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"Anordnung zur fehlerarmen Messung von Strömen bei kleinen Spannungen
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur fehlerarmen Messung von Strömen bei kleinen
Spannungen unter Verwendung eines Operationsverstärkers.
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Das Problem der fehlerarmen Messung ergibt sich grundsätzlich durch
die Aufgabenstellung, einen Strom bei möglichst geringem Spannungsverlust in dem
verwendeten Strommeßgerät zu messen, um dadurch auch eine in dem betreffenden Stromkreis
bestehende Spannung, sei es, daß sie eingeprägt ist oder als Spannungsabfall an
einem Widerstand infolge des Stromes sich darstellt, möglichst fehlerfrei messen
zu können, wenn in diese Spannungsmessung das Strommeßgerät einbegriffen wird.
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In der elektrischen Meßtechnik wurde dieses Problem mit Hilfe von
Kompensationsverfahren gelöst (vgl. z. B. Schwerdtfeger "Elektrische Meßtechnik,
Teil I, Winter'sche Verlagshandlung Füssen, Seite 21). Es wird hierbei unter Verwendung
eines Nullindikators eine Vergleichsmessung mit einem Normal durchgeführt, z. B.
einen Normalstrom aus einer besonderen
Stromquelle bei der Messung
von Strömen.
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Ferner ist es üblich, einen Strom aus dem Spannungsabfall an einem
Strommeßwiderstand (Shunt) unter Verwendung eines Operationsverstärkers zu messen,
wofür ein niederohmiger Meßwiderstand vorgesehen wird. Der Operationsverstärker
dient hierbei dazu, um die nur geringe Meßspannung ausneichend zu verstärken. Da
aber diese Meßspannung eine hinreichende Größe haben muß, wird diese Strommessung
auch nicht hinreichend fehlerfrei. Außerdem bereitet die Meßbereich-Umschaltung
des Operationsverstärkers Schwierigkeiten.
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Es liegtder Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung
zur fehlerarmen Messung von Strömen bei kleinen Spannungen, bei der ein Operationsverstärker
verwendet ist, zu schaffen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß diese
Anordnung als Vierpol mit zwei Eingangs- und zwei Ausgangsanschlüssen in bekannter
Weise ausgebildet ist, und daß ein Eingangsanschluß mit dem invertierenden und ein
Eingangsanschluß mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden
ist, und der invertierende Eingang in bekannter Weise über einen Rückführwiderstand
mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und einem Ausgangsanschluß verbunden ist.
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Ferner ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung zum Schutz dieser
Anordnung gegen einen etwa auftretenden unerwünscht großen Strom mindestens eine
Halbleiterdiode zwischen dem invertierenden und dem nichtinvertierenden Eingang
des Operationsverstärkers geschaltet, die in der Richtung des zu messenden Stromes
gepolt ist.
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Zur Erweiterung des Strommeßbereiches der Meßanordnung ist gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung dem Ausgang des Operationsverstärkers ein Verstärker
nachgeschaltet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Figuren
1 bis 3 näher beschrieben.
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In der Fig. 1 ist eine Anordnung zur Messung des Zündbereiches von
Thyristoren unter Verwendung eines Operationsverstärkers innerhalb eines gestrichelt
umgrenzten Blockes gezeichnet dargestellt. Es soll mit diesem Block B angedeutet
werden, daß die Anordnung ein Strommeßgerät bildet. Die Anordnung ist ein Vierpol
mit zwei Eingangsanschlüssen 1 und 2 für den Zündstromkreis und zwei Ausgangsanschlüssen
3 und 4, an denen ein in mA geeichtes Voltmeter 11 angeschlossen ist. Die Anordnung
enthält einen Operationsverstärker 0, von welchem der invertierende Eingang 5 mit
dem Anschluß 1, der nichtinvertierende Eingang 6 mit dem Anschluß 2 und der Ausgang
7 mit dem Anschluß 3 verbunden ist. Der Ausgang 7 des Operationsverstärkers ist
mit dem invertierenden Eingang 5 über einen Rückführwiderstand 8 verbunden. Des
weiteren sind der Eingangsanschluß 2 und der Ausgangsanschluß 4 miteinander direkt
verbunden. Außerdem sind noch die beiden Eingänge 5 und 6 des Operationsverstärkers
über eine Antiparallelschaltung von zwei Halbleiterdioden 9 und 9' miteinander verbunden.
