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Patentgesuch Elektronische Schaltungsanordnung zur Messung von durch
Veränderung elektrischer Widerstände dargestellten Größen Die Erfindung bezieht
sich auf eine elektronische Schaltungsanordnung zur Messung von durch Veränderung
elektrischer Widerstände dargestellten Größen unterVerwendung von Feldeffekttransistoren
mit Sperrschichteingang.
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In vielen Anwendungsfällen in der Meßtechnik ist es erforderlich,
einen Schaltvorgang der unterschiedlichsten Art in Abhängigkeit von einer zu messenden
physikalischen Größe durchzuftthren, ,B. nach Art eines Kontaktthermometers, eines
Druckschalters o.dgl. Die Erfindung geht dabei aus von einem mechanischen Schalter
für elektrische Zwecke, der in Abhängigkeit von einer derartigen physikalischen
Größe schaltet bzw. umschaltet, Ein derartiger bekannter Schalter weist zwei Schaltstellungen
auf, und zwar entweder die geöffnete oder die geschlossene Schaltstellung, Diese
Art der Schaltung aufgrund einer Messung weist den entscheidenden Nachteil auf,
daß das aus der Jeweiligen Sohalterstellung resultierende Signal 0 oder # Ohm fllr
eine Fernmessung keinen
eindeutigen Rückschluß darauf ermöglicht,
ob das Signal entsprechend CO Ohill durch einen geöffneten Schalter oder durch einen
Beitungsbruch bei eventuell geschlossenem Schalter entstanden ist oder etwa 0 Ohm
durch einen geschlossenen Schalter oder durch einen Leitungskurzschluß bei geöffnetem
Schalter entstanden sind, Darüber hinaus ist der mechanische Schalter durch seinen
Aufbau mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, Halbleiter und kontaktlose veränderbare
Widerstände direkt als Schalter einzusetzen, ist in den praktischen Anwendungsfällen
nur sehr bedingt möglich.
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Es sind zweipolige elektrische MeBschaltungenbekanntgeworden, bei
denen von einem Meßwiderstand mehrere Leitungen zu einem geeigneten Verstärker geführt
werden. Von diesem Verstärker erstrecken sich dann weitere Leitungen zu dem Jeweiligen
Auswertegerät. Der Aufwand dieser Meßschaltungen, insbesondere der Leitungsaufwand
und der Versorgungsaufwand, ist demnach verhältnismäßig hoch. Durch die Verwendung
einer solchen Vielzahl von Leitungen und deren Erfordernisse in der Führung und
beim Anschluß ist eine derartige Meßschaltung neben diesem Aufwand auch stark störungsanfällig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Schaltungsanordnung
der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mithilfe derer die geschilderten Nachteile
der mechanischen Schalter beseitigt werden, also eine eindeutige Aussage über das
Meßergebnis erreicht wird, und ferner der geschilderte große Aufwand der bekannten
elektronischen Meßschaltungen vermieden wird.
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Bs wird hier darauf hingewiesen, daß zur Vereinfachung der Darstellung
für die Beschreibung des Feldeffekttransistors die gleichen Bezeichnungen gewählt
worden sind, wie sie für eine Elektronenröhre üblich sind. Es werden die Elektroden
dieses Feldeffekttransistors daher im folgenden als Kathode, Gitter und Anode bezeichnet.
