DE2046140A1 - Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspannungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer EingangsspannungenInfo
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Description
Patent anm e1dung
Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspannungen
Zuaata zu Battat
>...... (Patentanmeldung P 19 63 150.2)
Bas Hauptpatent ....... (Patentaneeldung P 19 6 3 130.2) betrifft
eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer Eingangsspannungen, bei welcher die Eingangsspannungen über
Widerstandszweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufgeschaltet
sind, an welchem die Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher die Widerstandszweige in Abhängigkeit
▼on der Differenz zwischen der Ausgangsspannung an dem Lastwiderstand
und der zugehörigen Eingangsspannung derart gesteuert ist, daß diese Eingangsapannung unterdrückt wird, wenn
sie um mehr als ein vorgegebenes Maß von der Ausgangsspannung
abweicht. Solche Schaltungsanordnungen dienen dazu, bei redundanten Systemen aus den verschiedenen Meß- oder Steuersignalen
einen Mittelwert zu bilden, wobei "aus dem Rahmen fallende" Signale unterdrückt werden. Dae Hauptpatent strebt an, eine
solche Unterdrückung von "aus dem Rahaen fallenden" Eingangespannungen
kontaktlos zu bewirken. Dae wird nach dem Hauptpatent
dadurch erreicht, daß die Widerstandszweige mit HaIb-
-2-
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20A6U0
leitergliedern aufgebaute, spannungsabhängige Zweipole enthalten,
deren Widerstand oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird. Unterhalb dieser Spannungeschwelle ist bei
der Anordnung nach dem Hauptpatent der Widerstandswert der einzelnen Widerstandszweige möglichst klein.
Die im Hauptpatent (Patentanmeldung P 19 63130.2)
beschriebenen Ausführungsformen bringen insofern Probleme
mit sich, als bei einer plötzlichen Änderung eines der Eingangssignale, wenn also die Spannung an dem betreffenden
Zweipol die Spannungsschwelle plötzlich überschreitet und ^ damit dieser Widerstandszweig praktisch abgeschaltet wird,
f am Ausgang der Schaltungsanordnung ein Signalsprung auftritt, dessen Amplitude maximal den Wert der Differenz der beiden
verbleibenden intakten Signale annehmen kann. Solche Signalsprünge
können beispielsweise bei einem Flugregler höchst
unerwünschte und gefährliche folgen haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungs anordnung der eingangs erwähnten Art gefährliche Signalsprünge
der geschilderten Art zu verringern.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es bei solchen Schaltungsanordnungen zur Mittelwertbildung erforderlich ist,
|| die spannungBabhängigen Zweipole in bestimmter Weise zu dimensionieren.
Demgemäß wird die erwähnte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Bpannungsschwelle
ist, wenn η die Anzahl der Eingänge bzw. Widerstandszweige und 4U die Toleranz für den bei einer Störung in einem Kanal
maximal auftretenden Signalsprung ist, und daß der Widerstand
H jedes Zweipols unterhalb der Spannungβachwelle einen end-
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2046H0
lichen Wert von etwa
üo
R =
I.
besitzt, wobei I der verlangte maximale Ausgangsstrom der
Schaltungsanordnung ist.
Die Erfindung ist nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert:
Figur 1 illustriert die verwendete Grundschaltung
für η Eingangssignale.
., "- : - ' v. ·;;. * - *■*·*.■-Figur
2 zeigt die "Kennlinie eines-sp&rmungs-
abhängigen Zweipols von Figur 1.
Figur 3 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnungen für drei Eingangssignale
und drei Ausgangssignale.
Figuren 4a bis 4c
zeigen die Ausgangsspannungen an den drei Ausgängen von Figur 3 in Abhängigkeit
von der Abweichung der Eingangsspannung an einem der Eingänge.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines spannungsabhängigen Zweipols nach
der Erfindung.
Figur 6 zeigt eine andere Ausführungsform eines spannungsabhängigen Zweijiols und
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines spannungsabhängigen Zweipols.
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-A-
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Figur 1 zeigt die verwendete Grundschaltung für η Eingangssignale. Bei dieser Schaltung werden die Eingangssignale U1
bis U über spezielle Zweipole Ζχ bis Zn auf einen gemeinsamen
Ausgangspunkt A zusammengeführt. Damit die dargestellte Grundschaltung funktionsrichtig arbeitet, müssen die
Zweipole die in Figur 2 dargestellte Kennlinie besitzen. Die Kennlinie zeigt, daß die Zweipole spannungsabhängig sind.
Bei einer am Zweipol anliegenden Spannung
U / U
z^o
z^o
soll der Zweipolwiderstand
= Xt
= Xt
sein.
Bei einer am Zweipol anliegenden Spannung
soll hingegen der Strom durch den Zweipol auf den Wert
1S = 1O
begrenzt sein.
