender Stromrichtung lediglich das Vertauschen von Eingangsspannung Ue und Masse an den beiden Signaleingängen E1 und E2. Eine entgegengesetzte Stromrichtung wird erreicht, indem die Polarität der Betriebsspannung +Ub und -Ub für den Transistor vertauscht und ein Transistor Ts mit entgegengesetzter Zonenfolge verwendet wird. Dabei bleiben der Anschluß des Kollektors und des Widerstandes R an den dem Signalausgang A abgewendeten Anschluß des Meßwiderstandes Rm unverändert erhalten.

Claims

Erfindungsanspruch:

Spannungs-Strom-Wandler mit einem Operationsverstärker mit Differenzeingängen und einem von diesem gesteuerten und emitterseitig mit einem Anschluß der Betriebsspannung verbundenen Transistor, von dessen Kollektor aus ein Meßwiderstand und in Reihe dazu ein Lastwiderstand nach Masse hin angeordnet ist und wobei von jedem Anschluß des Meßwiderstandes aus ein Gegenkopplungswiderstand zu je einem Differenzeingang des Operationsverstärkers führt, gekennzeichnet dadurch, daß derjenige Anschluß des Meßwiderstandes (Rm), der dem Lastwiderstand (R1) abgewandt ist, über einen Widerstand (R) mit demjenigen Anschluß der Betriebsspannung (-Ub) verbunden ist, an den der Emitter des Transistors (Ts) nicht angeschlossen ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist in Einrichtungen der Automatisierungstechnik und der Meßtechnik anwendbar, in denen analoge Meßwerte oder Daten über größere Entfernungen übertragen werden müssen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Wegen der geringen Störanfälligkeit werden zwischen Einrichtungen der Automatisierungstechnik und zwischen räumlich voneinander entfernten Meßeinrichtungen zur Übertragung analoger Meßwerte oder Daten Einheitsstromsignale verwendet, bei denen der Signalbereich beispielsweise 0 bis 20 mA beträgt. Die Umwandlung der von Meßfühlern oder Verarbeitungseinrichtungen üblicherweise abgegebenen Spannungssignale in Stromsignale wird mit Spannungs-Strom-Wandlern vorgenommen. Zur Vereinfachung der Verarbeitung werden die entsprechenden Geräte so ausgebildet, daß Spannungs- und Stromsignale verarbeitet werden können, die auf Massepotential bezogen sind. Ein Spannungs-Strom-Wandler, der für derartige Signale geeignet ist, ist aus dem Fachbuch Tietze/Schenk, Halbleiterschaltungstechnik, Springer-Verlag 1980, 5. Auflage, S. 244 Bild 12.9, bekannt. Hierbei speist ein mit Differenzeingängen ausgeführter Operationsverstärker über einen Meßwiderstand einen Lastwiderstand. Beide Anschlüsse des Meßwiderstandes sind über je einen Gegenkopplungswiderstand auf je einen Differenzeingang gegengekoppelt. Dadurch entsteht ein Regelkreis, der die Spannung am Meßwiderstand konstant auf einen Spannungswert regelt, der proportional dem Eingangssignal ist, das über die Eingangswiderstände den Differenzeingängen zugeführt ist. Wenn die Ausgangsleistung des Operationsverstärkers für die Leistung nicht ausreicht, die das zu erzeugende Stromsignal erfordert, kann ein Transistor eingefügt werden, der vom Operationsverstärker gesteuert wird. Hierbei ist zweckmäßigerweise der Emitter mit einem Anschluß der Betriebsspannung verbunden, und der Meßwiderstand in Reihe mit dem Lastwiderstand befindet sich im Kollektorkreis.

Nachteiligerweise zeigt sich bei derartigen praktisch ausgeführten Schaltungen, daß eine gute Proportionalität zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom bei niedrigen Stromwerten nicht erreichbar ist. Für den Ausgangsstrom Null versagt diese Schaltung sogar, weil bei der Eingangsspannung Null stets noch ein Ausgangsstrom fließt, d. h., der Regelkreis für den Ausgangsstrom ist unterbrochen.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung soll die Genauigkeit bei der Erzeugung von Stromsignalen verbessern.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannungs-Strom-Wandler mit einem Operationsverstärker mit Differenzeingängen und einem von diesen gesteuerten und emitterseitig mit einem Anschluß der Betriebsspannung verbundenen Transistor, von dessen Kollektor aus ein Meßwiderstand und in Reihe dazu ein Lastwiderstand nach Masse hin angeordnet ist und wobei von jedem Anschluß des Meßwiderstandes aus ein Gegenkopplungswiderstand zu je einem Differenzeingang des Operationsverstärkers führt, in der Weise zu verbessern, daß sich die Proportionalität zwischen Eingangsspannung und Ausgangsstrom nach niedrigen Werten des Ausgangsstromes hin gegenüber der Proportionalität bei hohen Stromwerten nicht verschlechtert und daß bei der Eingangsspannung Null der Ausgangsstrom Null erreichbar ist. Die Merkmale der Erfindung, mit der diese Aufgabe gelöst wird, bestehen darin, daß derjenige Anschluß des Meßwiderstandes, der dem Lastwiderstand abgewandt ist, über einen Widerstand mit demjenigen Anschluß der Betriebsspannung verbunden ist, an dem der Emitter des Transistors nicht angeschlossen ist.

Die Wirkung der Erfindung besteht darin, daß über den Widerstand ständig ein negativer Vorstrom durch den Lastwiderstand fließt, so daß der Transistor auch beim Ausgangsstrom Null noch im steuerbaren Arbeitsbereich betrieben wird.

Ausführungsbeispiel

Di ä Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt die Schaltung eines Spahnungs-Strom-Wandlers, in dem die Erfindung zur Anwendung kommt.

Als aktive Elemente enthält der Spannungs-Strom-Wandler einen Operationsverstärker OV mit Differenzeingängen und einen Transistor Ts, der die für den jeweiligen Einsatzfall benötigte Ausgangsleistung liefert. Zur Anpassung des Basispotentials des Transistors Ts an das Ausgangspotential des Operationsverstärkers OV ist eine Zwischenstufe PV eingefügt, die, beispielsweise mit einer Z-Diode, eine Potentialverschiebung bewirkt.