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Die geschilderte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst,
daß in den Kathodenkreis des Feldeffekttransistors eine oder mehrere den oder die
durch die zu messende Größe veränderbaren Widerstände enthaltende Brückenschaltungen,
ein oder mehrere mit den Eingängen an die Brückendiagonale angeschlossene Differenzverstärker
und ein oder mehrere durch das Ausgangssignal des Jeweils zugehörigen Differenzverstärkers
steuerbare Strompfade in hinsichtlich der Versorgung Parallelschaltung eingeschaltet
sind. Es hat sich geseigt, daß mithilfe einer derartigen elektronischen Schaltungsanordnung
eine zweipolige Schaltung erzielt wird, die sich in Abhängigkeit von einer physikalischen
Große wenigstens annähernd wie ein Schalter verhält und vor allem für ein Fernmess-
und Störmeldesystem eine sehr gute Lösung eines Schalters ergibt. Mithilfe der Schaltungsanmeldung
nach der Erfindung wird erreicht, daß der im Kathodenkreis des Feldt effekttransistors
entstehende Spannungsabfall am Kathodenwiderstand nicht nur als relativ negative
Gitterspannung, sondern gleichreitig sGs 7 sVersorgungsepannungfür diein Parallelschaltung
angeschlossenen weiteren Schaltungen oder Schaltungsgruppen dient, Es übernimmt
der Innenwiderstand der geschilderten Parallelschaltung teilweise oder ganz die
Funktion des im Kathodenkreis liegenden Xathodenwiderstands zur Arbeitspunktstabilisierung
am Feldeffekttransistor mit Sperrechichteingang. Der Innenwiderstand der im Kathodenkreis
liegenden Parallelschaltung ist durch die von der zu messenden Größe veränderbaren
elektrischen Widerstände dadurch beeinflussbar, daß die im Kathodenkreis liegende
Brückenschaltung einen oder mehrere dieser steuerbaren Widerstände aufweist. Die
aus einer Verstimmung der Brückenschaltung resultierende Diagonalspannung der Brückenschaltung
steuert den Differenzverstärker der Parallelschaltung aus und den im Kathodenkreis
liegenden stiuerbaren Strompfad durch. Dadurch fällt der Innenwiderstand der gesamten
im Kathodenkreis liegenden Parallelschaltung, eo daß der Auegangsstrom der Schaltungsanordnung
in Form eines eingeprägten Stromes steigt bzw. die gesamte Zweipolsohaltung gleitend
oder sperrend wird.
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Werden für die durch die zu messende Größe veränderbaren Widerstände
PTC, NTC, Feldplatten, Fotowiderstände, Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen oder ähnliche
Widerstandselemente verwendet* so ergibt sich nach der Erfindung eine Zweipolschaltung,
die in Abhängigkeit vieler physikalischer Größen schalten bzw. Signale-abgeben kann.
Die Lebensdauer, die Betriebesicherheit-und die Zuverlässigkeit sind auch unter
härtesten Umweltbedingungen größer als bei den herkömmlichen Schaltern. Es ergibt
sich eine theoretisch unendliche Lebensdauer für die Schaltungsanordnung nach der
Erfindung. Die Schaltgenauigkeit ist durch die Brückenschaltung bestimmt und daher
stets gewährleistet, Wird eine derartige Schaltungsanordnung im Fühler oder in einem
Meßwertgeber eines Meßgeräts eingebaut, so ergibt sich eine passive zweipolige Schaltung,
die in Abhängigkeit der jeweiligen Meß- oder Eingangsgröße schaltet.
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Wesentlich ist dabei, daß das geschilderte einfache Schaltverhalten
eines mechanischen Schalters hier überwunden wird. Es gestattet die elektronische
Schaltungsanordnung nach der Erfindung den sogenannten Life-Zero-Betrieb mit z,B
einem Stromsignal von 1 bis 5 mA oder vorzugsweise 4 bis 20 mA. Das aus der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung resultierende Stromsignal ermöglicht eine einfache, aber eindeutige
Auswertung der Jeweils zu messenden Größe.
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Ein fehlender Strom, also die Stromgröße 0, zeigt eindeutig an, daß
der Meßkreis gestört ist, z.B. durch eine Leitungsunterbrechung. Die erste Stufe
des Stromflusses, die Stromgröße I bei z.I3. 4 mdl, zeigt an, daß der Meßkreis in
Ordnung ist und sich der 30 gebildete Schalter in einer ersten Schalterstellung
befindet. Im weiteren Stromzustand der Schaltungsanordnung ergibt sich eine Stromgröße,
nämlich die Stromgröße II bei z.B. 20 mA, die eindeutig anzeigt, daß der Meßkreis
sich in Ordnung befindet und der Schalter seine zweite Schalterstellung eingenommen
hat. Bei einer weiteren Stromgröße, z.B. der Stromgröße III mit einer Stromstärke
die z.B. 10 % höher als bei der Stromgröße II ist (z.Bit22 mA) ergibt sich die eindeutige
Aussage, daß der Meßkreis gestört
ist, und zwar durch einen Leitungskurzschluß.
