DE2350423A1

DE2350423A1 - Schaltungsanordnung zur speisung von verbrauchern mit konstantem strom oder konstanter spannung

Info

Publication number: DE2350423A1
Application number: DE19732350423
Authority: DE
Inventors: Friedrich Zuther
Original assignee: Mytronik Elektronische Sy GmbH; Siemens AG
Current assignee: Mytronik Elektronische Sy GmbH; Siemens AG
Priority date: 1973-10-08
Filing date: 1973-10-08
Publication date: 1975-04-24
Also published as: AT336139B; FR2246906A1; ATA731474A; DE2350423B2; CH583443A5; FR2246906B3

Description

Schaltungsanordnung zur Speisung von Verbrauchern mit konstantem Strom oder konstanter Spannung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Speisung von Verbrauchern mit konstantem Strom oder konstanter Spannung über ein Paar jeweils an einen Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen und ein Stellglied enthaltenden Stromadern mit einer die Stellglieder steuernden Spannungs- und/oder Stromregelschaltung, der die am Verbraucher symmetrisch zu einem Bezugspotential abfallende Spannung zugeführt ist, die einen ersten Differenzverstärker enthält, dessen erster Eingang mit dem Bezugspotential verbunden ist und dessen zweiter Eingang die Summe der am Verbraucher liegenden Potentiale zugeführt ist und der das in die erste Stromader geschaltete Stellglied steuert, und die einen zweiten Differenzverstärker enthält, dessen erster Eingang an eine Referenzspannungsquelle angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang eine von der am Verbraucher abfallenden Spannung abgeleitete Spannung zugeführt ist und die das in die zweite Stromader geschaltete Stellglied steuert.

VPA 21/8171 Zin/Rid .

509817/0463

- 2 - VPA 21/8171

Eine derartige Anordnung ist aus SIEMENS HALBLEITER-SCHALT-*· BEISPIELE 1972/73, Seiten 197 und 198 bekannt.

Zahlreiche Verbraucher müssen mit einem konstanten Strom, andere mit einer konstanten Spannung gespeist werden, Meßwertgeber, die ihren Widerstand in Abhängigkeit einer zu messenden physikalischen Größe ändern, wie z. B. Dehnungsmeßstreifen» werden in de-r Regel ,in Brücken geschaltet. Je nach Anzahl der Meßwertgeber können diese eine Voll-, Halb- oder Viertelbrücke bilden. Die Halb- und Viertelbrücken werden durch konstante Widerstände am Ort de« Regelschaltung zu Widerstandsbrücken, wie z. B. Wheatstoneschen Brücken ergänzt. Auch solche Brücken werden aus einer Konstantstromquelle oder einer Konstantspannungsquelle versorgt, wobei im letzten Fall der Spannungsabfall an der Brücke über Fühladern der Regelschaltung zugeleitet und dort mit einer Referenzspannungsquelle verglichen wird. Oft sind die Speisespaimungs- oder Stromversorgungsschaltungen zur Meßerde isoliert aufgebaut, damit Erdschleifen in räumlich weit verzweigten Anlägen keinen störenden Einfluß ausüben.

Das Ausgangssignal der Brücke wird entweder direkt gemessen oder einem Verstärker zugeführt. Es nimmt mit der Speisespannung zu; meistens kann jedoch eine hohe Speisespannung nicht verwendet werden» da die Meßwertgeber sich sonst unzulässig erwärmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Speisung von Verbrauchern zu schaffen» mit der Störprobleme, die durch Gleichtaktpotentiale, Erdschleifen oder Einstreuungen von Störspannungen verursacht sind» unterdrückt werden. Bei der Lösung dieser Aufgabe ist von dem Gedanken ausgegangen» den

