DE10059170C2 - Verfahren zum Betreiben eines Differenzverstärkers sowie Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Dif­ ferenzverstärkers, dessen erster und zweiter Eingangskanal über eine erste Widerstandsschaltung mit einer Signalquelle und über eine zweite Widerstandsschaltung mit einem Bezugspo­ tential verbunden sind. Sie bezieht sich weiter auf eine Schaltungsanordnung mit einem derartigen Differenzverstärker.

In Niederspannungsnetzen, beispielsweise innerhalb von Schaltgeräten, Schützen oder Drehstromstellern, kann eine hochgenaue Messung von Stromstärken erforderlich oder wün­ schenswert sein. Dazu ist in die strom- und üblicherweise auch potentialführende Leitung ein sogenannter Shunt- Widerstand als Meßwiderstand geschaltet. Der Stromfluß durch diesen Widerstand bewirkt, daß am Shunt-Widerstand eine zur Stromstärke proportionale Spannung abfällt, die somit zur Messung der Stromstärke herangezogen werden kann. Um unnötige und unerwünschte Leistungsverluste im Hauptstromkreis zu ver­ meiden, ist der Widerstand dabei üblicherweise vergleichswei­ se klein gewählt, so daß die charakteristische Meßspannung, gerade im Vergleich zum Potential der stromführenden Leitung in bezug auf eine masseführende Leitung, üblicherweise äu­ ßerst klein ist. Für die Strommessung ist also die Messung einer vergleichsweise kleinen Spannungsdifferenz erforder­ lich, ohne daß sich das üblicherweise hohe gemeinsame Hinter­ grundpotential, auf dem sich die stromführende Leitung an sich befindet, nachteilig bemerkbar machen soll.

Zu diesem Zweck kann im Rahmen einer sogenannten Subtrahier­ schaltung ein Differenzverstärker zum Einsatz kommen. Dieser weist üblicherweise zwei Eingangskanäle auf, zwischen denen die zu messende Spannung oder Spannungsdifferenz anzulegen ist. Der Differenzverstärker, der beispielsweise als Operati­ onverstärker ausgebildet sein kann, generiert dabei ein für die an seinen Eingangskanälen anliegende Spannungsdifferenz charakteristisches Differenzsignal, das er auf seinen Ausgang gibt. Zur Strommessung kann ein derartiger Differenzverstär­ ker eingangsseitig mit dem genannten Shunt-Widerstand verbun­ den sein, so daß dieser als Signalquelle für den Differenz­ verstärker dient.

Gerade für eine Spannungsmessung an einer bezüglich des Be­ zugspotentials auf vergleichsweise hohem Potential befindli­ chen Signalquelle - wie für die genannte Strommessung der Fall - kann der Differenzverstärker derart geschaltet sein, daß sein erster Eingangskanal über einen ersten Eingangswi­ derstand mit einer Eingangsseite der Signalquelle und über einen ersten Referenzwiderstand mit dem Bezugspotential oder einer masseführenden Leitung verbunden ist. Der zweite Ein­ gangskanal ist dabei in analoger Verschaltung über einen zweiten Eingangswiderstand mit einer Ausgangsseite der Sig­ nalquelle und über einen zweiten Referenzwiderstand mit dem masseführenden Leiter verbunden. Mit anderen Worten: der ers­ te und der zweite Eingangswiderstand bilden dabei eine erste widerstandsschaltung, über die der erste und der zweite Ein­ gangskanal des Differenzverstärkers mit der Signalquelle ver­ bunden sind. Der erste und der zweite Referenzwiderstand bil­ den hingegen eine zweite Widerstandsschaltung, über die der erste und der zweite Eingangskanal des Differenzverstärkers mit dem Bezugspotential oder der masseführenden Leitung ver­ bunden sind.

Ein derartiger Differenzverstärker würde im idealen Fall ein Ausgangssignal liefern, das ausschließlich proportional zur Spannungsdifferenz an seinen Eingangskanälen ist. Dabei würde das gemeinsam anliegende, auch als "Common Mode" bezeichnete Gleichtaktpotential in der Art einer sogenannten "Common Mode Rejection" vollständig unterdrückt. In realen Systemen ge­ lingt dies jedoch nicht vollständig; vielmehr ist das Maß der Unterdrückung des Gleichtaktpotentials ("Common Mode Rejecti­ on Ratio") ein Qualitätsmerkmal für den Differenzverstärker.

Für eine hochgenaue Strommessung ist eine möglichst weitge­ hende Unterdrückung des Gleichtaktpotentials von besonderer Bedeutung. Dazu kann als Differenzverstärker ein Operations­ verstärker zum Einsatz kommen, bei dem die die erste und die zweite Widerstandsanordnung bildenden Widerstände, insbeson­ dere die Referenzwiderstände, äußerst präzise ausgewählt sind und auch bei wechselnden Betriebsbedingungen der zugrundelie­ genden Strommeßeinrichtung ein konstantes und stabiles Ver­ halten zeigen. Die Bereitstellung derart sorgfältig ausge­ wählter Widerstände ist jedoch sehr aufwendig und somit kos­ tenintensiv.

