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Die
Erfindung betrifft ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung,
das zur Versorgung elektronischer Schaltungsteile mit der zu ihrem
Betrieb erforderlichen elektrischen Spannung einen Spannungsregler
aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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In
prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige
Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt.
Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise
Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder
Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf
in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend
einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie
beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien
ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. Zur Übertragung
von Prozessvariablen und von Feldgeräteparametern ist an
den Feldgeräten eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen,
die beispielsweise eine Kommunikation über eine Zweidrahtleitung
oder eine drahtlose Kommunikation ermöglicht. Für
eine drahtgebundene Kommunikation sind in der Prozessautomatisierung
beispielsweise PROFINET, PROFIBUS, Ethernet-IP oder MODBUS TCP verbreitet.
Mit einer 4 bis 20 mA-Schnittstelle kann eine Verbindung zwischen Feldgerät
und beispielsweise einem Automatisierungsgerät realisiert
werden, bei welcher mit einem analogen Stromsignal gleichzeitig
ein Wert einer Prozessvariablen und die zum Betrieb des Feldgeräts
erforderliche Hilfsenergie übertragen wird.
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Ein
derartiges Feldgerät mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle ist
beispielsweise aus der
DE
197 23 645 B4 bekannt. Über eine Zweidrahtleitung
wird das Feldgerät zur Kommunikation beispielsweise mit
einer Peripherie-Baugruppe eines Automatisierungsgeräts
verbunden. Ein zwischen den beiden Grenzwerten veränderliches
analoges Stromsignal, das einen in dem Feldgerät von einem
Sensor erfassten Wert einer Prozessvariablen repräsentiert,
wird im Falle eines Messumformers von diesem in die Zweidrahtleitung
eingeprägt. Dazu ist in dem Feldgerät eine steuerbare
Stromquelle vorgesehen. Zudem weist das Feldgerät einen
Spannungsregler auf, der eine weitgehend konstante Betriebsspannung
für die elektronischen Schaltungsteile des Feldgeräts
erzeugt. Insbesondere bei Feldgeräten mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle,
prinzipiell aber auch bei Feldgeräten mit anderen Kommunikationsschnittstellen,
bei welchen keine von der Kommunikationsschnittstelle unabhängige
Versorgungsmöglichkeit für Betriebsenergie besteht,
stellt sich das Problem, dass lediglich eine beschränkte
Menge an Versorgungsenergie zur Verfügung steht.
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Bei
der Entwicklung von Feldgeräten mit einer Kommunikationsschnittstelle
mit Zweidrahtleitung ist die Einhaltung des maximal zulässigen
Leistungsbedarfs der elektronischen Schaltungsteile immer eine sehr große
Herausforderung. Das damit verbundene Risiko, dass das Feldgerät
die geforderten Eigenschaften, zum Beispiel bezüglich Messgenauigkeit
oder Diagnosefunktionen, nicht erreicht, ist ebenfalls hoch. Insbesondere
Feldgeräte mit hohen Genauigkeitsanforderungen und vielen
Diagnosefunktionen, die im High-End-Bereich eingesetzt werden, stellen
gegenüber Standardprodukten eine große Herausforderung
dar. Verstärkt wird das Problem der beschränkt
verfügbaren Versorgungsenergie noch durch SIL (Safety Integrity
Level)-Anforderungen. Dabei müssen beispielsweise alle
verwendeten Bauelemente des Feldgeräts ihre Spezifikation
bezüglich der zulässigen Versorgungsspannungen
einhalten. Oftmals sind zur Realisierung einer Redundanz zusätzliche
Bauelemente erforderlich. Die elektronischen Schaltungsteile müssen
für einen Betrieb unter Worst-Case-Bedingungen ausgelegt
werden und die zur Verfügung stehende Versorgungsleistung
muss eingehalten werden, auch wenn alle verwendeten Bauelemente
ihre maximale Leistung aufnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldgerät zur
Prozessinstrumentierung zu schaffen, das sich durch eine verbesserte
Genauigkeit bei der Einstellung der Versorgungsspannung für
seine elektronischen Schaltungsteile auszeichnet.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe weist das Feldgerät der
eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung beschrieben.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer höheren
Versorgungsspannung auch die Leistungsaufnahme der Bauelemente,
die mit Hilfe der Versorgungsspannung mit der zu ihrem Betrieb erforderlichen
Energie versorgt werden, ansteigt. Dies ist insbesondere bei elektronischen
Bauelementen der Fall. Wird die Betriebsspannung mit einer verbesserten
Genauigkeit eingestellt, so unterliegt auch die Leistungsaufnahme
der Bauelemente geringeren Schwankungen und es kann mit größerer
Zuverlässigkeit sichergestellt werden, dass die vorgegebene
maximale Gesamtleistungsaufnahme der elektronischen Schaltungsteile
des Messgeräts im Betrieb nicht überschritten
wird.
