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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum wahlweisen Generieren
eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen Spannungsausgangswertes
in Abhängigkeit
von einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertes
und/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes, mit
einer Stromsteuereinheit, einer Spannungssteuereinheit, einer von
der Stromsteuereinheit angesteuerten Stromausgangsquelle und einer
von der Spannungssteuereinheit angesteuerten Spannungsausgangsquelle.
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Im
Stand der Technik sind umfangreich Meßgeräte bekannt, die als Meßwert eine
physikalische Größe, z. B.
eine Temperatur, einen Druck, einen Durchfluß oder ein Flüssigkeitsniveau,
oder eine elektrische Größe, z. B.
einen Strom, eine Spannung oder eine Leistung, erfassen und in Form
eines analogen Meßwertes
zur Verfügung
stellen. Seit langem ist es im Stand der Technik auch bekannt, von
Meßgeräten der
zuvor angesprochenen Art zur Verfügung gestellte Meßwerte zu
normieren, so daß statt
der zunächst
erfaßten
bzw. zur Verfügung
gestellten analogen Meßwerte
für die
Weiterverarbeitung insbesondere in Steuer- und Regelschaltungen
normierte Meßwerte
zur Verfügung
stehen. Als normierte Meßwerte
sind in der industriellen Praxis umfangreich eingeführt einerseits
Stromwerte von 4 bis 20 mA, gelegentlich aber auch von 0 bis 20
mA, andererseits Spannungswerte von 0 bis 10 V.
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Die
Schaltungsanordnung, um die es erfindungsgemäß geht, generiert also in Abhängigkeit von
einem analogen Eingangswert wahlweise einen analogen Stromwert,
Stromausgangswert genannt, oder einen analogen Spannungswert, Spannungsausgangswert
genannt. Der zu generierende Stromausgangswert bzw. der zu generierende
Spannungsausgangswert kann auch zusätzlich abhängig sein von einem Eingangssockelwert
und/oder einem vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwert.
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Zu
der Schaltungsanordnung, um die es erfindungsgemäß geht, gehört also funktionsnotwendig zunächst eine
Stromsteuereinheit und eine Spannungs steuereinheit; der analoge
Eingangswert sowie gegebenenfalls der Eingangssockelwert und/oder der
vorzeichenbehaftete Eingangskorrekturwert werden auf den Eingang
der Stromsteuereinheit und der Spannungssteuereinheit gegeben. Abhängig von dem
Eingangswert sowie gegebenenfalls dem Eingangssockelwert und/oder
dem vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwert generieren die Stromsteuereinheit
in Verbindung mit der Stromausgangsquelle den analogen Stromausgangswert
und die Spannungssteuereinheit in Verbindung mit der Spannungsausgangsquelle
den analogen Spannungsausgangswert.
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Bei
den bekannten Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden und zuvor
hinsichtlich ihrer Funktion beschriebenen Art sind die Stromsteuereinheit
und die Spannungssteuereinheit häufig
als Operationsverstärker
ausgeführt
und weisen die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquelle in
der Regel einen Transistor auf. Üblich
ist es auch, in der Stromausgangsquelle mit einer Darlington-Transistorstufe
oder mit mehreren Darlington-Transistorstufen zu arbeiten, um die
für die
Ansteuerung erforderlichen Basisströme möglichst gering zu halten.
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Charakteristisch
für die
bekannten Schaltungsanordnungen der in Rede stehenden Art ist es, daß entweder
die Stromausgangsquelle oder die Spannungsausgangsquelle angesteuert
wird. Das wahlweise Ansteuern der Stromausgangsquelle oder der Spannungsausgangsquelle
ist schaltungstechnisch aufwendig. Insbesondere werden mehr als zwei
Operationsverstärker
benötigt,
teilweise werden auch insgesamt vier oder gar fünf Operationsverstärker eingesetzt.
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Aus
der
EP 1 184 769 A2 sind
beispielsweise Schaltungsanordnungen bekannt mit einer Spannungsquelle
und mit einer Stromquelle, wobei die Schaltungsanordnungen entweder
ausschließlich
als Spannungsquelle oder ausschließlich als Stromquelle betrieben
werden können;
die Wahl zwischen einem Stromausgangswert oder einem Spannungsausgangswert
besteht folglich nicht. Ferner sind die verwendeten Stromquellen
nicht steuerbar, sondern sie arbeiten stets als nicht-ansteuerbare
Konstantstromquellen.
