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Einrichtung zur Messung und digitalen Anzeige des Verhältnisses der
Spannungen zweier Gleichspannungsquellen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zur Messung und digitalen Anzeige des Verhältnisses der Spannungen zweier Gleichspannungsquellen.
Derartige Einrichtungen werden z. B. als Quotientenmesser oder Schwellwertanzeiger
mit mehreren Stufen eingesetzt. In der Wirkungsweise am nächsten kommen dieser Einrichtung
die Analog-Digital-Wandler, bei denen ein analoger Meßwert in einen digitalen Ausgangscode
umgewandelt wird. Die meisten dieser bekannten Anordnungen erfassen schrittweise
den Meßwert, so daß ein Serien-Ausgangscode auftritt, der für die weitere Verarbeitung
in einen anderen Code, z. B. einen (1 aus x)-Parallelcode, umgewandelt werden muß.
Es sind jedoch auch Wandler bekannt, die für die Umwandlung eines analogen Meßwertes
mehrere auf verschiedene Ansprechwerte eingestellte Auswerteeinrichtungen verwenden,
deren Schaltzustand dann direkt den digitalen Ausgangswert kennzeichnen.
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Es sind verschiedene Einrichtungen zur Messung und digitalen Anzeige
des Verhältnisses der Spannungen zweier Gleichspannungsquellen bekannt. Alle diese
Einrichtungen führen zeitlich nacheinander mehrere Vergleiche mit bestimmten vorgegebenen
Spannungsverhältnissen durch. Einrichtungen dieser Art erfordern sehr viel Zeit,
um das Ausgangssignal in digitaler Form zu erhalten. Außerdem sind mehrstufige Schalteinrichtungen
vorzusehen, um die verschiedenen, durch Spannungsteiler vorgegebenen Spannungsverhältnisse
mit der Vergleichseinrichtung zusammenzuschalten.
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Andere bekannte Einrichtungen sehen Brückenschaltungen vor, in die
die beiden zu vergleichenden Spannungen eingeschaltet sind. über ein Stellpotentiometer
wird der andere Brückenteil so lange geändert, bis die beiden Spannungsverhältnisse
der zu messenden Spannungen und des Stellpotentiometers übereinstimmen. Die bei
der Einstellung des Stellpotentiometers abgegebenen Impulse werden über einen Zähler
registriert. Auch diese Anordnung liefert beim Anschalten der zu messenden Spannungen
keine direkte Anzeige und ist deshalb nicht für die laufende Anzeige des Spannungsverhältnisses
zweier Spannungen geeignet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Messung und digitalen
Anzeige des Verhältnisses der Spannungen zweier Gleichspannungsquellen zu schaffen,
die sofort ein Ausgangssignal liefert und die laufende Anzeige des sich ändernden
Spannungsverhältnisses ermöglicht. Die Einrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet
durch eine aus ohmschen Widerständen bestehende Spannungsteilerkette, die von den
beiden gleichsinnig in Serie geschalteten Spannungsquellen gespeist ist, und durch
eine der Anzahl der Abgriffspunkte zwischen den Widerständen der Spannungsteilerkette
entsprechende Anzahl von gleichartigen Einrichtungen, die die Potentialdifferenz
zwischen je einem der Abgriffspunkte der Spannungsteilerkette und dem als gemeinsamen
Bezugspunkt festgelegten Verbindungspunkt der beiden Spannungsquellen überwachen
und die nur bei einer ganz bestimmten Polarität der überwachten Spannung ansprechen
und dann an ihren Ausgängen zur Betätigung einer an sich bekannten Digital-Anzeigevorrichtung
geeignete Einheitssignale erzeugen, von denen jedoch, bedingt durch eine entsprechende
Verriegelungsschaltung zwischen den signalerzeugenden Einrichtungen, lediglich dasjenige
Signal an die Anzeigevorrichtung weitergeleitet wird, das am Ausgang derjenigen
signalerzeugenden Einrichtung auftritt, deren Eingangsspannung bei der zur Auslösung
des Signals geeigneten Polarität den geringsten von Null abweichenden Betrag aufweist.