Daraus ergibt sich, daß auf sehr einfache Weise nicht nur die Meßgröße selbst sondern
auch gleichzeitig der Zustand des gesamten Meßkreises überwacht wird.
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Da die Größe des Versorgungsstromes infolge des durch den Feldeffekttransistor
eingeprägten Stromwertes nur durch die Eingangsgröße innerhalb des Arbeitsbereiche
bestimmt ist, wird der Versorgungsstrom gleichzeitig als Signalstrom benutzt. Schwankungen
des Leitungswiderstandes und emperaturänderungen an den Kupferleitungen oder an
den ubergangswiderständen, an Schaltern, Steckern, Klemmleiaten, Schleifringübertragern
o.dgl, sowie induktive Fremdepannung und Spannungsabfälle an langen gemeinsamen
Leitungen haben keinen Einfluß auf die Schaltgenauigkeit und auf das eingeprägte
Stromsignal. Dadurch ist es auch möglich, mehrereelektronische Schaltungsanordnungen
nach der Erfindung, also mehrere geschaffene Zweipolschaltungen, an eine zentrale
Versorgungsspannung anzuschließen. Ferner kann die nach der Erfindung geschaffene
passive Zweipolschaltung als eigensicher angesehen werden und in Verbindung mit
eigensicheren Netzgeräten in explosionsgefährdeten Räumen betrieben werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in Reihe mit der Parallelschaltung
aus Brückenschaltungen, Differenzverstärkern und steuerbaren Strompfaden ein Transistor
eingeschaltet, der in Darlington-Schaltung mit dem Feldeffekttransistor verbunden
ist, Durch diesen zusätzlichen Transistor bleibt der Charakter des Feldeffekttransistors
voll erhalten, es wird jedoch eine zusätzliche Stromverstärkung erzielt, wobei sich
der zusätzliche Transistor so auslegen läßt, daß insgesamt ein Leistungsechalter
gebildet wird.
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Nach einer weiteren Ausführung.form der Erfindung sind die steuerbaren
Strompfade Jeweils aus einem durch den -sugehörigen Differenzverstärker angesteuerten
Transistor und einem mit diesem in Reihe geschalteten Strombegrensungstiderstand
gebildet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere steuerbare
Strompfade parallelgeschaltet und die Strombegrenzungswiderstände jeweils unterschiedlich
bemessen.
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Dadurch wird ermöglicht, daß in der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
zwei physikalische Größen überwacht werden können, die funktionsmäßig zusammengehören,
Die logische Auswertung des Ausgangsstroms der Schaltungsanordnung läßt daher Rückschlüsse
auf den Zustand mehrerer Meßgrößen zu, Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung
sind die Ausgänge der DifferenzverStärker an Jeweils einen digitalen Schaltkreis
und deren Ausgänge an die steuerbaren Strompfade angeschlossen, Besteht der digitale
Schaltkreis z.B, aus einem bistabilen Multivibrator, so kann eine Meßwertüberschreitung
festgehalten werden. Wird dagegen als digitaler Schaltkreis ein monostabiler Multivibrator
verwendet, so kann aus dem Jeweiligen Meßsignal eine Impulsfolge erzeugt werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist. aus dem oder den steuerbaren
Strompfaden über einen Widerstand in die zugehörige Brückenschaltung elektrisch
rückgekoppelt. Dadurch wird ein Hysteresisverhalten der Schaltungsanordnung ersielt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in der BrUckenschaltung
ein weiterer veränderbarer Widerstand eingeschaltet und dieser Widerstand durch
die in einem Strombegrenzungswiderstand eines Strompfades frei-werdende Energie
veränderbar Dadurch wird die besondere Eigenschaft der Sohaltungsanordnung erreicht,
daß die in dem Strombegrenzungswiderstand des zugehörigen Strompfades freiwerdende
Energie dazu' benutzt werden kann, direkt oder indirekt die durch die Meßgröße entstehende
Brückenverstimmungzu beeinflussen, insbesondere zu kompensieren, Es kann dabei die
freiwerdende Wärme energie oder das erzeugte elektromagnetische Feld benutzt werdenFerner
kann eine optische.