Zudem müssen die Widerstände hinsichtlich ihrer Betriebsei­ genschaften besonders robust und langzeitstabil sein und sollten zudem unempfindlich gegenüber Temperaturdrift sein. Auch bei Erfüllung all dieser Erfordernisse ist eine derarti­ ge Strommessung jedoch nur von beschränkter Genauigkeit und überdies auch nur für ein Gleichtaktpotential von weniger als etwa 250 V geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Differenzverstärkers der oben genannten Art anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln, insbesondere auch bei variierenden Betriebssituationen, beispielsweise in­ folge von Temperaturdrift oder Alterung der Komponenten, auch bei einem vergleichsweise hohen Gleichtaktpotential von mehr als etwa 250 V eine besonders hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist. Zudem soll eine für die Durchführung des Verfahrens be­ sonders geeignete Schaltungsanordnung mit einem Differenzver­ stärker angegeben werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Eingangskanäle des Differenzverstärkers mit einem gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt werden, wobei das vom Differenzverstärker durch das Prüfpotential gegenüber dem Bezugspotential generierte Ausgangspotential durch Nach­ führen eines Widerstands der erste oder der zweiten Wider­ standsschaltung auf einen Minimalwert eingestellt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein ein­ maliger Abgleich des Differenzverstärkers auch bei der Aus­ wahl vergleichsweise hochpräziser Komponenten dessen Zuver­ lässigkeit gerade bei andauerndem Betrieb und veränderten Be­ triebsbedingungen einschränkt und zudem eine Anwendung für ein Gleichtaktpotential von mehr als etwa 250 V überhaupt nicht zuläßt. Eine besonders hohe Zuverlässigkeit auch bei wechselnden Betriebsbedingungen ist hingegen erreichbar, in­ dem eine mögliche betriebsbedingungsabhängige oder zeitabhän­ gige Drift in den charakteristischen Eigenschaften der zum Abgleich verwendeten Komponenten, insbesondere der Referenz­ widerstände, aktiv kompensiert wird. Dazu ist vorgesehen, den Differenzverstärker bedarfsabhängig oder in regulären Inter­ vallen durch gezieltes Nachführen eines der Referenzwider­ stände erneut abzugleichen.

Der Minimalwert des Prüfpotentials kann dabei unmittelbar durch Spannungsmessung ermittelt werden. Vorteilhafterweise wird zur Erkennung derjenigen Einstellung, bei der der Mini­ malwert des Prüfpotentials vorliegt, jedoch die Phasenver­ schiebung des Prüfpotentials an dessen Signalquelle zum Sig­ nal am Ausgang des Differenzverstärkers überwacht. Dabei wird auf das Vorliegen des Minimums dann geschlossen, wenn das Prüfpotential an seiner Signalquelle eine Phasenverschiebung von 90° zum Ausgang des Differenzverstärkers aufweist. Eine derartige Überwachung der Phasenlage kann beispielsweise mit üblichen Phasenvergleichern, wie beispielsweise einer soge­ nannten Phase Locked Loop (PLL) erfolgen.

Für einen Abgleich wird der Differenzverstärker gezielt sol­ chen Bedingungen unterworfen, bei denen das erwartete Aus­ gangssignal bekannt ist. Insbesondere sollte nämlich das vom Differenzverstärker in bezug auf die masseführende Leitung oder das Bezugspotential generierte Ausgangspotential annä­ hernd verschwinden oder zu Null werden, wenn seine beiden Eingangskanäle mit dem gleichen Potential beaufschlagt wer­ den. Zur Überprüfung des Betriebsverhaltens des Differenzver­ stärkers ist somit vorgesehen, seine beiden Eingangskanäle mit dem gleichen Prüfpotential zu beaufschlagen und zu ermit­ teln, ob dieser dabei tatsächlich ein Ausgangspotential von annähernd Null erzeugt. Falls dabei in der Art einer Verstim­ mung oder eines mangelhaften Abgleichs ein von Null verschie­ denes Ausgangspotential festgestellt wird, so wird die erste oder vorzugsweise die zweite Widerstandsschaltung, also die Anordnung der Referenzwiderstände, solange relativ zueinander nachgestellt, bis wieder ein Abgleich vorliegt. Als Kriterium für das Vorliegen des Abgleichs wird dabei ein Minimalwert des Ausgangspotentials als Funktion des variierten Wider­ stands herangezogen. Dabei liegt die Idee zugrunde, daß bei einer bestmöglichen Unterdrückung des gemeinsamen Prüfpoten­ tials auch eine bestmögliche Unterdrückung der Gleichtakt­ spannung gewährleistet ist.