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Die
von üblichen integrierten Spannungsreglern erzeugte Spannung
weist meist eine vergleichweise hohe Toleranz auf, die durch den
inneren Aufbau des Spannungsreglers, insbesondere die Genauigkeit
einer integrierten Referenzspannung, und seine externe Beschaltung,
die beispielsweise für die Einstellung einer gewünschten
Betriebsspannung erforderlich ist, bestimmt wird. Üblicherweise
werden die Toleranzen mit ±6% oder ±12% spezifiziert.
Bei der Einstellung der Betriebsspannung muss diese Toleranz berücksichtigt
und zum Spannungswert hinzuaddiert bzw. subtrahiert werden. Dabei
ist zu berücksichtigen, dass eine zum Beispiel um 10% höhere
Betriebsspannung eine um etwa 10% höhere Leistungsaufnahme
der versorgten elektronischen Schaltungsteile bewirkt, wenn man
von einer direkt proportionalen Abhängigkeit ausgeht. Als
integrierte Spannungsregler können beispielsweise verwendet werden:
DC/DC-Wandler, die als Aufwärtswandler, so genannte Boost-Converter,
oder als Abwärtswandler, so genannte Buck-Converter, verfügbar
sind, Linearregler, die auch als LDO (Load Dropout Regulator) bezeichnet
werden, oder steuerbare Zener-Diode (Adjustable Zener Shunt Regulator).
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Vorzugsweise
ist der zweite Regler, mit dessen Hilfe ein auf den Steuereingang
zur Einstellung der Betriebsspannung des Spannungsreglers geführtes
Signal beeinflusst wird, als ein Regler mit integrierendem Verhalten
ausgeführt. Regler mit Integralanteil haben nämlich
die vorteilhafte Eigenschaft, dass sie sich durch hohe stationäre
Genauigkeit auszeichnen.
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Durch
den zweiten Regler wird der Gleichspannungsfehler des Spannungsreglers
deutlich verringert. Dadurch kann die Betriebsspannung näher
an der unteren zulässigen Grenze eingestellt werden und
somit die Leistungsaufnahme der elektronischen Schaltungsteile des
Feldgeräts reduziert werden. Ein besonders geringer Leistungsverbrauch
der mit der Betriebsspannung versorgten elektronischen Schaltungsteile
wird erreicht, wenn die Betriebsspannung durch geeignete Vorgabe
der Referenzspannung für den zweiten Regler derart eingestellt
wird, dass die Betriebsspannung unter Berücksichtigung
der Fehlertoleranzen der zur Erzeugung der Betriebsspannung eingesetzten
Bauelemente in Worst-Case die minimal erforderliche Betriebsspannung der
elektronischen Schaltungsteile gerade übersteigt. Dabei
wird die Betriebsspannung so nahe wie möglich an die minimale
Betriebsspannung der elektronischen Schaltungsteile herangeführt.
Dies reduziert die aufgenommene Leistung der durch die Betriebsspannung
versorgten Schaltungsteile in bestmöglicher Weise und optimiert
die Leistungsbilanz des Feldgeräts. In einem konkreten
Fall konnte die Betriebsspannung von 3 Volt auf 2,8 Volt reduziert
werden. Bezogen auf die minimale Versorgungsspannung von 2,75 Volt
ist dies eine Verminderung der Betriebsspannung gegenüber
einem herkömmlichen Spannungsregler um 7%, die sich unmittelbar
auf die Verringerung der Leistungsaufnahme der elektronischen Schaltungsteile
auswirkt.
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In
vorteilhafter Weise kann die Referenzspannung, die im zweiten Regler
mit der gemessenen Betriebsspannung verglichen wird, von derselben
Referenzspannungsquelle abgeleitet werden, von welcher der an einem
Stromausgang einer 4 bis 20 mA-Schnittstelle eingestellte Stromwert
abgeleitet wird. Somit wird eine im Feldgerät ohnehin vorhandene
Präzisionsreferenz verwendet und der Herstellungsaufwand
nicht durch eine zusätzliche hochgenaue Referenzspannungsquelle
erhöht.