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oder mechanisch durch Wärme erzeugte -Einwirkungverwendet werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird die in einem Strombegrenzungswiderstand
eines steuerbaren Strompfades freiwerdende Energie der Meßgröße entgegengesetzt
oder es wird diese Meßgröße kompensiert.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zu der gesamten
Reihenschaltung aus Feldeffekttransistor und Parallelschaltung aus Brückenschaltung,
Differenzverstärker und Strompfad eine Xeistungsstufe parallel geschaltet, die durch
einen Spannungsabfall im Strompfad gesteuert wird. Die parallel geschaltete Leistungsstufe
bildet mit der beschriebenen Reihenschaltung erneut eine elektronische Zweipolschaltung,
so daß auch verhältnismäßig große Leistungen unmittelbar gesehaltet werden kennen.
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Die gesamte Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann in weiterer
Ausbildung in integrierter Technik aufgebaut sein, wodurch sich eine besonders einfache
und in der praktischen Anwendung mit sehr geringem Aufwand behaftete Bauweise ergibt.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigen: Fig, 1 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung der Wirkung
des Feldeffekttransistors mit Sperrschichteingang, Fig. 2 ein Frinzipschaltbild
zur Erläuterung der im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors angeordneten Briickenschaltung,
Fig. 3 das Grundschaltbild der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, Fig. 4 bis
9 Jeweils ein Schaltbild verschiedener Ausführungsformen der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung.
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Wie bereits eingangs ausgeführtworden ist, besteht der Grundgedanke
der Erfindung darin, die bei einem Feldeffekttransistor mit Sperrschichteingang
entstehende relativ negative Gittervorspnnung Uk als Versorgungsspannung für die
im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors liegende Parallelschaltung zu benutzern,
deren mit Ri bezeichneter Innenwiderstand über eine kleine Widerstandsänderung an
seinem durch die Meßgröße veränderbaren Widerstand sich sprunghaft durch die im
Kathodenkreis liegende Parallelschaltung verändert und damit die gesamte zweipolige
Schaltungsanordnung in einen sperrenden Zustand (z.B. mit einem eingeprägten Signalstromvon
4 mA) oder in einen leitenden Zustand (z.B. mit einem eingeprägten Signalstrom von
20.mA) versetzt. Als Beispiel möge hier angeführt werden, daß bei reiner Schalteranwendung
der Strom im sperrenden Zustand in der Größenordnung von 0,1 mA und der Signalstrom
im leitenden Zustand bis 100 mA betragen kann, Bei einem Einsatz als Leistungsschalter
in der noch zu beschreibenden Art kann der Strom im leitenden Zustand sogar bis
ungefähr 3 A betragen.
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Anhand der Fig. 1wird zunächst das hier zugrunde liegende Prinzip
beschrieben. Der-Feldeffekttransistor mit Sperrschichteingang ist mit Ti, der Kathodenwiderstand
mit Rk bezeichnet, In Reihe mit dem Feldeffekttransistor ist bei 1 ein geeignetes
Anseige- oder Auswertegeräteingeschaltet. Der Spannungsabfall am Kathodenwiderstandmit
der Größe Rk x IaJ wobei 1a den Ausgangs- oder Signalstrom bezeichnet, erzeugt die
relativ negative Gittersperrspannung für den Feldeffekttransistor und stabilisiert
über den Arbeitspunkt den Anodenstrom oder Ausgangsstrom Ia.
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Gemäß Fig. 2 ist in den Kathodenkreisdes Feldeffekttransistors eine
Brückenschaltung aus den Widerständen Rk, R2, R3 und R4 eingeschaltet. Ferner ist
mit dem Feldeffekttransistor Tl in Darlington-Schaltung ein weiterer Transistor
T2 verbunden, der zur Stromverstärkung ohne Beeinflussung der Funktion desFeldeffekttransistors
dient.
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Der Widerstand R3 in der Brückenschaltung ist durch die Jeweilige
Meßgröße veränderbar, wie durch den Pfeil xg angedeutet ist.
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Der Kathodeiiwiderstand Rk ist z.B. so groß gewählt, daß ein Grundstrom
von etwa 4 m& fließt. Der Widerstand R2 in der Brückenschaltung dient zur Verdopplung
der im Kathodenkreis liegenden Spannung U2, die gleichzeitig als Versorgungsspannung
für die im Kathodenkreis liegende Brückenschaltung und damit bei den noch zu beschreibenden
Ausführungsbeispielen für die im Kathodenkreis liegenden weiteren Schaltungsteile,
nämlich die gesamte Parallelschaltung, dient. Dis Meßwiderstände R3 und R4 liegen
parallel zu den Widerständen Rk und R2 und bilden mit ihnen die Brückenschaltung.