Der Differenzverstärker kann dabei im Rahmen einer Strommes­ sung für Sensoren in Umrichtern oder Drehstromstellern einge­ setzt sein. Gerade bei derartigen Anwendungen gibt es Zeitab­ schnitte, in denen der den Shunt-Widerstand durchfließende Strom gleich Null ist, da in diesen Zeitabschnitten die in der jeweiligen Anwendung vorgesehenen Halbleiter in nichtlei­ tendem Zustand sind. Bei einer derartigen Anwendung kann als gemeinsames Prüfpotential für die Eingangskanäle des Diffe­ renzverstärkers das Potential der eigentlich stromführenden Leitung herangezogen werden, das bei nicht stromdurchflosse­ nem Shunt-Widerstand an beiden Eingangskanälen des Differenz­ verstärkers gleichermaßen anliegt. Bei einer derartigen An­ wendung kann somit ohne weitere aktive Beeinflussung des an den Eingangskanälen des Differenzverstärkers anliegenden Po­ tentials in einem derartigen stromlosen Zeitabschnitt das vom Differenzverstärker gegenüber der masseführenden Leitung ge­ nerierte Ausgangspotential durch Nachführung des Widerstands auf einen Minimalwert eingestellt werden.

Für eine generelle Verwendbarkeit auch in Systemen, bei denen nicht wiederholt stromlose Zeitabschnitte eintreten, ist in vorteilhafter Ausgestaltung eine aktive Beaufschlagung der Eingangskanäle des Differenzverstärkers mit einem gemeinsamen Prüfpotential vorgesehen. Dabei kann zweckmäßigerweise der erste Eingangskanal unter Umgehung der Signalquelle des Shunt-Widerstands mit dem zweiten Eingangskanal kurzgeschlos­ sen und mit diesem gemeinsam mit der potentialführenden Lei­ tung verbunden werden, so daß das dort geführte Potential als Prüfpotential an beiden Eingangskanälen des Differenzverstär­ kers anliegt.

Um einen jederzeitigen und besonders flexiblen Abgleich der dem Differenzverstärker zugeordneten Schaltelemente zu ermög­ lichen, werden der erste und der zweite Eingangskanal in be­ sonders vorteilhafter Ausgestaltung mit einem auf besonders einfache Weise von den ansonsten an den Eingangskanälen an­ liegenden Potentialen unterscheidbaren gemeinsamen Prüfpoten­ tial beaufschlagt. Dazu wird vorteilhafterweise als Prüfpo­ tential ein Wechselspannungssignal mit vorgebbarer Frequenz verwendet. Diese Frequenz unterscheidet sich zweckmäßigerwei­ se erkennbar von der erwarteten Frequenz der zu messenden kleinen Spannung. Durch eine frequenzselektive Auswertung des vom Differenzverstärker generierten Ausgangspotentials ist somit eine eindeutige Zuordnung zum Prüfpotential auch bei ansonsten unverändertem Betriebszustand, also insbesondere auch bei ansonsten unveränderter Beaufschlagung der Eingangs­ kanäle des Differenzverstärkers von der Signalquelle, mög­ lich. Zur Auswertung des durch das Prüfpotential generierten Ausgangspotentials wird dabei in weiterer vorteilhafter Aus­ gestaltung diejenige Komponente der vom Differenzverstärker insgesamt abgegebenen Ausgangsspannung ermittelt, die die vorgebbare Frequenz des Wechselspannungssignals aufweist.

Dies kann beispielsweise durch eine frequenzselektive Filte­ rung erfolgen.

Das als Prüfpotential vorgesehene Wechselspannungssignal kann dabei durch eine zwischen die Referenzwiderstände und die masseführende Leitung oder das Bezugspotential geschaltete Wechselspannungsquelle eingekoppelt werden. Bei einer derar­ tigen Ausgestaltung ist jedoch zur Auswertung des vom Diffe­ renzverstärker erzeugten Ausgangspotentials das von der Wech­ selspannungsquelle erzeugte Potential zunächst zu subtrahie­ ren. Für eine demgegenüber vereinfachte Auswertbarkeit wird daher in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung das Wechsel­ spannungssignal über eine Kondensatoranordung dem an der ers­ ten Widerstandsanordnung anliegenden Signal der Signalquelle überlagert.

Bezüglich der Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstär­ ker der oben genannten Art wird die genannte Aufgabe gelöst mit einer dem Differenzverstärker zugeordneten Abgleichein­ heit, die eingangsseitig mit einem Ausgang des Differenzver­ stärkers und ausgangsseitig zur Ausgabe eines Stellwerts mit einer Stelleinheit eines Widerstands der ersten oder der zweiten Widerstandsschaltung verbunden ist.

Vorteilhafterweise ist der Differenzverstärker dabei als Ope­ rationsverstärker ausgebildet.