. . _ 3 509817/0463

-J - VPA 21/8171

Verbraucher, insbesondere Brückenschaltungen, mit einer symmetrischen, von Erde isolierten Spannungs- oder Stromquelle zu speisen. Ein nachgeschalteter Differenzverstärker kann dann Störspannungen, die als Gleichtaktsignale erscheinen, von der als Gegentaktsignal auftretenden Meßspannung unterscheiden und unterdrücken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Spannung am Verbraucher in an sich bekannter Yfeise über Fühladern der Spannungs- und/oder Stromregelschaltung zugeführt ist, daß in eine Stromader ein Strommeßwiderstand geschaltet ist, dessen erster Anschluß mit dem einen Eingang eines dritten, das in die zweite Stromader geschaltete" Stellglied steuernden Differenzverstärkers verbunden ist, und dessen zweiter Anschluß über eine Referenzspannungsquelle mit dem anderen Eingang des dritten Differenzverstärkers verbunden ist. In einer solchen Schaltung ist die Symmetrie der Speiseleitungen und der Meßleitungen konsequent durchgeführt, so daß ungeschirmte Meßleitungen und Stromadern von vielen Metern Länge verwendet werden-können. Der Einfluß von Störspannungen, vor-allem von Thermospannungen, läßt sich dadurch leicht ermitteln, daß man bei gegebenein Meßaufbau die Speisespannung oder den Speisestrom für die Brückenschaltung abschaltet und die Brücke mittels eines Netzwerkes abgleicht, das aus der Spannung an der Brücke oder aus eineryilavon abgeleiteten Spannung gespeist ist. Das Abgleichnetzwerk soll außerdem einen reproduzierbaren Abgleich ermöglichen.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen

Figur 1 das Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung und

509817/0463 "⁴"'

- 4 - VPA 21/8171

die Figuren 2 und 3 den Anschluß einer Halb- und einer Viertelbrücke an eine Speiseschaltung nach Figur 1.

In Figur 1 ist mit Tr ein Netztransformator bezeichnet, an dessen Sekundärseite ein Gleichrichter Gl mit einem Siebglied angeschlossen ist. Transformator und Gleichrichter sind so ausgebildet, daß sie neben den beiden Polen, an denen die Ausgangsgleichspannung abgenommen werden kann, einen Anschluß aufweisen, dessen Potential in der Mitte zwischen den Potentialen der beiden Pole liegt. An diesem Anschluß liegt unter anderem die Meßerde ME. Vom negativen Pol der GleichspannungsqueHe fließt der Strom über einen Längstransistor Ts1, der als erstes Stellglied dient, und eine Stromader SA1 zu einer Widerstandsbrücke B, die z. B. mit Dehnungsmeßstreifen D1, D2, D3 und D4 aufgebaut ist. Über eine zweite Stromader SA2, einen Strommeßwiderstand RM und einen als zweites Stellglied dienenden Transistor Ts2 fließt der Strom zur GleichspannungsqueHe zurück. Die Spannungen an den Stromzuführungen der Brücke B werden über Fühladern FA1 und FA2 zu Verstärkern IC6 und IC7 übertragen, die einen hohen Eingangswiderstand haben. Durch die Fühladern fließen daher nur kleine Ströme, die praktisch keinen Spannungsabfall an den Leitungswider ständen bewirken. An die Verstärker IC6 und IC7 sind Differenzverstärker IC2 und IC4 angeschlossen, welche die Längstransistoren Ts1 und Ts2 steuern. Der an dem Strommeßwiderstand RM auftretende Spannungsabfall wird, vermindert um eine mittels eines Potentiometers P4 einstellbare· Konstantspannung, dem Eingang eines Verstärkers IC3 zugeführt. Ändert sich der Spannungsabfall am Strommeßwiderstand RM, so tritt eine Differenzspannung am Eingang des Verstärkers IC3 auf, der durch die Diode D3 einen Teilstrom aus der Quelle: K1 gibt, welcher bewirkt, daß der durch die Stromader SA2 fließende Strom im Sinne einer Verminderung der am Eingang des Verstärkers IC3 auftretenden Differenzspannung durch Verminderung des Stromes

— 5 —

509817/0463

- 5 - VPA 21/8171

in die Basis des Transistors Ts1 geändert wird. Vorausgesetzt wird hierbei, daß die Ausgangsspannung des Verstärkers IC2 positiver als die des Verstärkers ICJ5 ist. Nur in diesem Falle ist die Diode D3 leitend.