Durch die gewählte Hochohmigkeit gegenüber den Widerständen Rk und R2 haben sie
keinen direkten Einfluß auf den Grundstrom, jedoch bestimmt die Differenz von B3
und R4 die Diagonalspannung Ud der Brückenschaltung. Es sind hier die folgenden
Gleichungen maßgebend:
Pig. 3 zeigt die Grundschaltung der Schaltungsanordnung nach der
Erfindung. Ti ist wiederum in Darlington-Schaltung mit dem zusätzlichen Transistor
T2 verbunden, um die Steilheizt um die Stromverstärkung von T2 zu erhöhen. Der Transistor
T2 nimmt ferner die volle elektrische Verlustleistung auf. Wie Fig. 3 zeigt, ist
in den Kathodenkreis des Feldi effekttransistors Ti mit seinem verstärkenden Transistor
T2 dine Parallelschaltung eingeschaltet, die aus der bereits beschriebenen Brückenschaltung
aus den Widerständen Rk, R2, R3 und R4, aus einem an die Brückendiagonale angeschlossenen
Differenzverstärker V. und einem durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers
V steuerbaren Strompfad aus dem Transistor T5 und dem Strombegrenzungswiderstand
R5 besteht.
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Die Parallelschaltung ist hinsichtlich der Versorgung dieser drei
Schaltungsteile vorgenommen, wie Fig. 3 deutlich zeigt.
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Der Differenzverstärker V wird von der in Kathodenkreis liegenden
Spannung Us (Fig. 2) versorgt und verstärkt die positive Diagonalspannung Ud (Fig.
2) der Brückenschaltung.
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Die Funktion dieser Grundsehaltwng ist die folgende: Infolge einer
Veränderung des durch die Meßgröße beeinflußten Widerstands R3 in der Brückenschaltung
wird diese Brückenschaltung verstemmt. Mit zunehmender Verstimmung wird der Transisitor
T5 des steuerbaren Strompfades leitend infolge der Steuerung durch den Differenzverstärker
V, Es wird daher der Innenwiderstand Ri der im Kathodenkreis des Feldeffekttransistors
liegenden Parallelschaltung ständig kleiner, und der eingeprägte Signalstrom 1a
steigt entsprechend. Der in dem Strompfad mit dem Transistor T5 in Reihe geschaltete
Strombegrenzungswiderstand R5 begrenzt den minimalen Innenwiderstand Ri der Parallelschaltung
und damitauch den Strom Ia auf den jeweils gewünschten Maximalwert, z.B. auf 20
mA, aufführt daher JedeVerstimmung der aufBrUckenschgltung durch die Meßgröße zu
einer tber£hrung der gesamten Schaltungsanordnung in die leitende Grenzstellung,
hier z.B. 20 sh aus der früheren Grundstellung mit s.B. 4 mA.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform ausgehend von der Grundschaltung
gemäß Fig. 3. Es ist hier der Differenzverstärker V in seinen Bauelementen dargestellt,
braucht jedoch wegen seiner bekannten Bauweise mit seinen einzelnen Bauteilen hier
nicht beschrieben zu werden. Die Brückenschaltung entspricht der gemäß Fig. 2 und
3, ebenso ist wiederum der steuerbare Strompfad aus Transistor 5 und Strombegrenzungswiderstand
R5 der Brückenschaltung und dem Differenzverstärker V versorgungsmäßig parallel
geschaltet, Gemäß Fig. 4 ist aus dem Strompfad 5, R5 über einen Widerstand R7 in
die Brückenschaltung elektrisch rückgekoppelt. Dadurch wird das erwünschte Kippverhalten
beim Schalten der Schaltungsanordnung serbessert, Es bestimmt R7 die Größe der Schalthysteresis.
Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist besonders als Schalter geeignet und schaltet
in Abhängigkeit von der Größe, die den Meßwiderstand R3 oder auch einen als Meßwiderstand
ausgebildeten Meßwiderstand R4 direkt oder indirekt beeinflußt.