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Ferner
ist aus der US 2003/0 143 796 A1 eine Schaltungsanordnung mit zwei
Schaltungsteilen bekannt, von denen der erste als Spannungsquelle arbeitet
und von denen der zweite zusammen mit einer Zusatzbeschaltung als
steuerbare Stromquelle arbeitet. Beide Ausgangswerte werden stets
gleichzeitig in vollkommen separaten Schaltungsteilen generiert,
was die Schaltungsanordnung insgesamt sehr aufwendig macht und das
wahlweises Generieren eines Spannungs- bzw. eines Stromausgangswertes
nicht gestattet.
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Der
Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der in Rede stehenden Art zur Verfügung zu stellen, die schaltungstechnisch
einfacher und damit kostengünstiger
realisiert werden kann als die bekannten Schaltungsanordnungen,
die funktional das realisieren, was eingangs ausgeführt worden
ist.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist,
ist zunächst
und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Stromausgangsquelle und
die Spannungsausgangsquelle parallel angesteuert und ausgangsseitig
in Reihe geschaltet sind. Vor zugsweise sind bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
die Stromsteuereinheit und die Spannungssteuereinheit jeweils als
Operationsverstärker
ausgeführt
und weisen die Stromausgangsquelle und die Spannungsausgangsquelle
jeweils einen Ausgangstransistor auf.
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Im
einzelnen gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in
besonderer Weise auszugestalten und weiterzubilden, was nachfolgend
erläutert
wird.
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Nach
einer weiteren Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt,
ist zum Generieren des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle
durchgesteuert; damit ist gemeint, daß die Spannungsausgangsquelle,
gegebenenfalls der dort vorgesehene Ausgangstransistor, als elektronischer Schalter
leitend ist.
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Wird
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Generieren eines analogen Stromausgangswertes verwendet, so
ist der von der Stromausgangsquelle zur Verfügung gestellte Strom der, der als
vom äußeren Lastwiderstand
praktisch unabhängiger
Strom über
den Lastwiderstand fließt.
Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Generieren eines Spannungsausgangswertes verwendet, so muß die Schaltungsanordnung
an der Spannungsausgangsquelle ausgangsseitig den analogen Spannungsausgangswert
praktisch unabhängig
vom äußeren Lastwiderstand
zur Verfügung
stellen; der – von
außen
gesehene – Innenwiderstand
der Spannungsausgangsquelle muß also
klein sein gegenüber
dem – äußeren – Lastwiderstand.
Beim Generieren des Spannungsausgangswertes stellt also die Stromausgangsquelle – bis zu
einem bestimmten minimalen äußeren Lastwiderstand – den über den Lastwiderstand
fließenden
Laststrom zur Verfügung.
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Eine
weitere Lehre der Erfindung, der besondere Bedeutung zukommt, ist
dadurch gekennzeichnet, daß die
Spannungsausgangsquelle als längsregelnder
Class-A-Verstärker
mit einem Ausgangstransistor, einem Basiswiderstand und einem Pull-Down-Widerstand
ausgeführt
ist. Bei dieser Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gilt für
das Generieren des Stromausgangswertes bzw. das Generieren des Spannungsausgangswertes
folgendes:
Zum Generieren des Stromausgangswertes ist der Pull-Down-Widerstand
der als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle über einen ersten
Vorwiderstand "hochgezogen", so daß die als Operationsverstärker ausgeführte Spannungssteuereinheit
bis zum positiven Anschlag übersteuert
ist und der Ausgangstransistor über
den Basiswiderstand leitend durchgesteuert ist. Zum Generieren des Spannungsausgangswertes
ist der nicht-invertierende Eingang des die Spannungssteuereinheit
realisierenden Operationsverstärkers über einen
zweiten Vorwiderstand und einen leitenden Auswahlschalter auf Bezugspotential
gelegt.
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Bei
der erfindungsgemäßen, bisher
beschriebenen Schaltungsanordnung ist also die jeweils realisierte
Funktion des Auswahlschalters entscheidend dafür, ob der Stromausgangswert
oder der Spannungsausgangswert generiert wird. Bei nicht-leitendem
Auswahlschalter wird der Stromausgangswert, bei leitendem Auswahlschalter
der Spannungsausgangswert generiert.