Auf diese Weise ist sofort mit dem Anschalten der zu messenden Spannungen das entsprechende
Ausgangssignal gegeben, und dieses Signal ändert sich sofort, wenn sich das Verhältnis
der zu messenden Spannungen ändert.
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Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Einrichtung nach der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Meßspannungen über in Kollektorschaltung
betriebene Transistoren in den Speisekreis der Spannungsteilerkette eingekoppelt
werden und daß dabei die zugleich als Speisespannung für die Transistoren dienende
Speisespannung der Spannungsteilerkette größer als jede der beiden Meßspannungen
gewählt ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die zu vergleichenden Spannungen
nicht stark belastet werden und daß im Vergleichskreis dennoch die gleich große
leistungsstarke, von der
Speisespannung des Transistors abgeleitete
Spannung wirksam wird.
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Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung können den
Unteransprüchen und der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles entnommen werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Prinzipschaltbild der Meßeinrichtung nach der Erfindung, F i g. 2 ein
Ausführungsbeispiel für Spannungsvergleich in fünf Stufen und F i g. 3 eine fünfstufige
Schwellwertschaltung.
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F i g. 1 zeigt im Prinzip die Vergleichseinrichtung. Die beiden zu
vergleichenden Spannungen U 1 und U2 sind gleichsinnig in Reihe geschaltet.
Ihr Verbindungspunkt liegt am Bezugspotential, z. B. Erde. Beide Spannungen speisen
eine Widerstandskette R 1
bis R n. Es wird zunächst vorausgesetzt,
daß sich beide Spannungen U1 und U2 ändern und daß auch die Spannung U2 direkt auf
die Widerstandskette einwirkt. Ist z. B. die Spannung U2 gleich Null, dann
treten bei der in der Zeichnung eingetragenen Polarität der Vergleichsspannungen
an allen Abgriffpunkten der Widerstandskette positive Potentiale für die
Auswerteeinrichtungen M1 bis M4 auf. Ist dagegen die Spannung U
1 gleich Null, dann nehmen alle Abgriffpunkte negatives Potential gegen Erde
an. Alle Auswerteeinrichtungen sind gleichartig ausgebildet, und sie sprechen alle
entweder nur bei positiver oder nur bei negativer Eingangsspannung an und erzeugen
dann an ihren Ausgängen A 1 bis A 4
Einheitssignale, die zur Betätigung
von an sich bekannten, in der Zeichnung nicht dargestellten Digital-Anzeigevorrichtungen
geeignet sind.
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Es sei nun angenommen, daß die Auswerteeinrichtungen M 1 bis
M 4 nur auf negative Eingangsspannungen ansprechen, also beispielsweise dann,
wenn die Spannung U 1 gleich Null ist und die Spannung U 2 die eingezeichnete
Polarität aufweist. Es treten dann an den Ausgängen A 1 bis A 4 aller
Auswerteeinrichtungen Signale auf. Durch eine Verriegelungsschaltung mit Hilfe von
Dioden, über welche die Ausgangsspannung jeder Auswerteeinrichtung jeweils jeder
in der Kette vorangehenden Auswerteeinrichtung zugeführt wird, um diese sofort in
den Zustand »Ausgangsspannung gleich Null« umzusteuern, ist sichergestellt, daß
ein Signal zur Betätigung einer Digital-Anzeigevorrichtung lediglich am Ausgang
einer einzigen Auswerteeinrichtung andauern kann; unter der obigen Annahme würde
dieses Signal bei der in F i g. 1 dargestellten Meßeinrichtung nur am Ausgang A
4 aufrechterhalten. Sind im Grenzfall beide Vergleichsspannungen gleich Null,
so sind alle Ausgänge A 1 bis A 4 spannungslos, und es wird
dann richtigerweise kein definierter Wert des Spannungsverhältnisses zur Anzeige
gebracht. Nehmen die Spannungen U 1 und U 2 von Null verschiedene
Werte an, dann verlagert sich das Potential an den Abgriffpunkten der Widerstandskette
gegenüber dem Bezugspotential Erde, so daß ein Teil der Abgriffpunkte positives
und der andere Teil der Abgriffpunkte negatives Potential aufweist. Werden z. B.