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Die Schaltungsanordnung bildet daher eine Kontaktthermometerersatz,
wenn R3 ein temperaturabhängiger Meßwiderstand ist.
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Auch die Fig. 5 entspricht in ihrer Grundschaltung der Ausführung
nach Fig. 3. Werum sind die Brü¢kenschaltung, der Differenzverstärker V und der
durch diesen gesteuerte Strompfad T5, R5 versorgungsmäßigparallel geschaltet innerhalb
des Kathodenkreises des Feldeffekttransistors Ti mit dem mit ihm verbundenen Transistor
Arc2, Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 ist jedoch nicht wie in Fig. 4 eine
elektrische Rückkopplung des steuerbaren Strompfades in die rEckenschaltung vorgesehen,
vielmehr ist der Widerstand R4 der rückenschaltung veränderbar durch die in dem
Strombegrenzungswiderstsnd R5 des steuerbaren Strompfades frei werdende Energie,
wie durch den Pfeil 3 in Pig, 5 angedeutet ist. Es wird dabei die in dem Strombegrenzungswiderstand
R5 frei werdende Energie dazu verwendet, direkt oder indirekt die durch die Meßgröße
entstehende Verstimmung der Brückenschaltung zu kompensieren, Als frei werdende
Energie kann hier unmittelbar
die Wärmeenergie, das erzeugte elektromagnetische
Feld oder auch auf optischem oder mechanischem Weg .die im Strombegrenzungswiderstand
R5 frei werdende Energie ausgenutzt werden. Dabei sind z.B. zwei Fälle möglich:
a) Es sind die Widerstände R3 und R4 der Brückenschaltung veränderliche Meßwiderstände
mit gleicher Eigenschaft, Die durch die Meßgröße erfolgende direkte oder' indirekte
Widerstandsveränderung von R3 steuert den ~ DifferenzveretärkerV aus bis die in
dem Strombegrenzungswiderstand R5 frei werdende Energie direkt oder indirekt auf
den Meßwiderstand R4 der BrUckenschaltung einwirkt und bei annähernd unendlicher
Ereisverstärkung wieder die Nullage hergestellt wird, Es ist dann der Signalstrom
1a der Schaltungsanordnung in dem Schaltungsbereich von z.B. 4 bis 20 mA ein analoges
Stromsignal der EingangsgrdBe bzw, der einwirkenden Meßgröße.
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b) Es wird die in dem Strombegrenzungswiderstand R5 frei werdende
Energie dazu verwendet, die auf den MeBwiderstand R3 oder auch auf den weiteren
veränderbaren Widerstand R4 der Brückenschaltung einwirkende Meß- oder Eingangsgröße
direkt oder indirekt zu kompensieren.
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Auch hier is-t dann der Signal- oder Ausgangsstrom 1a in dem Schaltbereich
ein analoges Stromsignal der Eingangsgröße.
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Die. Schaltungsanordnung nach, Fig. 6 ist aus der Schaltungsanordnung
gemäß Fig, 4 weiter entwickelt. Es enthält nämlich die Schaltungsanordnung gemäß
Fig, 6 in dem Kathodenkreis zwei vollständige Parallelschaltungen gemäß der Schaltungsanordnung
nach Fig. 4. Es sind dabei die Bezugszeichen der zweiten- Parallelsohaltung mit
dem Index'" versehen. Die Besonderheit dieser Schaltungsanordnung liegt darin, daß
durch entsprechende Wahl der Größe des Jeweiligen Strombegrenzungswiderstandes R5
und R52 versohiedene'Strombegrenzungen für die beiden steuerbaren Strompfade vorgesehen
sind, z,B, die in der Zeichnung angegebenen Strombegrenzungen von 5 und 11 mA, die
in ihrer Summe 16 mA ergeben.