Die Abgleicheinheit kann eingangsseitig mit einem Auslösermo­ dul verbunden sein. Dieses identifiziert für den Fall, daß als gemeinsames Prüfpotential in einer stromlosen Phase das Potential der potentialführenden Leitung vorgesehen ist, ob eine derartige stromlose Phase gerade vorliegt. Ist dies der Fall, so gibt das Auslösermodul eine Freigabe, so daß ein Ab­ gleich der Schaltungskomponenten des Differenzverstärkers vorgenommen werden kann. Weiterhin kann die Abgleicheinheit ausgangsseitig mit einem Kurzschlußschalter verbunden sein, über den bedarfsweise der erste Eingangskanal des Differenz­ verstärkers mit dem zweiten Eingangskanal des Differenzver­ stärkers verbindbar ist.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Schaltungs­ anordnung für eine Beaufschlagung des ersten und zweiten Ein­ gangskanals des Differenzverstärkers mit einem Wechselspan­ nungssignal als gemeinsamem Prüfpotential ausgelegt. Dazu ist vorteilhafterweise eine Wechselspannungsquelle vorgesehen, deren einer Ausgangspol sowohl mit dem ersten Eingangskanal als auch mit dem zweiten Eingangskanal des Differenzverstär­ kers verbunden ist. Der zweite Ausgangspol der Wechselspan­ nungsquelle ist dabei mit der masseführenden Leitung verbun­ den, so daß die Wechselspannungsquelle den ersten und den zweiten Eingangskanal des Differenzverstärkers mit einem wohldefinierten, gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt. Der Ausgangspol der Wechselspannungsquelle kann dabei über die mit der masseführenden Leitung verbundene zweite Widerstands­ schaltung oder auch vorteilhafterweise über die mit der Sig­ nalquelle verbundene erste Widerstandsschaltung mit dem ers­ ten und mit dem zweiten Eingangskanal des Differenzverstär­ kers verbunden sein.

Die Abgleicheinheit ist dabei zweckmäßigerweise über eine Stelleitung mit der Wechselspannungsquelle verbunden, wobei die Wechselspannungsquelle zum bedarfsweisen Anlegen des Wechselspannungssignals an die Eingangskanäle des Differenz­ verstärkers von der Abgleicheinheit aus aktivierbar ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Wechselspan­ nungsquelle als Oszillator aus einer Zusammenschaltung von Operationsverstärkern aufgebaut.

Um in besonders kurzer Bearbeitungs- oder Reaktionszeit einen Abgleich der Schaltungselemente des Differenzverstärkers zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise in der Abgleicheinheit ein das Verhalten des Ausgangspotentials des Differenzver­ stärkers bei kurzgeschlossenen Eingangskanälen als Funktion eines Widerstands der zweiten Widerstandsschaltung charakte­ risierender Datensatz hinterlegt. Dieser Datensatz kann in der Art einer Kalibrierkennlinie einen bekannten oder einen durch eine Kalibriermessung ermittelbaren Zusammenhang zwi­ schen dem Ausgangspotential des Differenzverstärkers und der Konfigurierung von dessen Schaltungselementen wiedergeben. Mit Hilfe eines derartigen, in der Abgleicheinheit hinterleg­ ten Datensatzes ist somit anhand der Messung des vom Diffe­ renzverstärker erzeugten Ausgangspotentials auf besonders einfache und schnelle Weise ermittelbar, wie die Widerstände der zweiten Widerstandsschaltung zu modifizieren sind, um den Abgleich zu verbessern.

Vorteilhafterweise ist die Schaltungsanordnung in der Art ei­ ner integrierten Schaltung ausgeführt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß durch die Einstellbarkeit des jeweiligen Wider­ stands der ersten oder zweiten Widerstandsschaltung bedarfs- oder situationsabhängig ein Abgleich für den Differenzver­ stärker durchführbar ist. Somit ist auch bei wechselnden Be­ triebsbedingungen oder bei langer Betriebsdauer gewährleis­ tet, daß eine an beiden Eingangskanälen des Differenzverstär­ kers anliegende Gleichtaktspannung sicher unterdrückt ist, wobei lediglich die für die Messung relevante Potentialdiffe­ renz an den Eingangskanälen des Differenzverstärkers zur Aus­ wertung kommt. Der Differenzverstärker weist somit auch bei verschiedenartigen Betriebsbedingungen eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Meßgenauigkeit auf und ist somit gerade auch in Verbindung mit einem Shunt-Widerstand zur hochgenauen Messung von Stromstärken besonders in Niederspannungsnetzen besonders geeignet. Darüber hinaus ist eine derartige hohe Meßgenauigkeit auch mit nur geringem Aufwand, insbesondere im Hinblick auf die Bereitstellungskosten, gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen die Fig. 1 bis 3 jeweils eine Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstär­ ker.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei­ chen versehen.