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Anhand
der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen
und Vorteile näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Feldgeräts und
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2 eine
Schaltung zur Erzeugung einer Betriebsspannung.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau eines Messumformers als Beispiel für
ein Feldgerät zur Prozessinstrumentierung dargestellt.
Der gezeigte Messumformer besitzt eine 4 bis 20 mA-Schnittstelle,
die mit zwei Kontakten 2 bzw. 3 an eine Zweidrahtleitung
zur Kommunikation mit einer weiteren, in der Figur nicht dargestellten
Automatisierungskomponente angeschlossen werden kann. Eine Prozessvariable,
zum Beispiel ein Prozessdruck, wird mit Hilfe eines Sensors 4 erfasst
und in einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 5 wird anhand
eines von dem Sensor 4 gelieferten Messsignals ein Wert
der Prozessvariablen bestimmt. Der zunächst digital vorliegende
Wert wird mit Hilfe eines in der Figur nicht dargestellten Digital/Analog-Umsetzers
in ein analoges Steuersignal 6 für eine steuerbare
Stromquelle 7 umgesetzt, welche in eine angeschlossene Zweidrahtleitung
einen dem Wert der Prozessvariablen entsprechenden Strom I einprägt.
Ein Teil des Stroms I fließt durch eine Konstantspannungsquelle 8,
ein anderer Teil zu einem Spannungsregler 9, der die zur
Versorgung elektroni scher Schaltungsteile des Feldgeräts 1 erforderliche
Betriebsspannung erzeugt. An seinem Ausgang liefert der Spannungsregler 9 dazu
eine sehr genaue Versorgungsspannung U2, die aus seiner Eingangsspannung
U1 generiert wird. Zur Verbesserung der Genauigkeit der eingestellten
Versorgungsspannung U2 ist ein zweiter Regler 10 vorgesehen,
der die Betriebsspannung U2 mit einer Referenzspannung Ur vergleicht
und Abweichungen zwischen der Betriebsspannung U2 und der Referenzspannung
Ur durch entsprechende Beeinflussung eines auf einen Steuereingang
des Spannungsreglers 9 geführten Signals Uref1
ausregelt. Der Steuereingang des Spannungsreglers 9 ist
wie üblich zur Einstellung der Betriebsspannung U2 mittels
eines Rückkopplungssignals vorgesehen und wird bei üblichen
Spannungsreglern häufig als Steuereingang FB bezeichnet.
Durch Verwendung des zweiten Reglers 10 ist eine sehr genaue
Einstellung der Betriebsspannung U2 möglich, und diese
kann nahe dem Minimalwert der elektrischen Versorgungsspannung gewählt werden,
die zum Betrieb der elektronischen Schaltungsteile des Feldgeräts 1 erforderlich
ist. Dadurch wird ein Betrieb des Feldgeräts 1 mit
vergleichsweise geringer Versorgungsenergie ermöglicht.
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Anhand 2 wird
im Folgenden ein Ausführungsbeispiel eines Spannungsreglers 20 mit
einem nachgeschalteten zweiten Regler 21 erläutert.
An einem Eingang Uin des Spannungsreglers 20 liegt eine Spannung
U1 an und an einem Ausgang Uout erzeugt der Spannungsregler 20 eine
Spannung U2, die prinzipiell den in 1 dargestellten
Spannungen mit gleichen Bezugszeichen entsprechen. Eine dem Ausgang Uout
hinzugefügte Induktivität L* ist nur erforderlich,
wenn es sich bei dem Spannungsregler 20 um einen DC/DC-Wandler
handelt. Die Ausgangsspannung U2 des Spannungsreglers 20 wird
zunächst durch das Verhältnis der Widerstände
R1 und R2 eingestellt, deren Mittenabgriff als Signal Uref1 auf
einen Steuereingang FB des Spannungsreglers 20 geführt
ist. Die damit realisierte Rückkopplung wird häufig
auch als Feedback-Pfad bezeichnet. Ein weiterer Anschluss GND des
Spannungsreglers 20 ist mit Bezugspotential verbunden.