die Auswerteeinrichtungen M 1 und M 2 von einer negativen und die
Auswerteeinrichtungen M3 und M4 von einer positiven Potentialdifferenz angesteuert,
dann bleibt nur am Ausgang A 2 ein Signal erhalten, da die Auswerteeinrichtung M
1 über das Ausgangspotential an A 2 gesperrt wird. Durch die Verriegelungsschaltung
wird bewirkt, daß stets nur am Ausgang derjenigen signalerzeugenden Auswerteeinrichtung
der Kette ein Ausgangssignal ansteht, deren Eingangsspannung bei der zur Auslösung
des Signals geeigneten Polarität den geringsten von Null abweichenden Betrag aufweist.
Durch die Dimensionierung der einzelnen Widerstände R 1 bis R n ist bestimmt,
bei welchem Spannungsverhältnis die einzelnen Auswerteeinrichtungen ansprechen.
Die Aufteilung der Widerstandskette kann praktisch beliebig erweitert werden. Bei
vielen Stufen ist nur die Empfindlichkeit der Auswerteeinrichtungen entsprechend
zu erhöhen. Die Unterteilung in einzelne Anzeigestufen kann über den gesamten Vergleichsbereich
entweder gleichmäßig gewählt werden oder in beliebiger Stufung. Es kann durchaus
ein bestimmter Vergleichsbereich genauer erfaßt werden. Dies kann in einfacher Weise
durch die Aufteilung der Widerstandskette erreicht werden. Bei einer größeren Anzahl
von Auswerteeinrichtungen ist die Verriegelungsschaltung entsprechend weiterzuführen,
so daß über eine Auswerteeinrichtung stets alle in der Kette vorher angeordneten
Auswerteeinrichtungen gesperrt werden.
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Wie die F i g. 1 noch erkennen läßt, kann eine Meßspannung -u auch
über eine in Kollektorschaltung betriebene Transistorstufe Tr in den Speisekreis
der Spannungsteilerkette eingekoppelt werden. Die Spannung U2 dient in diesem Falle
nur als Speisespannung für den Transistor. Sie muß größer sein als der Spannungswert,
den die Spannung -u maximal annehmen kann. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin,
daß die die Meßspannung -u liefernde Spannungsquelle kaum belastet wird, denn die
Leistung für den Speisekreis der Widerstandskette wird nunmehr aus der Speisespannung
U2 entnommen.
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In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsverhältnismeßeinrichtung
dargestellt. Zum Vergleich stehen die positive Spannung E 1 und die negative Spannung
E2 an. Bezugspotential ist wiederum Erde. Beide Spannungen wirken über je eine in
Kollektorschaltung betriebene Transistorschaltung Tr6 bzw. Tr7 auf den Teilerkreis
R13 -R23 -R33 -R43 -R53 -R6 ein. Die Speisespannungen für die Transistoren sind
mit +U2 und -U1 bezeichnet. Dabei ist zu beachten, daß für die Transistoren unterschiedliche
Leitfähigkeitstypen verwendet sind. Die an den Abgriffpunkten der Widerstandskette
stehenden Potentiale wirken über die Gleichrichter D 1, D 21, D
31,
D 41 und D 51 auf die Auswerteeinrichtungen
Tr 1,
Tr2, Tr3, Tr4 und Tr 5 ein. Solange das Potential am Abgriffpunkt
positiv ist, wird die nachgeschaltete Auswerteeinrichtung gesperrt, da dieses positive
Potential über den vorgeschalteten Gleichrichter auf die Basis des pnp-Transistors
durchgreifen kann. Am entsprechenden Ausgang A 1 ...
A 5 steht das Potential - U 1. Wird das Potential am Abgriffpunkt
negativ, dann wird der angeschaltete Koppelgleichrichter gesperrt, und der Transistor
wird durch die über die Basiswiderstände R11, R21-R24-R25,...,R51-R54-R55 einwirkende
Versorgungsspannung - U 1 ausgesteuert. An dem Ausgang steht damit Erdpotential.