Die Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 1 ist in der Art eines Stromwandlers zur Messung eines Betriebsstroms I in einem Niederspannungsnetz 2 vorgesehen. In das Niederspannungsnetz 2 ist dabei eine Netzspannungsquelle 4 geschaltet, die für das Niederspannungsnetz 2 eine Betriebs- oder Wechselspannung von etwa 230/400 V erzeugt. Die Netzspannungsquelle 4 ist ausgangsseitig einerseits an einen Nulleiter oder eine masse­ führende Leitung 6 und andererseits an einen Potentialleiter oder eine potentialführende Leitung 8 angeschlossen. Die mas­ seführende Leitung 6, die ein Bezugspotential für die weite­ ren Komponenten vorgibt, und die potentialführende Leitung 8 sind dabei über eine Anzahl von nicht näher dargestellten Verbrauchern miteinander verbunden, so daß im Niederspan­ nungsnetz 2 ein geschlossener Stromkreis entsteht. Das Ver­ halten der Spannungsquelle an sich, also der Leitungen, Ver­ bindungen und Anschlüsse, ist dabei in Fig. 1 durch eine Im­ pedanz 10 symbolisiert.

Die Schaltungsanordnung 1 ist zur Strommessung im Niederspan­ nungsnetz 2, beispielsweise in der Art eines Stromzählers, vorgesehen. Dazu ist die Schaltungsanordnung 1 eingangsseitig mit einer für den im Niederspannungsnetz 2 fließenden Be­ triebsstrom I charakteristischen Signalquelle 12 verbunden. Die Signalquelle 12 ist dabei als sogenannter Shunt-Wider­ stand ausgebildet, der in die potentialführende Leitung 8 des Niederspannungsnetzes 2 geschaltet ist. Der im Niederspan­ nungsnetz 2 fließende Betriebsstrom I durchfließt somit auch den als Signalquelle 12 vorgesehenen Shunt-Widerstand und be­ wirkt dabei einen der Stromstärke entsprechenden Spannungsab­ fall am Shunt-Widerstand. Der Shunt-Widerstand ist dabei zur Vermeidung oder Geringhaltung unerwünschter Energie- oder Leistungsverluste derart dimensioniert, daß das an ihm abfal­ lende, zur Stärke des Betriebsstroms I proportionale Span­ nungssignal nicht größer als etwa 1 V ist.

Die Schaltungsanordnung 1 ist derart ausgebildet, daß sie trotz des vergleichsweise hohen Betriebspotentials von etwa 400 V, auf dem sich der als Signalquelle 12 vorgesehene Shunt-Widerstand gegenüber der masseführenden Leitung 6 be­ findet, und trotz des im Vergleich dazu vergleichsweise ge­ ringen Differenzspannungsbereichs von bis zu 1 V eine beson­ ders genaue Messung der Stärke des Betriebsstroms I auch bei verschiedenartigen Betriebssituationen ermöglicht. Dazu um­ faßt die Schaltungsanordnung 1 einen als Operationsverstärker 20 ausgebildeten Differenzverstärker. Dieser ist mit seinem invertierenden Eingang oder ersten Eingangskanal 22 über ei­ nen ersten Eingangswiderstand 24 mit einem ersten Pol 26 der als Shunt-Widerstand ausgebildeten Signalquelle 12 verbunden. Mit seinem nicht invertierenden Eingang oder zweiten Ein­ gangskanal 28 ist der Operationsverstärker 20 über einen zweiten Eingangswiderstand 30 mit dem zweiten Pol 32 der Sig­ nalquelle 12 verbunden. Mit anderen Worten: der Operations­ verstärker 20 ist mit seinen Eingangskanälen 22, 28 über eine durch den ersten Eingangswiderstand 24 und den zweiten Ein­ gangswiderstand 30 gebildete erste Widerstandsschaltung 34 mit der Signalquelle 12 verbunden.

Weiterhin ist der erste Eingangskanal 22 des Operationsver­ stärkers 20 über einen ersten Referenzwiderstand 40 mit der das Bezugspotential vorgebenden masseführenden Leitung 6 ver­ bunden. Ebenso ist der zweite Eingangskanal 28 des Operati­ onsverstärkers 20 über einen zweiten Referenzwiderstand 42 mit der masseführenden Leitung 6 verbunden. Mit anderen Wor­ ten: der erste und zweite Eingangskanal 22, 28 des Operati­ onsverstärkers 20 sind durch eine durch den ersten Referenz­ widerstand 40 und den zweiten Referenzwiderstand 42 gebildete zweite Widerstandsschaltung 44 mit der masseführenden Leitung 6 verbunden. Der Ausgang 46 des Operationsverstärkers 20 ist zudem über einen Rückkoppelwiderstand 48 mit dem invertieren­ den Eingang oder zweiten Eingangskanal 28 des Operationsver­ stärkers 20 verbunden.

