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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe an analogen
Transmittern einer Sensorelektronik.
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Derartige
Transmitter werden beispielsweise für Anordnungen zur Temperatur-,
Feuchte-, Druck- oder
Luftqualitätsmessung
benötigt.
Sie sind aber überall
dort einsetzbar, wo analoge Ausgangssignale als Spannung, als Strom
oder als Stromschleife zur Messsignalübertragung bereitgestellt werden
müssen.
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Zur
analogen Signalübertragung
ist es üblich,
für unterschiedliche
Anwendungsfälle,
genormte Schnittstellen zu verwenden. Die zugehörigen Definitionen sind in
der DIN IEC 381 aufgelistet. Für
Spannungs-Schnittstellen und Stromschleifen sind 4- und 3-Draht-Meßumformer
sowie 2-Draht-Meßumformer für Ströme von 4...20
mA bekannt. Derartige Schnittstellen sind beschrieben in WIKA-Handbuch:
Druck- und Temperaturmesstechnik und Irrgang, Michalowsky: Temperaturmesspraxis
mit Widerstandsthermometern und Thermoelementen, Vulkan-Verlag Essen.
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Die
unterschiedlichen Ausgangssignale werden in vielfältiger Weise
in der Technik genutzt. In Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik,
Kapitel Sensorik, Springer- Verlag ist die Schaltungstechnik in
den Ausgangsstufen der Transmitter getrennt nach Spannungs- oder
Stromausgang dargestellt. Ferner sind aus den Datenblättern Burr
Brown AD693, Analog Devices XTR 105, Stromschleifen-Transmitter
als integrierter Schaltkreis bekannt.
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Allen
bekannten Transmittern ist gemeinsam, dass sie nur für eine eingeschränkte Wahl
der Ausgangsart einsetzbar sind. Bei Transmittern, die nur für eine Ausgangsart
benutzbar sind, ist es deshalb beim einem Wechsel der Ausgangsart
erforderlich, einen anderen Transmittertyp zu benutzen.
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Weiter
sind Transmitteranordnungen bekannt, bei denen durch Betätigen von
Schaltern oder durch das Anbringen von Drahtbrücken in Verbindung mit einem
veränderten
Kabelanschluss jeweils eine von zwei Ausgangsvarianten ausgewählt werden
kann. Derartige Anordnungen sind in Firmenunterlagen Wieland Electric
GmbH sowie Phoenix contact GmbH beschrieben. Hersteller von Transmittern müssen, um
die Standard- Ausgangssignale abzudecken, verschiedene Gerätevarianten
anbieten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung für einen
Transmitter anzugeben, die es ermöglicht verschiedene Ausgangssignale
mit nur einer Geräteausführung zu
erzeugen.
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Erfindungsgemäß gelingt
die Lösung
der Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung, welche die im Patentanspruch
angegebenen Merkmale aufweist.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ermöglicht
einen Spannungsausgang oder einen Stromausgang als 3-Draht-Meßumformer
oder einen Stromschleifenausgang als 2-Draht-Meßumformer,
ohne dass dabei eine spezielle Einstellung oder Konfiguration vorgenommen
werden muss. Dadurch werden eine Reduzierung des notwendigen Gerätesortiments
und damit verbunden eine Kosteneinsparung erreicht.
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Die
Schaltungsanordnung stellt sich nach Kabelanschluss automatisch
auf die erforderliche Betriebsart ein. Dabei wird automatisch zwischen
einem Spannungsausgang, einem Stromausgang und einem Stromschleifenausgang
unterschieden. Die erforderliche Betriebsart wird an Impedanz bzw.
Bürde der
angeschlossenen Ausgangsleitung erkannt.
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Die
Anordnung stellt eine integrationsfreundliche Schaltung mit Präzisionscharakter
dar, die keine Einstellelemente und nur ein Minimum an Präzisionsbauteilen
benötigt.
Die Schaltungsstruktur ist so aufgebaut, dass sie mit einem Microcontroller
einfach kombiniert werden kann. Die geringe Anzahl der erforderlichen
Bauteile ermöglicht
auch den Einsatz in Miniaturtransmittern.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 die
Schaltungsanordnung der Grundausführung und
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2 eine
Mehrfachanordnung.