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Dadurch wird ermöglicht, daß über die jeweils veränderbaren Widerstände
R3 und R3' in den beiden parallelen Brückenschaltungen zwei physikalische Größen
überwacht werden können, die funktionsmäßig zusammengehören, Es ist dadurch eine
einfache logische Auswertung eines Eingangsstromes für zwei oder auch mehrere Meßgrößen
möglich. Als Beispiel soll folgendes angeführt werden: In einem Kühlwasserkreis
sind zwei zu überwachende Größen vorhanden, nämlich a) die Kühlwassertemperatur
und b) die strömende Wassermenge, Jeweils eine dieser Größen wirkt auf einen der
Widerstände R3 und R3' ein, Entsprechen die Kühlwassertemperatur und die strömende
Wassermenge den vorgesehenen Sollwerten, dann befindet sich die Schaltungsanordnung
in ihrem gesperrten Zustand, der Ausgangsstrom liegt im gewählten AusftUi:ungsbeispiel
auf 4 mA, Uberschreitet die Kühlwassertemperatur dage'gen ihren Sollwert, so steigt
der Ausgangsstrom infolge der Verstimmung der Brücke mit dem Widerstand R3 und der
Steuerung des Strompfades 5, R5 auf z.B. 9 mA, Fällt jedot die strömende Wassermenge
unter ihren Sollvert, dann steigt der Ausgangsetrom durch Verstimmung der Brückensehaltung
mit dem Meßwiderstand R31 und die Steuerung des Strompfades 5', R5' auf den Wert
15 mA. Überschreitet die Kühlwassertemperatur ihren Sollwert und fällt gleichzeitig
die strömende Wassermenge unter ihren Sollwert, so steigt der Ausgangs strom 1adurch
die Veränderung beider BrUckenschaltungen und beider steuerbarer Strompfade von
4 auf 20 mA gemäß den gewählten Werten. Es ist hierdurch die Möglichkeit der einfachen
logischen Auswertung eines Signalstromes für zwei oder auch mehrere Meßgrößen möglich
Im letzteren Fall sind dann weitere vollständige beschriebene Parallelsohaltungen
in den Kathodenkreis einzubringen.
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Eine weitere Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
zeigt die Fig. 7, Diese S¢haltungsanordnung geht prak;tißch aus der Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 4 hervor. Die in Fig, 7 dargestellte Schaltungsanordnung
enthält
in dem Kathodenkreis des Feldeffekttransistors T1 mit seinem Transistor ?2 eine
einzige Brückenschaltung aus den Widerständen Rk, 22, R3 und R4, Die Brückendiagonale
ist in diesem Fall jedoch an zwei gesonderte Differenzverstärker V und V' sowie
an die diesen nachgeschalteten steuerbaren Strompfade T5, R5 und T5', R5' angeschlossen,
woraus sich die gesamte Parallelsohaltung innerhalb des Kathodenkreises ergibt.
Es sind hier jedoch über die beiden Strombegrenzungswiderstände R5 und 258 die gleichen
Strombegrenzungen von z,3. jeweils 8 mA gewählt. Dadurch wird ein weiteres Strom-Signal
bei einer bestimmten Stromstärke, z,3. 12 mA, ermöglichst. Es kann hier mithilfe
der Schaltungdanordnung nach der Erfindung eine Grenzwertanzeige oder -regelung
ermöglicht werden. Dabei liegt ein unterer Grenzwert bei der im Schaltbereich eingeführten
Stromstärke des Ausgangsstroms 1a von z. B. 12 mA und ein oberer Grenzwert bei der
Stromstärke des leitenden Zustandes, z.3.,also bei 20 mA.
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Eine weitere Abwandlung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung
zeigt Fig. 8. Hier ist von der Grundform gemäß Fig, 4 ausgegangen worden. Es finden
sich die entsprechenden Elemente der 3rückenschaltung, des Differenzverstärkers
V und des steuerbaren Strompfades T5, R5. Es ist hier jedoch an den Ausgang des
Differenzverstärkers zunächst ein Strom pfad aus dem Transistor T6 und dem Begrenzungswiderstand
R9 angeschlossen. Dieser Strompfad hat Jedoch nur einen Einfluß auf die Kreisverstärkung
und das Kippverhalten dieser Stufe, der eigentliche steuerbare Strompfad ist wiederum
durch den Transistor T5 und den Strombegrenzungswiderstand R5 gebildet.
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Der Ausgang des Differenzverstärkers V ist bei dieser Ausführungsform
Jedoch über den Strompfad T6, R9 an einen digitalen Scbaltkreis D angeschlossen,
dessen Ausgang wiederum an den steuerbaren Strompfad T5, R5 angeschlossen ist.
