-
Schaltungsanordnung zur Gewährleistung der Eigensicherheit an Verstärkern
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Gewährleistung der Eigensicherheit
an Verstärkern, bei denen die Einspeisung des zu verstärkenden Signals zwischen
dem elektronischen Eingang des Verstärkers und einem Abgriff eines zwischen dem
verstärkten invertierten Signal und Masse geschalteten Spannungsteilers erfolgt,
unter Verwendung von Antiparallelschaltungen aus Siliziumdioden und Antireihenschaltungen
aus Z-Dioden als spannungsbegrenzende Mittel in Verbindung mit strombegrenzenden
Schutzwiderständen.
-
Stromkreise., die aen bestehenden Vorschriften entsprechend so dimensioniert
sind, daß sie weder im Betriebszustand noch bei Störungen irgendwelcher Art, wie
z. B. Leitungsbruch, Kurzschluß oder Überspannungen aus angeschlossenen Geräten,
eine Zündung explosionsfähiger Gemische durch Funken oder Wärmeentwicklung hervorrufen
können, besitzen die
Schutzart "eigensichert'.
-
In großer Anzahl sind eigensichere Stromkreise für die Meßwerterfassung
bei der Automatisierung explosionsgefährdeter Prozesse erforderlich. Insbesondere
sind geeignete Maßnahmen notwendig, von Meßwertgebern und ihren Zuleitungen in explosionsgefährdeter
Umgebung unzulässig hohe Spannzungen fernzuhalten, die bei Störungen innerhalb der
nachgeschalteten Verstärker auf deren Eingangsklemmen und damit zu den Meßwertgebern
gelangen können.
-
Bekannte Schaltungsanordnungen, die die Eigensicherheit gewährleisten,
benutzen je nach der Höhe der zu verarbeitenden Spannungen Silizium- oder Z-Diodenkombinationen
als Antiparallel- oder Antireihenschaltung im Querzweig zusammen mit geeigneten
Strombegrenzungswiderständen im Längszweig der abzuriegelnden Stromkreisabschnitte,
Weitere bekannte Schaltungsanordnungen sind zur Lösung anderer Aufgabenstellungen,
nämlich als Überlastungsschutz für Verstärke; entstande. Sie erfüllen zwar mehr
oder weniger auch die Anforderungen, die an die EigePsicherheit der angeschlossenen
Meßkreise gestellt werden, sie sind dann jedoch nicht in der Lage, gleichzeitig
die ebenso wichtigen Forderungen nach einem hohen und linearen Verstärkereingangswiderstand
zu erfüllen.
-
Dieser Nachteil haftet insbesondere den bekannten Schaltungsanordnungen
an, die eine Antiparallelschaltung zweier Siliziumdioden von der Verstärkereingangsklemme
nach Masse oder bei Differenzverstärkern
von beiden Eingangsklemmen
nach Masse bzw. von ihrem positiven zu ihrem negativen Eingang boilalten.
-
Es ist auch eine Anordnung bekannt, die antiparallele Dioden von der
Eingangsklemme des Verstärkers über eine Vorspannung zu einem Gegenkopplungszweig
schaltet. Diese Anordnung erfüllt zwar die dort gestellte Aufgabe, bei Aufrechterhaltung
eines hohen Einganges widerstandes den Verstärkereingang gegen Überlastung zu schützen,
sie gewährleistet jedoch wegen der Anschaltung der Dioden an einen Geenkopplungszweig
keine Eigensicherheit.
-
Beide Forderungen, sowohl die der Eigensicherheit als auch die eines
extrem hohen Verstärkereingangswiderstandes konnten bisher nur dadurch erreicht
werden, daß nicht der Verstärker selbst, sondern daß seine Stromversorgung eigensicher
ausgeführt wird. Damit sind jedoch nachteiligerweise der Dimensionierung des Verstärkers
starke Beschränkungen auferlegt. Neben der ungünstig niedrigen Betriebsspannung
dürfen insbesondere keine größeren Energiespeicher innerhalb des Verstärkers eingesetzt
werden.
-
Die Erfindung bezweckt, bei Gewährleistung der Eigensicherheit der
an den Verstärker angeschlossenen Signalstromkreise die Herabsetzung des Verstärkereingangswiderstandes
durch die die Eigensicherheit Dewirkenden Schaltelemente vernachlässigbar zu machen:
und dabei eine Beschränkung der VerstarkerdimensSnierung auszuschließen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Verstärker mit hohem
Eingangswiderstand eine SchaltungsanorQnung zu schaffen, die die Eigensicherheit
der an den Verstärker angeschlossenen Signalstromkreise und zusätzlich-einen Überlastungsschutz
des Verstärkereinganges gewährleistet.
-
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Verstärker, bei dem
die Einspeisung des zu verstärkenden Signals zwischen dem elektronischien Eingang
des Verstärkers und dem Abgriff eines zwischen verstärktem invertiertem Signal und
Nullpotential geschalteten Spannung teilers erfolgt, erfindungsgemäß zwischen elektronischem
Eingang des Verstärkers und Nullpotential eine oder mehrere an sich bekannte Antiparallelschsltungen
aus Siliziumdioden in Verbindung mit einem strombegrenzenden Schutzwiderstand und
daß parallel zum Spannungsteiler eine oder mehrere an sich bekannte Antireihenschaltungen
aus Z-Dioden ebenfalls in Verbindung mit einem Schutzwiderstand geschaltet sind.