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Die
in 1 dargestellte Grundanordnung besteht aus den
Operationsverstärkern 1 und 2,
deren Ausgänge über die
Dioden 3 und 4 anodenseitig mit der Basis des
Ausgangstransistors 5 und dem Widerstand 6 verbunden
sind. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 ist
mit dem Emitter des Transistors 5 und der Anschlussklemme
B verbunden, während
der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 2 mit
dem Kollektor des Transistors 5 und dem Widerstand 7 verbunden
ist. Der Ausgang des Digital-Analog-Converters DAC der Sensorelektronik
ist über
den Verstärker 8 mit
dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 und über den
Widerstand 9 mit dem Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 10 verbunden.
Der Ausgang der Stromquelle 10 ist an den invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 2 und
den Widerstand 11 angeschlossen. Die Widerstände 6, 7 und 11 sind
mit der Anschlussklemme A verbunden. Zwischen den Anschlussklemmen
B und C ist eine Reihenschaltung, bestehend aus dem Widerstand 12 und
der Diode 13, katodenseitig an der Anschlussklemme B angeordnet.
Der Verbindungspunkt zwischen Anode der Diode 13 und dem
Widerstand 12 ist über
den Widerstand 14 mit dem Eingang der Stromquelle 10 verbunden.
An der Anschlussklemme B liegt der Eingang des invertierenden Schaltverstärkers 15.
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Der
Betriebsspannungsanschluss erfolgt durch die Anschlussklemme A.
Die Anschlussklemme C stellt die allgemeine Masse dar. An der Anschlussklemme
B wird das Ausgangssignal abgenommen.
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Die
Sensorelektronik beginnt nach dem Anlegen der Betriebsspannung zu
arbeiten und liefert über
den Digital-Analog-Converter DAC ein analoges Signal, das den Verstärker 8 durchläuft und
den Operationsverstärker 1 erreicht.
Da über
den niederohmigen Widerstand 12 kein Strom fließt, wird
die Eingangsspannung der Stromquelle 10 durch das Spannungsteilerverhältnis der
hochohmigen Widerstände 9 und 14 bestimmt.
Der Strom durch den Widerstand 11 wird damit nur von der
Ausgangsspannung am Verstärker 8 beeinflusst.
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Der
Operationsverstärker 1 versucht
nun den Transistor 5 so zu steuern, dass am Ausgang, also
an der Anschlussklemme B die Spannung vom Verstärker 8 anliegt. Diese
Betriebsart mit Spannungsausgang ergibt sich dann, wenn an der Anschlussklemme
B ein geringer Strom fließt.
Der Spannungsabfall am Widerstand 7 muss kleiner sein als
der Spannungsabfall am Widerstand 11. Damit wird die Diode 4 gesperrt
und die Diode 3 leitend.
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Wird
dagegen der Ausgang an der Anschlusskemme B niederohmig abgeschlossen,
versucht der Operationsverstärker 2 den
Transistor 5 so zu steuern, dass die Spannungsabfälle an den
Widerständen 7 und 11 gleich
sind. Der Ausgang arbeitet im Strombetrieb mit der leitenden Diode 4 und
der gesperrten Diode 3.
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Die
Umschaltung von Spannungs- auf Strombetrieb erfolgt automatisch.
Dabei ist es zweckmäßig, einen
Grenzlastwiderstand festzulegen, der sich aus der maximal möglichen
Ausgangsspannung und dem maximal möglichen Ausgangsstrom mit Rg =
Uamax/Iamax ergibt. Ist der Widerstand an der Anschlussklemme B
größer als
der Grenzlastwiderstand, ergibt sich Spannungsbetrieb. Der Strombetrieb
ist dann eingeschaltet, wenn der Lastwiderstand kleiner als der
Grenzlastwiderstand ist.
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Der
Ausgang ist damit auch vollständig
gegen Leerlauf und Kurzschluss geschützt.
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Wird
auf den Masseanschluss an der Anschlussklemme C verzichtet und der
Rückleiter
an die Anschlussklemme B angeschlossen, stellt sich Stromschleifenbetrieb
ein. Der Betriebsstrom für
die Sensorelektronik fließt
jetzt über
den Widerstand 12 und die Diode 13. Der Ausgangsstrom
an der Anschlussklemme B setzt sich jetzt aus dem Strom durch den
Transistor 5, gemessen mit dem Spannungsabfall an Widerstand 7,
und dem Strom durch den Widerstand 12 zusammen. Der Ausgangsstrom ist
um den Betrag durch den Widerstand 12 größer und
muss korrigiert werden.