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Die -Schaltungstechnik ist klar aus Fig. 8 ersichtlich.
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Bei der-der Veränderung der Meßgröße entsprechenden Veränderung des-
Widerstands R3 der Brückenschaltung wird eine positive Spannungsflanke erzeugt,
die den digitalen Schaltkreis D-und-darauf hin den Transistor T5 des steuerbaren
Strompfades,schaltet.
Die weitere Funktion dieser Schaltungsanordnung entspricht der anhand Fig. 4 beschriebenen.
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Hier sind zwei einfache Ausführungen möglich.
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Ist der digitale Schaltkreis D z.3. als ein monostabiler Multivibrator
ausgebildet, so entsteht bei jedem Durchschalten der Schaltung ein definierter Stromimpuls.
Der daraus resultierende arithmetische Mittelwert des Ausgangsstromes oder Signaistromes
Ia steigt mit der Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit linear an, Ist z. 3. der Meßtiderstand
R3 eine Feldplatte in einem rotierenden oder pulsierenden Magnetfeld, so ist der-
Ausgangs- oder Signalstrom 1a eine Funktion der Drehzahl oder der Impulse Je Zeiteinheit.
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Ist der digitale SehaltkreiS D dagegen z,B. als bistabiler Multivibrator
ausgebildet, so erfolgt ein einmaliger Schaltvorgang bei der Überschreitung des
Jeweils vorgegebenen Sollwertes. Die hier geschaffene zweipolige Schaltungsanordnung
speichert diesen Schaltvorgang und ermöglicht damit eine Grenzwertabschaltung oder
eine Grenzwertsignalisierung sowie eine Störwertspeicherung.
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Fig. 9 zeigt im Schaltbild eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung
nach der Erfindung, die als Leistungsschalter verwendet werden kann. Es entspricht
zunächst der im linken Teil der Fig. 9 mit dünnen Linien dargestellte Schaltungsteil
der Grundform nach Fig. 4 ohne den zusätslichen Transistor !2. Ferner ist der Strompfad
mit dem Transistor T6 und den Widerständen R91 entsprechend Fig. 8 zu betrachten.
An diesen Schaltungsteil ist in der dargestellten Weise eine Leistungsstufe mit
den Transistoren T1 parallel angeschlossen. Insgesamt ergibt sich erneut eine zweipolige
Schaltungsanordnung, Über die Spannung U7 an den WiderstandenR9' wird der auf der
rechten Seite der Fig. 9 in fetten Linien dargestellte Leistungsschaltkreis gesteuert.
Der Spannungsabfall Uarc am Leistungsschaltkreis wird durch die Zenerdioden D1 und
D2 -erhöht, damit auch bei durchgeschalteter Leistungsstufe noch die volle Versorgungsspannung
Us für die im Kathodenkreis liegende
Parallelschaltung und Steuerspannung
vorhanden ist.
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Aus der vorstehenden Betrachtung der AusfUhrungsbeispiele ergibt
sich, daß die Größe des Versorgungsstroms für die gesamte jeweilige zweipolige Schaltungsanordnung
nur durch die Meßgröße über die Verstimmung der Brückenschaltung innerhalb des jeweiligen
Arbeitsbereichs der Schaltungsanordnung bestimmt ist, so daß der Versorgungsstrom
Ia zugleich als Signalstrom benutzt werden kann. Es Iaa ergibt sich Je-nach Qnsendungs-
und Meßfall ein definierter Schaltzustand der Schaltungsanordnung entsprechend einer
Schalterstellung, zugleich aber wird eine eindeutige Bestimmung der Schalterstellungen
unter Ausschluß von.
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Leitungestörungen ermöglieht, Die Sehaltungsanordniang nach der Erfindung
erlaubt in der mehrfach beschrietenbn Weise die Anzeige oder Darstellung von Zwischengrößen,
Grenzwerten oder Grenzwertüberschreitungen sowie auch die analoge Darstellung einer
einzigen oder mehrerer miteinander verknüpfter Meßgrößen.
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Zweckmäßig ist die gesamte Schaltungsanordnung nach der Erfindung
in integrierter Technik aufgebaut, um eine möglichst normierte Vorfertigung und
einfache Montage für die jeweiligen Anwendungsfälle zu erlauben,