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Betrachtet
man eine Beschaltung des Steuereingangs FB lediglich mit dem Spannungsteiler,
gebildet aus den Widerständen R1 und R2, und vernachlässigt
man die Wirkung des nachgeschalteten Reglers
21, so stellt
sich eine Ausgangsspannung U2 gemäß der folgenden
Formel ein:
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In
dieser Formel ist ΔU2 der Gleichspannungsfehler der Ausgangsspannung
U2 und Uref eine in den Spannungsregler
20 integrierte
Referenzspannung. Der Fehler ΔU2 kann durch das Fehlerfortpflanzungsgesetz
in Abhängigkeit der spannungsreglerinternen Referenzspannung
Uref sowie der Widerstände R1 und R2 berechnet werden zu:
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In
dieser Formel stehen ΔUref, ΔR1 und ΔR2
für die Toleranzen der jeweiligen Bauelemente.
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Die
Toleranz ΔUref zuzüglich des Fehlers, der sich
aufgrund des Temperaturkoeffizienten und der Langzeitstabilität
der Referenzspannung Uref ergibt, beträgt typischerweise
zwischen 2% und 6%. Typische Widerstände haben 1% Toleranz
und einen Temperaturkoeffizienten von 50 ppm pro Kelvin. Aufgrund
des Fehlerfortpflanzungsgesetzes kann sich damit ein Fehler von
etwa 10% ergeben.
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In
einem konkreten Anwendungsfall beträgt der Fehler der Ausgangsspannung
eines DC/DC-Spannungsreglers 20 für eine Mindestbetriebsspannung
U2 von 2,75 V etwa 9%. Soll die Betriebsspannung U2 unter keinen
Umständen unter die minimal erforderliche Betriebsspannung
der elektronischen Schaltungsteile des Feldgeräts abfallen,
die beispielsweise bereits 2,75 V beträgt, muss bei der
Auslegung der Beschaltung des Spannungsreglers 20 der maximal
mögliche Fehler berücksich tigt werden. Die Betriebsspannung
U2 muss also durch geeignete Beschaltung des Spannungsreglers 20 durch
die Widerstände R1 und R2 auf etwa 3 V eingestellt werden.
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Der
Gleichspannungsfehler ΔU2 der Betriebsspannung U2 wird
nun durch den Einsatz des zweiten Reglers
21, welcher am
Mittenabgriff zwischen den Widerständen R1 und R2, somit
am Steuereingang FB des Spannungsreglers
20, eingreift,
stark reduziert. Zentrales Element des zweiten Reglers
21 ist
ein Operationsverstärker
22, der als Ultra-Low-Power-Operationsverstärker
ausgeführt ist. Eine Ausgangsspannung Ureg des Operationsverstärkers
22 ist über
einen Widerstand R3 auf den Mittenabgriff des mit den Widerständen R1
und R2 gebildeten Spannungsteilers geführt. Durch den Widerstand
R1 fließt ein Strom I1, durch den Widerstand R2 ein Strom
I2 und durch den Widerstand R3 ein Strom I3. Aufgrund der Beschaltung
des Operationsverstärkers
22 mit Widerständen
R3, R5, R11 und R12 sowie mit einem Kondensator C1 regelt der zweite Regler
21 Abweichungen
zwischen der Betriebsspannung U2 und einer Referenzspannung aus,
deren Größe durch die Dimensionierung der genannten
Bauelemente und den Wert einer Referenzspannung Uref2 vorgegeben
ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Referenzspannungsquelle
zur Erzeugung der Referenzspannung Uref2 um dieselbe Referenzspannungsquelle,
von welcher in einem Messumformer mit 4 bis 20 mA-Schnittstelle
der Wert des Ausgangsstroms abgeleitet wird. Es wird somit eine
ohnehin vorhandene Referenzspannungsquelle verwendet und der Herstellungsaufwand
für ein Feldgerät reduziert. Durch die Verwendung
des Kondensators C1 in Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers
22 erhält
der zweite Regler
21 ein integrierendes Verhalten. Die
Betriebsspannung U2 kann nun berechnet werden nach der Formel:
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Die
in 2 gezeigte Schaltung zur Erzeugung der Betriebsspannung
U2 weist nun einen inneren und einen äußeren Regel kreis
auf. Der dem Spannungsregler 20 nachgeschaltete zweite
Regler 21 entspricht dabei dem äußeren
Regelkreis. Dieser ist in der Lage, den Gleichspannungsfehler des
Spannungsreglers 20 im stationärem Fall auf Null
auszuregeln, da der zweite Regler 21 einen Integralanteil
besitzt.