Der Operationsverstärker 20 ist hinsichtlich seiner Verschal­ tung derart ausgebildet, daß auch bei dem vergleichsweise ho­ hen Gleichtaktpotential von etwa 230/400 V, auf dem die Sig­ nalquelle 12 bezüglich des Bezugspotentials der masseführen­ den Leitung 6 liegt und das auch als "Common Mode" bezeichnet wird, eine zuverlässige Auflösung von beispielsweise einigen µV der an der Signalquelle 12 abfallenden, als Signalspannung auszuwertenden Differenzspannung erreichbar ist. Dazu sind insbesondere die Widerstandswerte der eingesetzten Widerstän­ de geeignet gewählt. Im Ausführungsbeispiel betragen die Ein­ gangswiderstände 24, 30 sowie der Rückkopplungswiderstand 48 jeweils etwa 2 MΩ. Der erste Referenzwiderstand 40 beträgt etwa 20 kΩ, und der zweite Referenzwiderstand 42 beträgt etwa 20,202 kΩ. Bei einer derartigen Ausgestaltung liefert der O­ perationsverstärker 20 an seinem Ausgang 46 in bezug auf das durch die masseführende Leitung 6 vorgegebene Bezugspotential ein Ausgangspotential Ua, das dem im Niederspannungsnetz 2 fließenden Betriebsstrom I proportional ist und typischerwei­ se einige Volt beträgt. Dabei ist eine zuverlässige Messung des Betriebsstroms I in hinsichtlich des Potentials von der potentialführenden Leitung 8 entkoppelter Weise ermöglicht.

Die Schaltungsanordnung 1 ist dafür ausgelegt, derartige zu­ verlässige Meßergebnisse auch bei variierenden Betriebsbedin­ gungen und insbesondere auch bei möglicherweise auftretender Temperaturdrift, beispielsweise infolge von Erwärmung von Bauteilen, zu liefern. Dazu ist der als Teil der zweiten Wi­ derstandsschaltung 44 vorgesehene zweite Referenzwiderstand 42 einstellbar ausgebildet und mit einer zugeordneten, durch den Pfeil symbolisierten Stelleinheit 50 versehen. Die Stell­ einheit 50 ist eingangsseitig mit einer dem Operationsver­ stärker 20 zugeordneten Abgleicheinheit 52 verbunden. Die Ab­ gleicheinheit 52 ist eingangsseitig mit dem Ausgang 46 des Operationsverstärkers 20 verbunden und dafür ausgelegt, bei einer Beaufschlagung des ersten Eingangskanals 22 und des zweiten Eingangskanals 28 des Operationsverstärkers 20 mit einem gemeinsamen Prüfpotential dem zweiten Referenzwider­ stand 42 einen Stellwert S derart zuzuführen, daß sich das infolge des Prüfpotentials am Ausgang 46 des Operationsver­ stärkers 20 einstellende Ausgangspotential Ua auf einen Mini­ malwert einstellt.

Zur Beaufschlagung der Eingangskanäle 22, 28 des Operations­ verstärkers 20 mit einem gemeinsamen Prüfpotential umfaßt die Schaltungsanordnung 1 eine als Hilfsspannungsquelle zuge­ schaltete Wechselspannungsquelle 60. Die Wechselspannungs­ quelle 60 ist zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspan­ nung mit einer Frequenz von etwa 100 kHz ausgelegt und aus­ gangsseitig einerseits an das Bezugspotential und anderer­ seits an ihrem Ausgangspol 61 über einen ersten Koppelkonden­ sator 62 und über den ersten Eingangswiderstand 24 an den ersten Eingangskanal 22 des Operationsverstärkers 20 sowie über einen zweiten Koppelkondensator 64 und über den zweiten Eingangswiderstand 30 an den zweiten Eingangskanal 28 des O­ perationsverstärkers 20 angeschlossen. Weiterhin ist die Wechselspannungsquelle 60 über eine Kontrolleitung 66 mit der Abgleicheinheit 52 verbunden.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 1 wird be­ darfsabhängig oder in regulären Zeitabständen ein ordnungsge­ mäßer Abgleich des Operationsverstärkers 20 überprüft. Ein ordnungsgemäßer Abgleich des Operationsverstärkers 20 zeich­ net sich dabei dadurch aus, daß sich für den Fall, daß sein erster und sein zweiter Eingangskanal 22 bzw. 28 mit dem gleichen Eingangspotential beaufschlagt sind, bezüglich der das Bezugspotential definierenden masseführenden Leitung 6 ein Ausgangspotential Ua von annähernd Null einstellt. Um diesen Fall zu überprüfen und erforderlichenfalls einen Ab­ gleich des Operationverstärkers 20 wieder herzustellen, lei­ tet die Abgleicheinheit 52 einen Abgleichvorgang dadurch ein, daß sie über die Kontrolleitung 66 die Wechselspannungsquelle 60 aktiviert.

Nach der Aktivierung der Wechselspannungsquelle 60 liegt an den Eingangskanälen 22, 28 des Operationsverstärkers 20 über die Einkopplung durch die Koppelkondensatoren 62, 64 zusätz­ lich zum von der Signalquelle 12 generierten Potential ein gemeinsames hochfrequentes Prüfpotential mit einer Frequenz von etwa 100 kHz an. Demzufolge generiert der Operationsver­ stärker 20 an seinem Ausgang 46 ein Ausgangspotential Ua, das einerseits eine vergleichsweise niederfrequente Komponente infolge des von der Signalquelle 12 gelieferten Eingangssig­ nals und andererseits eine vergleichsweise hochfrequente Kom­ ponente infolge des an den Eingangskanälen 22, 28 gemeinsam anliegenden Prüfpotentials aufweist.