Die Zweipolschaltung TJ0 wird durch die zulässige Signalabweichung
Δ U der Eingangsspannungen bestimmt. Für den Strom
IQ gilt, daß er größer als der verlangte maximale Ausgangsstrom
der Schaltungsanordnung sein muß. Aus diesen Angaben errechnet sich der Widerstand
-5:
In Figur 3 ist eine vollständige Schaltungsanordnung für drei Eingangs- bzw. Ausgangssignal U1, U2, U5 bzw. UA1
UA2, UA5 dargestellt. In diesem Fa wird die unter Figur 1
dargestellte Grundschaltung mit drei Eingängen E1, E2, E-,
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Λ" 20Α6Η0
versehen und dreimal verwendet, um drei Ausgänge A1, A2,
A, zu erhalten. In Figuren 4a, 4b und 4c sind die drei Ausgangsspannungen U.1 UÄ9, U., in Abhängigkeit von der
Eingangsspannungsabweichung ΔU. dargestellt.
Festgelegt wurde, daß bis zur Signalabweichung AU die
Zweipole den Widerstand R besitzen. Aus dieser Bedingung ergibt sich U . Es ist unter der Voraussetzung U1 = U + /\JJ;
U, = U, = U
U. = 2/3
5 U0
Für η Eingänge ergibt sich UQ = n~
Figuren 4a bis 4c zeigen, daß die Ausgangssignale der
Schaltungsanordnung bis zu einer Signalabweichung von identisch sind. Überschreitet die Signalabweichung den Wert
am Eingang E1, dann werden die Ausgangssignale U^1,
UA2 und ^A"? Ton *nr niclrt menr beeinflußt. Die maximale
Signalabweichung an den Ausgängen A1, A2, A, aufgrund der
Signalabweichung am Eingang E1 beträgt
Da die Schaltung bezüglich Eingang und zugehörigem Ausgang immer gleich aufgebaut ist, erhält man für die beiden anderen
Eingänge die identischen Ergebnisse. <(
Die vorausgegangenen Betrachtungen wurden ohne last durchgeführt.
Der zulässige Laststrom beträgt maximal IQ. Er bewirkt
an den Ausgängen eine Ausgangssignalverschiebung um maximal 0,5 Un.
-6-
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Zur !Realisierung der angegebenen Zweipole können herangezogen
werden:
1. Kaltleiter
Bin Kaltleiter ist ein temperaturabhängiger Widerstand, der
unterhalb der Curie-Temperatur sehr niederohmig ist und oberhalb der Curie-Temperatur einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten
besitzt. Man kann den Widerstand eines Kaltleiters mit Hilfe des durch ihn fließenden Stromes verändern.
Da die Widerstandsänderung auf dem Umweg über die Temperatur erfolgt, beeinflußt auch die Umgebungstemperatur
den Knickpunkt der Kennlinie. Es empfiehlt sich daher, eine Stabilisierung der Umgebungstemperatur vorzunehmen. Um den
Widerstand R des Zweipols definiert einstellen zu können, muß in Reihe zum Kaltleiter ein Abgleichwiderstand R.gelegt
werden.
2. Schaltungsanordnungen mit Feldeffekttransistoren
Mit einem symmetrischen Feldeffekttransistor FT1 kann die in
Figur 5 dargestellte Schaltung realisiert werden, bei welcher jeder Widerstandszweig als spannungsabhängigen Zweipol einen
symmetrischen Feldeffekttransistor mit einem Paar von vor- und nachgeschalteten Widerständen Rj, enthält, dessen Basis
über Dioden (D1, D2) mit den freien Enden der Widerstände
verbunden ist, und einen mit dieser Schaltung in Serie liegenden Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderstands
R. Sie besitzt ebenfalls die erforderliehe Kennlinie. Der niederohmige Bereich wird hier im wesentlichen von
den Eigenschaften des Feldeffekttransistors FT1 bestimmt. Zur Einstellung des erforderlichen Widerstandes R wird ebenfalls
ein Abgleichwiderstand R^ herangezogen. Die Einstellung
der Strombegrenzung IQ wird mit den Widerständen R? durchgeführt.
Vorteilhaft werden Feldeffekttransistoren mit nie-
-7-209815/0509
drigem Bahnwiderstand (r^ Qn) und kleiner "Pinch-Off"
Spannung verwendet.
Eine weitere Schaltung mit Feldeffekttransistoren zeigt Figur 6, bei welcher jeder Widerstandszweig ein Paar von
-antiparallel geschalteten Feldeffekttransistoren (FT2, FT3
enthält, wobei das Gitter jedes Feldeffekttransistors über einen Widerstand R-r, mit der Kathode des anderen verbunden
ist und in Reihe mit dieser Schaltung ein Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderstandes R angeordnet
ist. Hier wird der Strom In mit den Widerständen R13,*
O JT
der Widerstand R mit dem Widerstand R^ eingestellt.