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Im
einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem
Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
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2 eine
detailliertere Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Die
in den Figuren dargestellte Schaltungsanordnung dient zum wahlweisen
Generieren eines analogen Stromausgangswertes oder eines analogen
Spannungsausgangswertes in Abhängigkeit
von einem analogen Eingangswert sowie gegebenenfalls eines Eingangssockelwertes
und/oder eines vorzeichenbehafteten Eingangskorrekturwertes. Zu
dieser Schaltungsanordnung gehören
funktionsnotwendig, wie schematisch in 1 dargestellt
eine Stromsteuereinheit 1, eine Spannungssteuereinheit 2,
eine von der Stromsteuereinheit 1 angesteuerte Stromausgangsquelle 3 und
eine von der Spannungssteuereinheit 2 angesteuerte Spannungsausgangsquelle 4.
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Wie
schematisch die 1, im einzelnen die 2 zeigt,
gilt für
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
daß die
Stromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 parallel
angesteuert und ausgangsseitig in Reihe geschaltet sind. Damit,
daß die
Stromausgangsquelle 3 und die Spannungsausgangsquelle 4 parallel
angesteuert sind, ist gemeint, daß die Stromausgangsquelle 3 und
die Spannungsausgangsquelle 4 immer angesteuert sind, die
Stromausgangsquelle 3 von der Stromsteuereinheit 1,
die Spannungsausgangsquelle 4 von der Spannungssteuereinheit 2,
unabhängig
davon, ob ein analoger Stromausgangswert oder ein analoger Spannungsausgangswert
generiert werden soll.
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Für das dargestellte
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gilt, daß die
Stromsteuereinheit 1 und die Spannungssteuereinheit 2 jeweils
als Operationsverstärker
ausgeführt
sind. Im übrigen
ist vorgesehen, daß die Stromausgangsquelle 3 und
die Spannungsausgangsquelle 4 jeweils einen Ausgangstransistor
aufweisen; in der 1 ist die Stromausgangsquelle 3 allgemein – eben als
Stromquelle – dargestellt.
Im Gegensatz dazu zeigt die 2, daß sowohl
zu der Stromausgangsquelle 3 als auch zu der Spannungsausgangsquelle 4 jeweils
ein Ausgangstransistor gehört
bzw. sowohl die Stromausgangsquelle 3 als auch die Spannungsausgangsquelle 4 als
Ausgangstransistor ausgeführt
ist.
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In
der 1 ist nur angedeutet, in der 2 demgegenüber im einzelnen
dargestellt, daß zum Generieren
des Stromausgangswertes die Spannungsausgangsquelle 4 durchgesteuert
ist; damit ist gemeint, daß die
Spannungsausgangsquelle 4, also im Ausführungsbeispiel der Ausgangstransistor,
als elektronischer Schalter leitend ist. Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Generieren eines analogen Spannungsausgangswertes verwendet,
so ist der von der Stromausgangsquelle 3 zur Verfügung gestellte
Strom der, der als vom äußeren Lastwiderstand 5 praktisch
unabhängiger
Strom über
den Lastwiderstand 5 fließt. Beim Generieren eines Spannungsausgangswertes
muß die
dargestellte Schaltungsanordnung an der Spannungsausgangsquelle 4 ausgangsseitig
den analogen Spannungsausgangswert praktisch unabhängig vom äußeren Lastwiderstand 5 zur
Verfügung
stellen; folglich muß der – von außen gesehene – Innenwiderstand
der Spannungsausgangsquelle 4 klein sein gegenüber dem – äußeren – Lastwiderstand 5.
Das ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
jedenfalls dann gegeben, wenn der Widerstandswert des äußeren Lastwiderstandes 5 nicht
kleiner als 2 kΩ ist.
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In
dem in 2 im einzelnen dargestellten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist die Spannungsausgangsquelle 4 als längsregelnder Class-A-Verstärker mit
einem Ausgangstransistor 6, einem Basiswiderstand 7 und
einem Pull-Down-Widerstand 8 ausgeführt. Zum Generieren des Stromausgangswertes
wird der Pull-Down-Widerstand 8 der als Class-A-Verstärker ausgeführten Spannungsausgangsquelle 4 über einen
ersten Vorwiderstand 9 "hochgezogen", also auf ein relativ
zum Bezugspotential hohes Potential gebracht, so daß die als
Operationsverstärker
ausgeführte
Spannungssteuereinheit 2 bis zum positiven Anschlag übersteuert
ist und der Ausgangstransistor 6 über den Basiswiderstand 7 leitend
durchgesteuert ist. Damit ist also praktisch nur die Stromausgangsquelle 3 wirksam,
die Spannungsausgangsquelle 4 wirkt wie ein leitender Schalter.