Zwei weitere Anschlüsse für die Gleichstromversorgung des Operationsverstärkers
sind mit + und - bezeichnet.
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Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung als Strommeßgerät können Ströme
von der Größenordnung mA, wie z. B. der Strom 1z im Zündstromkreis der Thyristoren
Thr, nahezu fehlerfrei, d. h. mit einem vernachlässigbar geringen Spannungsabfall
zwischen den Anschlüssen 1 und 2, gemessen werden und an dem Voltmeter 11 abgelesen
werden.
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Die Arbeitsweise des Operationsverstärkers mit dem Rückführwiderstand
8 ist bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Bei der beschriebenen
Schaltungsanordnung bewirkt sie, wie ersichtlich, zusammen mit dem Rückführwiderstand
8, daß infolge der im Betriebs zustand verschwindend geringen Spannungsdifferenz
zwischen den Eingängen des Verstärkers 0 auch der Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen
1 und 2, welcher durch den Zündstrom Iz verursacht wird, praktisch verschwindet.
Dieser ist abhängig von der Auslegung des Operationsverstärkers -und von der Bemessung
des Rückführwiderstandes 8 und kann z. B. kleiner 0,1 mV sein. Es kann daher die
Messung der Zündspannung Uz über der Zündstrecke des Thyristors durch die Strommessung
praktisch nicht verfälscht werden.
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Dieser Spannungsabfall ist um so mehr zu vernachlässigen, je größer
die dem Stromkreis des zu messenden Stromes eingeprägte Spannung wird. Ist die Spannung
aber verhältnismäßig groß, dann ist damit die Möglichkeit gegeben, daß der Strom
unzulässig weit ansteigen kann. Als Schutz der beschriebenen Anordnung gegen einen
etwa auftretenden Überstrom dient eine Antiparallelschaltung von zwei Halbleiterdioden
9, 9', über welche die zwei Eingänge 5 und 6 des Operationsverstärkers miteinander
verbunden sind. Tritt ein Überstrom auf, so nimmt jeweils die in der Durchlaßrichtung
gepolte Halbleiterdiode diesen Strom auf und bildet für den Widerstand 8 und den
Verstärker 0 einen Nebenschluß, wobei nur eine Spannung von ca 1 Volt zwischen den
Eingängen bestehen kann.
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In der Fig. 1a ist noch angedeutet, daß dem Ausgang des Operationsverstärkers
0 bedarfsweise ein Verstärkerelement 10 (z. B. Transistor) mit seinem Steuereingangsstromkreis
nachgeschaltet werden kann, wenn die zu messende Stromstärke größer als der maximale
Ausgangsstrom des Operationsverstärkers 0 ist, wobei der Verstärker-Ausgang über
einen Rückführwiderstand 8 mit dem Eingang 5 des Operationsverstärkers 0 verbunden
ist. Das in Stromstärken
geeichte Voltmeter 11 wird dann an den
Ausgang des Verstärkerelementes angeschaltet. Bei einer Meßanordnung mit nachgeschaltetem
Verstärker ist der Strommeßbereich entsprechend dem Verstärkungsgrad erweitert.
Ein jeweils gegebener Strommeßbereich läßt sich überdies durch Veränderung des Rückführwiderstandswertes
noch verändern Mit der Anordnung gemäß der Erfindung können auch Wechselströme Iw
gemessen werden, wobei ein Wechselspannungsmesser 11 verwendet wird.Fig. 2 zeigt
eine entsprechende Anordnung, bei welcher dem Operationsverstärker 0 einVerstärker
11 mit zwei Transistoren in Gegentaktschaltung mit den Steuereingangsstromkreisen
nachgeschaltet ist. Der Rückführwiderstand 8 ist in Stufen verstellbar mittels eines
Stufenschalters. Es liegt an dem Stufenschalter bei Verwendung eines nachgeschaltetenn
Verstärkers 11 eine weitaus höhere Spannung als ohne Verstärker, so daß die Verstellung
des Widerstandes 8 viel mehr betriebssicher wird.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung ermöglicht eine sehr genaue Messung
der Durchlaß-Kennlinie ID, UD kleiner Gleichrichterdioden D und zwar auch im mVolt-Meßbereich.
In Figur 3 ist eine dafür geeignete Schaltung zur oszillographischen Messung dargestellt,
bei der dem Operationsverstärker O für die Strommessung
ein Verstärkerkanal Y des verwendeten Oszillographen Osz nachgeschaltet ist.