5. Schaltungen mit Operationsverstärkern
Will man sehr genaue Werte für R und IQ erzeugen, dann empfiehlt sich die Verwendung von Vierpolschaltungen, deren
Übertragungscharakteristik derjenigen der Zweipole entspricht. In diesen Schaltungen werden vorzugsweise Operationsverstärker
eingesetzt. Ein Beispiel für eine solche Schaltung zeigt Figur 7, bei welcher die Widerstandszweige je einen Operationsverstärker
V enthalten, in dessen Ausgangskreis ein erster spannungsabhängiger Widerstand R liegt, dessen Wert oberhalb
der Spannungaschwelle sehr groß wird, und ein zweiter Widerstand R^ in der Gegenkopplung sowie einen mit der Ver- |
Stärkerschaltung in Reihe liegenden Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderstandes R. In dieser Schaltung
wird für die Strombegrenzung im wesentlichen die in Figur 5 dargestellte Schaltung mit R^, FT1,, D1,, D2,, jedoch ohne den
Abgleichwiderstand R^, verwendet.
Es sind natürlich auch andere Schaltungsanordnungen zur Strombegrenzung bekannt, die hier verwendet werden können.
-8-
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2046HQ
Voraussetzung ist, daß die Strombegrenzung bipolar wirksam ist. Die Gegenkopplung des Verstärkers wird nach der
Strombegrenzungsschaltung am Punkt P abgegriffen und über den Gegenkopplungswiderstand IU auf den Summenpunkt des Verstärkers
geführt. Das Eingangssignal gelangt über den Eingangswiderstand RE ebenfalls auf den Summenpunkt. Infolge
der Gegenkopplung ist der Quellwiderstand an Punkt P, wenn der Verstärker auf seiner Kennlinie betrieben wird, sehr gering
und kann vernachlässigt werden. Der Quellwiderstand an Punkt A der Anordnung wird dann nur vom Widerstand R-bestimmt, der
Punkt P mit Punkt A verbindet. Der Widerstand kann damit entsprechend den Erfordernissen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gewählt werden und entspricht in der Regel dem Widerstand R des Zweipols.
Zu erwähnen ist noch hierzu, daß die Beschaltung des Operationsverstärkers
weitgehend frei gewählt werden kann. Es können somit auch spezielle Frequenzgänge realisiert werden.
.Q—
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Claims (2)
- Patentansprücheί 1 .,/Schaltungsanordnung zur Bildung des Mittelwertes mehrerer ' Eingangsspannungen, bei welcher die Eingangsspannungen über Widerstandszweige auf einen gemeinsamen Lastwiderstand aufgeschaltet sind, an welchem die Mittelwert-Ausgangsspannung abfällt, und bei welcher die Widerstands zweige mit Halbleitergliedern aufgebaute spannungsabhängi ge Zweipole enthalten, deren Widerstand oberhalb einer Spannungsschwelle sehr groß wird, nach Patent .... (Anmeldung P 19 63 130.2), dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsschwelleist, wenn η die Anzahl der Eingänge bzw. Widerstandszweige und Λυ die Toleranz für den bei einer Störung in einem Kanal maximal auftretenden Signalsprung ist und daß der Widerstand R jedes Zweipola unterhalb der Spannungsschwelle einen endlichen Wert τοη etwa Ubesitzt, wobei IQ der verlangte maximale Ausgangsstrom der Schaltungsanordnung ist.
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstandszweig als spannungsabhängigen Zweipol (Z) einen symmetrischen Feldeffekttransistor mit einem Paar von vor- und nachgeschalteten Widerständen (Ry) enthält, dessen Basis über Dioden (D1, Bp) mit den freien Enden der Widerstände verbunden ist, und einen mit dieser Schaltung in Serie liegenden Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gresamtwiderstands R.-10-209815/0509/öSchaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstandszweig ein Paar von antiparallel geschalteten Feldeffekttransistoren (FT2, PT3) enthält, wobei das Gitter jedes 'Feldeffekttransistors über einen Widerstand (Hj,) mit der Kathode des anderen verbunden ist und in Reihe mit dieser Schaltung ein Ausgleichswiderstand R. zur Erzielung des Gesamtwiderständea R angeordnet ist.Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandszweige je einen Operationsverstärker (Y) enthalten, in dessen Ausgangskreis ein erster spannungsabhängiger Widerstand (RQ) liegt, dessen Wert oberhalb der S.pannungsschwelle sehr groß wird, und ein zweiter Widerstand (R„) in der Gegenkopplung sowie einen mit der Verstärkerschaltung in Reihe liegenden Ausgleichswideretand R^ zur Erzielung des Gesaatwiderstandea R.209815/0509ι Λ1 · j.Lee rseite
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