Zum Generieren des Spannungsausgangswertes ist der nicht-invertierende
Eingang des die Spannungssteuereinheit 2 realisierenden
Operationsverstärkers über einen
zweiten Vorwiderstand 10 und einen leitenden Auswahlschalter 11 auf
Bezugspotential gelegt.
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Bei
dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist also die jeweils realisierte Funktion des Auswahlschalters 11 – nicht-leitend
oder leitend – entscheidend
dafür,
ob der Stromausgangswert oder der Spannungsausgangswert generiert
wird. Bei nicht-leitendem
Auswahlschalter 11 wird der Stromausgangswert, bei leitendem
Auswahlschalter 11 der Spannungsausgangswert generiert.
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Die 2 zeigt
insoweit ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
als in Reihe zu der Reihenschaltung aus der Stromausgangsquelle 3 und der
Spannungsausgangsquelle 4 ein Shuntwiderstand 12 vorgesehen
ist. Dadurch wird der eingeprägte
Basisstrom mitberücksichtigt.
Dadurch, daß der
Shuntwiderstand 12 sich gleichsam auf den Lastwiderstand 5 abstützt, ist
erreicht, daß die
Stromausgangsquelle 3 etwa im 12 Volt-Bereich bleibt und folglich
ein JFET-Operationsverstärker
mit einer Versorgungsspannung im 16 Volt-Bereich verwendet werden
kann.
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Wie
die 2 zeigt, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel
die die Stromsteuereinheit 1 und die Spannungssteuereinheit 2 andererseits
bildenden Operationsverstärker
als symmetrische Differenzverstärkerstufen
ausgeführt.
Dabei bilden der Eingangswert U11, der Eingangssockelwert
U21 und der Eingangskorrekturwert U31 zusammen mit ihren jeweiligen Bezugspotentialen
U12, U22 und U32 Wertepaare, die über paargleiche Eingangswiderstände R11 und R12, R21 und R22 sowie
R31 und R32 den nicht-invertierenden
Eingängen
und den invertierenden Eingängen
der Operationsverstärker
zugeführt sind.
Im übrigen
sind die zu den Operationsverstärkern
gehörenden
Rückkopplungswiderstände 19 und 20 sowie 21 und 22 ebenfalls
paargleich, also symmetrisch ausgeführt.
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Durch
die zuvor beschriebene Realisierung der Eingangswiderstände R11 bis R32 und der
Rückkopplungswiderstände 19 bis 22 ist
realisiert, daß theoretisch
beliebig viele Eingangswerte zugeführt werden können, ohne
den wirksamen Verstärkungsfaktor – wirksamer
Verstärkungsfaktor
= Verhältnis der
Ausgangswerte zu den einzelnen Eingangswerten – zu verändern. Im übrigen gewährleistet die dargestellte
und beschriebene Symmetrie die Unabhängigkeit der einzelnen Eingangswerte
voneinander und die Unabhängigkeit
vom Bezugspotential.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zeigt
noch insoweit eine Besonderheit, als in Reihe zu dem zwischen dem
Ausgang des die Stromsteuereinheit 1 darstellenden Operationsverstärkers und dessen
invertierenden Eingang liegenden Rückkopplungswiderstand 19 ein
Unsymmetriewiderstand 23 geschaltet ist. Damit kann der "Stromverlust" kompensiert werden,
der beim Generieren des Stromausgangswertes dadurch entsteht, daß abhängig vom Widerstandswert
des Lastwiderstandes 5 Strom parasitär in den Rückkopplungszweig der Spannungssteuereinheit 2 fließt.
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Zuvor
ist nicht beschrieben und es soll auch im einzelnen nicht beschrieben
werden, wie die einzelnen Bauteile miteinander verbunden bzw. angeschlossen
sind, weil das der Fachmann der 2 ohne weiteres
entnehmen kann. Gleichwohl ist auch das, was der Fachmann in bezug
auf das Verbinden der einzelnen Bauteile miteinander bzw. das Anschließen der
Bauteile der 2 entnehmen kann, für die insgesamt
vermittelte Lehre von Bedeutung, – auch insoweit, als eine detaillierte
Beschreibung nicht gegeben ist und der Inhalt der nachfolgenden Patentansprüche darauf
nicht gerichtet ist.