Bei einem ordnungsgemäßen Abgleich des Operationsverstärkers 20 sollte die hochfrequente Komponente des Ausgangspotentials Ua einen Wert von annähernd Null annehmen. Um dies zu über­ prüfen, wird das Ausgangssignal Ua der Abgleicheinheit 52 zu­ geführt und dort in einer integrierten Filtereinheit 68 vor­ selektiert. In der Filtereinheit 68 wird die hochfrequente Komponente des Ausgangspotentials Ua herausgefiltert. Der da­ bei gewonnene Meßwert wird einem ebenfalls in die Abgleich­ einheit 52 integrierten Minimumregler 70 zugeführt. Der Mini­ mumregler 70 wirkt ausgangsseitig auf die dem zweiten Refe­ renzwiderstand 42 zugeordnete Stelleinheit 50 und verstellt darüber den zweiten Referenzwiderstand 42 solange, bis die hochfrequente Komponente des Ausgangspotentials Ua einen Mi­ nimalwert aufweist. Um das Auffinden geeigneter Stellwerte S zu vereinfachen, weist dabei die Abgleicheinheit 52 ein Spei­ chermodul 72 auf, in dem in der Art einer Kennlinie ein Da­ tensatz hinterlegt ist, der in Abhängigkeit von einem gemes­ senen Ausgangspotential Ua einen wahrscheinlich geeigneten Startwert für die Einstellung des zweiten Referenzwiderstands 42 vorgibt.

Die Wechselspannungsquelle 60 ist im Ausführungsbeispiel ih­ rerseits aus einer Zusammenschaltung von nicht näher darge­ stellten weiteren Operationsverstärkern aufgebaut.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Wechselspan­ nungsquelle 60 mit ihren Ausgangspolen auch zwischen die mas­ seführende Leitung 6 und die zweite Widerstandsanordnung 44 geschaltet sein. In diesem Fall liefert der Operationsver­ stärker 20 ein Ausgangspotential Ua, dem die Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle 60 additiv überlagert ist. Bei ei­ ner derartigen Ausgestaltung wäre somit vor einer Auswertung des vom Operationsverstärker 20 gelieferten Ausgangspotenti­ als Ua die Subtraktion der von der Wechselspannungsquelle 60 gelieferten Ausgangsspannung, beispielsweise über einen wei­ teren Operationsverstärker, vorgesehen.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Schaltungsan­ ordnung 1' gemäß Fig. 2 unter Verzicht auf eine separate Hilfsspannungsquelle zur Erzeugung des Prüfpotentials ausge­ führt. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 2 eignet sich für derar­ tige Niederspannungsnetze 2, bei denen phasenweise und in be­ kannter Weise der Betriebsstrom I im Niederspannungsnetz 2 einen Wert Null annimmt. Dies kann beispielsweise bei einer Anwendung für Sensoren in Umrichtern oder Drehstromstellern der Fall sein. Dort nimmt der Betriebsstrom I in denjenigen Phasen den Wert Null an, in denen in der Form einer Thy­ ristorschaltung 74 eingesetzte Halbleiter einen nichtleiten­ den Zustand einnehmen. In der Schaltungsanordnung 1' gemäß Fig. 2 dient dieser stromlose Zeitabschnitt dem Abgleich der Schaltungsanordnung 1'.

Im stromlosen Zustand fällt nämlich über den als Signalquelle 12 vorgesehenen Shunt-Widerstand keine Spannung ab, so daß in diesem Fall sowohl am ersten Eingangskanal 22 als auch am zweiten Eingangskanal 28 des Operationsverstärkers 20 glei­ chermaßen das Potential der potentialführenden Leitung 8 an­ liegt. Somit kann in dieser Phase zur Feststellung eines Ab­ gleichs direkt überprüft werden, ob das vom Operationsver­ stärker 20 gelieferte Ausgangspotential Ua einen Wert von an­ nähernd Null annimmt.