Außerdem kann ein weiterer Schutzwiderstand zwischen Eingangsklemme und Antiparallelschaltung
eingefügt werden, um zusätzlich eine Überlastung des Verstärkers zu verhindern.
Die Durchbruchspannungen der Z-Dioden der Antireihenschaltung können den vorhandenen
Betriebs- und Signalspannungen entsprechend unterschiedliche Werte aufweisen. Als
Verstärker kann sowohl ein unsymmetrischer Verstärker als auch ein Differenzverstärer
verwendet werden, dessen invertierender Eingang mit dem eingespeisten Signal und
dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Nullpotential verbunden ist.
-
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden.
-
In den zugehörigen Zeichnunben zeigen: Fig. 1: eine bekannte SchaltunÒsanord;lung
mit hohem EinganOswiderstand, Fig. 2: eine Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung,
Fig. 3: das Ersatzschaltbild für einen Störungsfall innerhalb der Verstärkeranordnung
nach Fig. 2, Fig. 4: eine weitere Ausgestaltung der erfinderischen Lösung.
-
In der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 erfolgt die Signaleinspeisung
über die Eingangsklemmen E 1 und E 2 zwischen dem elektronischen Eingang Es des
Verstärkers V und dem Abgriff eines Spannunbsteilers mit den Widerständen R 4 und
R 5, der im Innern oder am Ausgang Av des Verstärkers-an einem Punkt angeschlossen
ist, an dem das verstärkte Signal in umgekehrter Phasen lage vorhanden ist.
-
Über dem Innenwiderstand der nicht dargestellten Signalquelle entsteht
dadurch eine Spannungsgegenkopplung.
-
Der Eingangswiderstand zwischen den Eingangsklemmen E 1 und E 2 dieser
SchaltungsanordnAng, die auch als potentiometrischer Verstärker bezeichnet wird,
hängt vom Widerstandsverhältnis des Spannungsteilers mit den Widerständen R 4 und
R 5, d. h. vom Gegenkopplungs rad k ab. Bei hohem Verstärkungsfaktor v des Verstärkers
V und entsprechendem Gegenkopplungsgrad k wird dieser Eingangwiderstand extrem noch.
-
Wenn zwischen der EinganGsklemme E 1 und dem Nullpotential ein störender
Widerstand RP parallelbeschaltet ist, dann verhält er sich zum Einganbswiderstand
nicqt wie eine einfache Parallelschaltun, sondern er wirkt um den Faktor ( 1 + k.v)
vergrößert. Hierbei ist k der Gegenkopplungsgrad und v der Betrag des Verstärkungsfaktors
des Verstärkers V. Beim Einsatz von Operationsverstärkern kann der Verstärkungsfaktor
v Werte zwischen 104 und 105 annehmen. Das bedeutet, daß auch bei einem kleinen
Gegenkopplungsgrad k von 10 ... 10 der auf den Eingangswiderstand einwirkende störende
Widerstand Rp = Rp (1 + k«Z) so groQe Werte annimmt, daß er in der Parallelschaltung
vernachlässigt werden kann.
-
Würde in Fig. 1 zwischen die Eingangsklemmen E 1 und E 2 e4.ne Antiparallelschaltung
von Sillziumdioden wie in bekannten Anordnungen unmittelbar eingefügt, dann wäre
zwar der Meßkreis mit dem Meßwertgeber MG eigensicher abgeriegelt, aber der differentielle
Widerstand der Siliziumdioden, die wegen der geringen Meßspannungen praktisch im
Nullpunkt betrieben werden, würde den Eingangswiderstand des Verstärkers V unzulässig
herabsetzen.
-
In der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung, in der
die an sich bekannte Antiparallelschaltung der Siliziumdioden D 1 und D 2 zwischen'
der Eingangsklemme E 1 und dem Nullpotential eingefügt ist, wird jedoch der differentielle
Widerstand der Siliziumdioden D 1 und D 2 durch den Faktor (1 + kv) stark vergrößert
und stört demzufolge nicht mehr.
-
Mit dieser Anordnung bleibt zwar trotz der Siliziumdioden D 1 und
D 2 der Eingangswide. stand praktisch unbeeinflußt groß, aber die Eigensicherheit
ist damit allein noch nicht gewährleistet.
-
Wären nämlich die Z-Dioden ZD 1 und ZD 2 nicht vorhanden, dann könnten
im Fehlerfall hohe Spannzungen am Ausgang Av des Verstärkers V immer noch eine unzulässige
hohe Spannung über die Eingangsklemme E 2 in den Meßkreis gelangen lassen.