Die
Auswertetransistoren Tr 1 bis Tr 5 sind nun in Abweichung von F i
g. 1 so gekoppelt, daß in der Kette stets nur der Transistor mit der niedrigsten
Ordnungszahl leitend werden kann. Ist die Spannung E2 = 0, dann ist beim Anstehen
der positiven Spannung E1 jeder Abgriffpunkt auf positivem Potential. Alle Transistoren
Tr 1 bis Tr 5 sind gesperrt. Alle Ausgänge A 1 bis
A 5 führen negatives Potential - U 1. Wird nun die negative Spannung langsam
erhöht, dann nimmt zunächst nur der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R
53 und R 6 negatives Potential an. Über den Gleichrichter D 51 wird das Sperrpotential
des Transistors Tr5 abgeschaltet. Der Transistor Tr 5 wird leitend. Der Ausgang
A 5
nimmt Erdpotential an. Wird die Spannung E2 weiter erhöht, dann nimmt
auch der Verbindungspunkt der Widerstände R 43 und R 53 negatives
Potential an. In gleicher Weise wird über den Gleichrichter D 41 die
Aussteuerung des Transistors Tr 4 über die Widerstände R
41, R 44 und R 45 freigegeben. Der Transistor Tr
4 wird leitend, und der Ausgang A 4
nimmt Erdpotential
an. Über den Gleichrichter D 55 wirkt dieses Ausgangspotential in den Steuerkreis
des Transistors Tr 5 ein, so daß dieser wieder gesperrt wird. Ist schließlich
die Spannung E2 viel größer als die Spannung E1, dann nimmt auch der Verbindungspunkt
der Widerstände R 13 und R 23
negatives Potential an. Die Aussteuerung
des Transistors Tr 1 wird freigegeben, und über das Ausgangspotential
A 1 werden über die Gleichrichter D 22,
D 32, D 42 und
D 52 die Transistoren Tr 2, Tr 3, Tr 4
und Tr5 gesperrt.
Die Freigabe der einzelnen Transistoren hängt wiederum von der Auslegung der Widerstandskette
und vom vorliegenden Spannungsverhältnis ab. Die Verkopplung der Auswerteeinrichtung
ist auf das gewünschte Ausgangssignal abgestimmt. Es läßt sich die Anordnung auch
so treffen, daß die Auswertetransistoren durch das Steuerpotential direkt ausgesteuert
werden. Diese Anordnung ist jedoch nur dort anzuwenden, wo die zusätzliche Belastung
des Vergleichskreises vernachlässigt werden kann.
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Wie schließlich aus F i g. 3 zu entnehmen ist, kann auch eine Vergleichsspannung
konstant gehalten werden und die Einrichtung als mehrstufiger Schwellwertanzeiger
verwendet werden. Nimmt man an, daß die Spannung -U1 im Vergleichskreis konstant
ist und daß die positive Spannung +E1 damit zu vergleichen ist, dann ergibt sich
der Vergleichskreis nach F i g. 3. Als Auswerteeinrichtung kann z. B. eine Transistorschaltung
wie in F i g. 2 vorgesehen werden. Solange die Spannung E1 = 0 ist, sind alle Abgriffpunkte
negativ. Dadurch wird nur der Transistor Tr 1 leitend. Das Ausgangssignal
tritt an A 1
auf. Bei einer Erhöhung der zu vergleichenden Spannung
E 1 wandert das Potential längs der Widerstandskette R 13 ... R 6. Zunächst
wird der Transistor Tr 2 leitend und dann der Transistor Tr 3 usw.,
bis schließlich nur noch der Transistor Tr5 leitend ist. Die Wechsel im Ausgangssignal
sind wiederum durch die Aufteilung der Widerstände in der Kette bestimmt. Dabei
spielt der Widerstand R 6 eine besondere Rolle, da durch ihn im wesentlichen der
Bereich des Schwellwertanzeigers bestimmt wird.