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Da
der Spannungsabfall am Widerstand 12 gegenüber der
Anschlussklemme C negativ ist, erhält der Eingang der Stromquelle über den
Spannungsteiler mit den Widerständen 9 und 14 einen kleineren
Spannungswert. Der Strom durch den Widerstand 11 wird bei
präziser
Widerstandsdimensionierung exakt um den Betrag des Spannungsabfalls von
Widerstand 12 kleiner und es entsteht das gewünschte Ausgangsstromsignal.
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Der
Lastwiderstand in der Anschlussleitung an der Anschlussklemme B
(Bürde)
darf dabei nur so groß werden,
dass die Spannung zwischen den Anschlussklemmen A und B noch für den Betrieb
der Sensorelektronik ausreicht.
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In
der Betriebsart mit Stromschleife ist die Anschlussklemme B immer
negativ gegenüber
der Anschlussklemme C, so dass der angeschlossene Schaltverstärker 15 diesen
Zustand erkennen kann und ein Signal an die Sensorelektronik zum
Umschalten des Ausgangsstrombereiches abgibt.
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In
der beschriebenen Anordnung arbeitet der Operationsverstärker 1 als
einfacher Spannungsfolger und der Operationsverstärker 2 als
quasi p-Kanal Stromquelle. Der Transistor 5 und der Transistor
in der Stromquelle 10 müssen
eine hohe Stromverstärkung
haben (Darlington- oder
FET-Transistoren). Als Schaltverstärker 15 arbeitet im
einfachsten Fall eine Transistorstufe mit vorgeschalteter Diode
in Sperrrichtung.
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Mit
der beschriebenen Anordnung ist es zum Beispiel möglich, einen
Ausgangsspannungsbereich von 0...10 V, einen Ausgangsstrombereich
von 0...20 mA und einen Strombereich mit Schleife von 4...20 mA
zu realisieren. Eine Umdimensionierung auf andere Spannungs- und
Strombereiche ist möglich.
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Die
Genauigkeit der Anordnung wird bei richtiger Dimensionierung durch
die Genauigkeit und den Temperaturkoeffizienten der Widerstände bestimmt. Sie
müssen
je nach Messaufgabe Präzisionscharakter
aufweisen. Unter der Voraussetzung, dass auch die Operationsverstärker hohe
Genauigkeitsanforderungen erfüllen,
sind insgesamt Signalausgaben mit großer Präzision bei geringer Bauelementeanzahl möglich.
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Die
Verbindung des Verstärkers 8 mit
dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 kann über eine
direkte Leitung erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass anstelle dieser
direkten Leitung eine Leitung vom Emitter der Stromquelle 10 zum
nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 führt.
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In 2 ist
eine Mehrfachanordnung der Schaltung dargestellt. Diese Ausführung kann
verwendet werden, wenn die Sensorelektronik Signale für mehrere
Messgrößen liefern
muss. Im dargestellten Beispiel sind zwei Anordnungen parallel geschaltet.
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Die
Anschlussklemmen A und B werden dabei für alle Ausgangsstufen gemeinsam
genutzt. Die erste Anschlussklemme B ist entsprechend der Anzahl
der Ausgangsstufen mehrfach vorhanden. Beim Betrieb mit Spannungs-
oder Stromausgang arbeiten die Ausgangsstufen unabhängig voneinander. Über die
Anschlussklemmen A und B sind sie an eine gemeinsame Betriebsspannung
angeschlossen. Ein mehrfacher Stromschleifenbetieb über die
Anschlussklemmen A und B ist ebenfalls möglich. Der Betriebsstrom der
Sensorelektronik, der über
den Widerstand 12 und die Diode 13 fließt, wird
dabei von der Ausgangsstufe mit dem niedrigsten Ausgangspotenzial – hervorgerufen
durch das Ausgangssignal und die Bürde – übernommen. Der gesamte Betriebsstrom
muss kleiner als der minimale Ausgangsstrom einer Ausgangsstufe
sein.
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- 1,
2
- Operationsverstärker
- 3
- erste
Diode
- 4
- zweite
Diode
- 5
- Ausgangstransistor
- 6
- erster
Widerstand
- 7
- zweiter
Widerstand
- 8
- Verstärker
- 9
- dritter
Widerstand
- 10
- Stromquelle
- 11
- vierter
Widerstand
- 12
- fünfter Widerstand
- 13
- dritte
Diode
- 14
- sechster
Widerstand
- 15
- invertierender
Schaltverstärker
- A
- zweite
Anschlussklemme
- B
- erste
Anschlussklemme
- C
- dritte
Anschlussklemme
- DAC
- Digital-Analog-Converter