-
Durch den weiteren erfindungsgemäßen Bestandteil der Anordnung wird
diese riöglichkeit ausgeschlossen und die volle Eigensicherheit hergestellt. Hierzu
wird eine an sich bekannte Antireihenschaltung zweier Z-Dioden ZD 1 und ZD 2 parallel
zu den Widerständen R 4 und R 5 des Spannungsteilers geschaltet. Dadurch wird auch
die Eingangsklemme E 2 eigensicher abgeriegelt. Gleichzeitig wird damit auch der
Stromkreis eigensicher, der an die Ausgangsklemme A angeschlossen wird. Dies ist
für den Anschluß von Anzeigeeinrichtungen bedeutsam die in explosionsgefährdeten
Räumen betrieben werden. Die Durchbruchspannung der Z-Dioden wird so gewählt, daß
im ungestörten Betriebsfall eine der Z-Dioden gesperrt ist.
-
Die höchste Spannung, die im ungünstigsten Fehlerfall innerhalb des
Verstärkers V auftreten kann, bestimmt in Verbindung mit dem maximal zulässigen
Dauerstrom der Siliziumdioden D 1 und D 2 bzw. der Z-Dioden ZD 1 und ZD 2 die Größe
der SchutzwiQ,erstände R 2 und R 3. An Hand eines Ersatzschältbildes für einen Fehlerabfall
werden diese Verhältnisse mit Hilfe von Fig. 3 erläutert.
-
Der an die Eingangsklemmen E 1 und E 2 der Fig. 3 anschließbare Meßkreis
gilt als eigensicher, wenn im ungünstigsten Fehlerfall* also bei höchstmöglicher
Fehlerspannung Uf, die zwischen den Eis~-gangsklemmen E 1 und E 2 auftretende Spannung
UfZ unter dem Wert bleibt, der für eigensichere Stromkreise maximal zulässig ist.
-
Der übersichtlicheren Darstellungsweise wegen wird die Spannung Uf'
als Summe der Tejispannungen Uf1' und Uf2' dargestellt.
-
Die Teilspannung Ufit entspricht dem Spannungsabfall an derjenigen
der beiden Siliziumdioden D 1 und D 2, die in dem jeweiligen Fehlerfall leitend
wird. Uf1' wird etwa 0,6 ... 0,8 V betragen und hängt in geringem Maße von der Größe
des durch R 2 begrenzten Stromes ab.
-
Die Teilspannung Uf2' entsteht durch Spannungsteilung aus der Spannung
Uz, die an der Antireihenschaltung der Z-Dioden ZD 1 und ZD 2 abfällt. Im Fehlerfall
steigt an dieser Kombination die Spannung soweit an, bis die im Durchbruchgebiet
arbeitende Z~Diode ihre Z-Spannung erreicht. Uz entspricht also der Durchbruchspannung
der im Sperrgebiet arbeitenden Z-Diode zusätzlich des Spannungsabfalls von etwa
0,6 ,.. 0,8 V der im Durchlaßbereich arbeitenden Z-Diode.
-
Nach allgemein bekannter Beziehung wird also R5 Uf' = Uf1' + Uf2'
# 0,8V+ Uz # R 4 + R 5 Die üblicherweise für die Eigensicherheit maximal zulässige
Spannung
Uf = 5 V wird von dieser Schaltung ohne Schwierigkeit unterschritten.
-
Entsteht die Fehlerspannung Uf zwischen nur einem Anschlußpunkt des
Verstärkers V, entweder Es oder Av und Nullpotential, dann bleiben die Verhältnisse
prinzipilll gleich oder liegen sogar günstiger.
-
In vielen Fällen ist es günstig, die Durchbruchspannung beider Z-Dioden
ZD 1 und ZD 2 verschieden groß zu wählen, wei9 im Normalfall die Betriebsspannung
des Verstärkers die Durchbruchspannung der geöffneten Z-Diode bestimmt.
-
In Fig. 4 sind einige Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt.
-
Durch Einfügen eines weiteren Widerstandes R 1 zwischen der Eingangsklemme
E 1 und der Antiparallelschaltung der Siliziumdioden D 1 und D 2 wird in zusätzlicher
Schutz des Verstärkereingangs gegen Übersteuerung erreicht.
-
In vielen Fällen besteht die Forderung, daß die die Eigensicherheit
gewährleistenden Bauelemente aus Zuverlässigkeitsgründen doppelt bestückt werden
müssen Dies ist in Fig. 4 durch Einfügen von D 1'; D 2'; ZD 1';und ZD 2' berücksichtigt.
Gerade für diese verschärfte Forderung ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
besonders gut geeignet, weil der durch die Doppelbestückung auf die Hälfte verringerte
differentielle Widerstand der Antiparallelschaltung infolge der an Hand von Fig.
1 erläuterten widerstandstransformierenden Eigenschaften
der Schaltungsanordnung
bedeutungslos wird.
-
Die erfindungsgemäLe Schaltungsanordnung kann auch, wie in Fig. 4
dargestellt, mit einem Differenzverstärker 1 realisiert werden.
-
In diesem Fall erfolgt die Einspeisung in den invertierenden Eingangv,
und der nichtinvertierende Eingang +Ev wird mit dem Nullpotential verbunden.