Zur Einleitung einer Abgleichphase ist der Abgleicheinheit 52 ein Auslösermodul 75 zugeordnet, das feststellt, ob gerade ein derartiger stromloser Zustand vorliegt. Falls dies der Fall ist, gibt das Auslösermodul 75, das auch in eine Thy­ ristoransteuerung für die Thyristorschaltung 74 integriert sein kann, die Einteilung einer Abgleichphase frei. Solange der stromlose Zustand anhält, führt die Abgleicheinheit 52 über die dem zweiten Referenzwiderstand 42 zugeordnete Stell­ einheit 50 den zweiten Referenzwiderstand 42 solange nach, bis das vom Operationsverstärker 20 generierte Ausgangspoten­ tial Ua einen Minimalwert einnimmt.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung 1" ebenfalls unter Verzicht auf eine Hilfsspannungsquelle aufgebaut. In diesem Fall ist in die Leitungen, über die die erste Widerstandsschaltung 34 mit der Signalquelle 12 verbunden ist, ein Umschalter 80 geschal­ tet. Der Umschalter 80 weist dabei eine Betriebsposition auf, in der der erste Eingangswiderstand 24 und der zweite Ein­ gangswiderstand 30 voneinander getrennt und jeweils mit einem Pol der Signalquelle 12 verbunden sind. Zudem weist der Um­ schalter 80 eine Prüfposition auf, in der der zweite Ein­ gangswiderstand 30 von der Signalquelle entkoppelt und statt­ dessen in der Art eines Kurzschluß mit dem ersten Eingangswi­ derstand 24 verbunden ist.

Bei dieser Schalterstellung liegt somit das Potential der po­ tentialführenden Leitung 8 als gemeinsames Prüfpotential an beiden Eingangskanälen 22, 28 des Operationsverstärkers 20 an. In diesem Betriebszustand kann somit von der Abgleichein­ heit 52 ein Abgleich des Operationsverstärkers 20 vorgenommen werden, wobei das vom Operationsverstärker 20 gelieferte Aus­ gangspotential Ua insgesamt durch Nachführung des zweiten Re­ ferenzwiderstands 42 auf einen Minimalwert eingestellt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Abgleicheinheit 52 zur Einleitung und Beendigung einer derartigen Prüfphase über eine Steuerleitung 84 und über eine Meßleitung 86 mit dem Umschalter 80 verbunden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Betreiben eines Operationsverstärkers (20), dessen erster und zweiter Eingangskanal (22, 28) über eine erste Widerstandsschaltung (34) mit einer Signalquelle (12) und über eine zweite Widerstandsschaltung (44) mit einem Be­ zugspotential verbunden sind, wobei die Eingangskanäle (22, 28) mit einem gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt werden, und wobei das vom Operationsverstärker (20) durch das Prüfpo­ tential gegenüber dem Bezugspotential generierte Ausgangspo­ tential (Ua) durch Nachführen eines Widerstands der ersten oder zweiten Widerstandsschaltung (34, 44) auf einen Minimal­ wert eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Eingangskanal (22, 28) zur Beaufschlagung mit dem Prüfpotential gemeinsam mit einer potentialführenden Leitung (8) verbunden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste und der zweite Eingangskanal (22, 28) mit einem Wechselspannungs­ signal vorgebbarer Frequenz als Prüfpotential beaufschlagt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zur Auswertung des durch das Prüfpotential generierten Ausgangspotentials (Ua) diejenige Komponente der vom Operationsverstärker (20) insge­ samt abgegebenen Ausgangsspannung mit der vorgebbaren Fre­ quenz des Wechselspannungssignals ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Wechselspan­ nungssignal über eine Anzahl von Koppelkondensatoren (62, 64) dem an der ersten Widerstandsschaltung (34) anliegenden Sig­ nal der Signalquelle (12) überlagert wird.

6. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") mit einem Differenzver­ stärker, dessen erster und zweiter Eingangskanal (22, 28) über eine erste Widerstandsschaltung (34) mit einer Signal­ quelle (12) und über eine zweite Widerstandsschaltung (44) mit einem Bezugspotential verbunden sind, und mit einer dem Differenzverstärker zugeordneten Abgleicheinheit (52), die eingangsseitig mit einem Ausgang (46) des Differenzverstär­ kers und ausgangsseitig zur Ausgabe eines Stellwerts (S) mit einer Stelleinheit (50) eines Widerstands der ersten oder der zweiten Widerstandsschaltung (34, 44) verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") nach Anspruch 6, deren Differenzverstärker als Operationsverstärker (20) ausgebildet ist.

8. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") nach Anspruch 6 oder 7, deren Abgleicheinheit (52) ausgangsseitig mit einer Wechsel­ spannungsquelle (60) verbunden ist, deren einer Ausgangspol (61) sowohl mit dem ersten Eingangskanal (22) als auch mit dem zweiten Eingangskanal (28) des Differenzverstärkers ver­ bunden ist.

9. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") nach Anspruch 8, deren Wechselspannungsquelle (60) als Oszillator aus einer Zusam­ menschaltung von Operationsverstärkern aufgebaut ist.

10. Schaltungsanordnung (1, 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 8, in deren Abgleicheinheit (52) ein das Verhalten des Ausgangspotentials (Ua) des Differenzverstärkers bei kurzge­ schlossenen Eingangskanälen (22, 28) als Funktion eines Wi­ derstands der ersten bzw. zweiten Widerstandsschaltung (34, 44) charakterisierender Datensatz hinterlegt ist.

11. Schaltungsanordnung (1, 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 10, die als integrierte Schaltung ausgeführt ist.