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Der
zweite Regler 21 vergleicht an den Eingängen des
Operationsverstärkers 22 eine Spannung U2' mit
der genauen Referenzspannung Uref2 und greift korrigierend auf das
Signal ein, welches auf den Steuereingang FB des Spannungsreglers 20 zur
Einstellung der Betriebsspannung U2 geführt ist. Die Spannung Ureg
am Ausgang des Operationsverstärkers 22 wird bei
der Ausregelung solange erhöht oder erniedrigt, bis die
Spannungen U2' und Uref2 an den Eingängen des Reglers 20 gleich
groß sind. Der Fehler ΔU2 der Betriebsspannung
U2 hängt daher nur noch von der Regelspannung Ureg des
zweiten Reglers 21 ab, also von der Genauigkeit des äußeren
Regelkreises.
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Der
Fehler ΔU2 kann berechnet werden als: ΔU2
= ΔUreg = f·(ΔUref2, ΔUOS, ΔU2').
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Mit ΔUOS
ist in dieser Formel der Offsetfehler des Operationsverstärkers 22 bezeichnet.
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Ist
die Betriebsspannung U2 größer als die Referenzspannung
Uref2, so muss die Betriebsspannung U2 wie in
2 dargestellt
mit Hilfe der Spannungsteilerschaltung aus den Widerständen
R11 und R12 auf den Betrag von Uref2 heruntergeteilt werden. Wäre
abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel die Betriebsspannung
U2 dagegen kleiner als die Referenzspannung Uref2, so müsste
der Spannungsteiler nicht die Spannung U2, sondern die Spannung
Uref2 herunterteilen. Für die Bauelementedimensionierung
bei der Einstellung der Betriebsspannung U2 gelten die folgenden
Formeln:
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Anhand
des Fehlerfortpflanzungsgesetzes kann aus diesen Formeln der Fehler ΔU2
= ΔUreg der Betriebsspannung für die beiden betrachteten
Fälle berechnet werden zu:
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Der
Gleichspannungsfehler der Betriebsspannung U2 kann bei geeigneter
Wahl der verwendeten Bauelemente deutlich kleiner eingestellt werden
als der Gleichspannungsfehler eines integrierten Spannungsreglers,
bei welchem kein zweiter Regler 21 verwendet wird. Bei
einer konkreten Realisierung der Schaltung gemäß 2 beträgt
der Gleichspannungsfehler noch etwa 1,8%. Somit kann die Mindestbetriebsspannung von
elektronischen Schaltungsteilen des Feldgeräts, im betrachteten
Beispiel 2,75 V, bereits gewährleistet werden, wenn die
Betriebsspannung U2 durch Dimensionierung der Bauelemente auf etwa
2,8 V eingestellt ist.
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Vorzugsweise
wird die Beschaltung des zweiten Reglers 21 so dimensioniert,
dass Fehler des Spannungsreglers 20 praktisch ohne Überschwingen
ausgeregelt werden. Da der Fehler des Spannungsreglers 20, wie
bereits oben berechnet, auf weniger als 10% begrenzt ist, genügt
es, wenn der zweite Regler 21 in der Lage ist, etwa 10%
der Betriebsspannung U2 auszuregeln.
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Handelt
es sich bei dem verwendeten Spannungsregler 20 um einen
DC/DC-Regler, so kommt noch eine weitere positive Eigenschaft des
nachgeschalteten zweiten Reglers 21 hinzu: Der Kondensator
C1 des zweiten Reglers 21 ist beim Anlauf der Schaltung
entladen. Das führt beim Einschalten der Eingangspannung U1
und in der Folge der Betriebsspannung U2 dazu, dass die Ausgangsspannung
Ureg des Operationsverstärkers 22 zunächst
groß ist. Die Betriebsspannung U2, die unmittelbar nach
dem Einschalten noch klein ist, steigt nun mit der Geschwindigkeit
der Regelspannung Ureg, die sich aus dem Produkt der Werte des Widerstands
R5 und des Kondensators C1 ergibt, auf den Sollwert der Betriebsspannung
U2 an. Durch diesen vergleichsweise sanften Anlauf wird der ansonsten
relativ große Anlaufstrom der elektronischen Schaltungsteile reduziert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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