Wie schon erwähnt, wird die an der Brücke B auftretende Speisespannung über den Verstärker IC6 auf die Differenzverstärker IC2 und IC4 gegeben. Die Ausgangsspannung des Verstärkers IC2 soll voraussetzungsgemäß positiver als die des Verstärkers IC3 sein, damit die Diode D2 gesperrt ist; Der Verstärker IC2 ist daher in diesem Falle wirkungslos. Der Verstärker IC6 steuert nur den Verstärker IC4 an, so daß dieser den Innenwiderstand des Transistors Ts2 so verändert, daß die negative Speisespannung der Brücke B der positiven folgt. Diese Schaltungsart ist einer Anordnung mit je einer positiven und einer negativen Konstantstromquelle überlegen, da keine Gleichlaufprobleme auftreten.

Eine mittels eines Potentiometers P2 einstellbare Referenzspannung ist dem Verstärker IC2 zugeführt. Ist dessen Ausgangsspannung kleiner als die des Verstärkers IC3, so ist die Diode D2 leitend, und er regelt in bekannter Weise die Spannung an der Brücke B durch Ansteuern des Transistors Ts1. Die von den Verstärkern IC6 und IC7 abgegebenen Spannungen dienen als Istwerte, die mit der am Potentiometer P2 abgegriffenen und vom Mittelabgriff der Gleichrichteranordnung Gl gelieferten Spannung vergliöhJBJa.: werden. In diesem Falle wird also die Brücke B mit konstanter Spannung gespeist. Der Übergang von Konstantspannung- zu Konstantstromspeisung und umgekehrt geschieht ohne Umschaltung einfach durch Einstellen der Potentiometer P2- und P4. Damit ist sichergestellt, daß die Speisespannung an der Brücke dem Sollwert entspricht, was die Grundlage für eine exakte Berechnung der zu messenden physikalischen Größe, z. Be der Dehnung von Dehnungsmeßstreifen aus dem Ausgaigs-

509817/0463 " ⁶ "

- 6 - VPA 21/8171

signal ist, und daß die Speisespannung immer symmetrisch zum Bezugspotential ist, und zwar auch bei Konstantstrombetrieb.

Zum Nullabgleich der Brücke dienen die Potentiometer P1 und S1, ein Verstärker IC5 sowie ein Widerstand R2. Die am Abgriff der Potentiometer P1 und S1 eingestellte Spannung wird über einen Widerstand R1 bzw. R3 dem Verstärker IC5 zugeführt, dessen Ausgangsspannung einen Strom durch den Widerstand R2 in den Verzweigungspunkt der Brückenwiderstände D1-und D2 erzeugt. Da im Ausführungsbeispiel die Potentiometer PL und S1 durch die Verstärker IC6 und IC7 von der Brücke getrennt sind, stellen sie praktisch keinen Nebenschluß zu den Brückenwiderständen dar, der die Empfindlichkeit der Brücke herabsetzen könnte. Diese ist damit unabhängig von der Stellung der Schleifer der Potentiometer P1 und S1. Auch dann, wenn das Gerät, welches die Abgleich- , potentiometer P1 und S1 enthält, räumlich von der Brücke getrennt ist, üben die Leitungswiderstände keinen störenden Einfluß aus: Die Abgleichpotentiometer P1 und SI werden von den Verstärkern' IC6 und IC7 mit der Spannung gespeist, die an der Brücke B auftritt. Dies gilt auch dann, wenn die Brücke mit Konstantstrom gespeist wird. Lediglich der Leitungswiderstand auf der Abgleichader, die den Widerstand R2 mit einem Brückenmittelpunkt verbindet, tritt insoweit störend in Erscheinung, als er sich zum Widerstand R2 addiert und den Einfluß der Abgleichspannung herabsetzt. In der Regel ist aber der Widerstand R2 wesentlich größer als der Brückenwiderstand, z. B. für einen Abgleichbereich von + 1 % um den Faktor 25, und der Brückenwiderstand ist wesentlich größer als der Leitungswiderstand, so daß dieser Einfluß vernachlässigt werden kann. Durch Ändern des Widerstandes R2 kann der Abgleichstrom eingestellt werden. Zweckmäßig sind die Abgleichpotentiometer in das Potentiometer P1, das stufenlos einstellbar ist und mit dem ein Feinabgleich durchführbar ist, und in das Potentiometer S1, das stufenweise verstellt werden kann und zum Grobabgleich dient, aufgeteilt. Mit dem Potentiome-

5098 17/0463 -₇-

- 7 _ VPA 21/8171-

ter P1 kann dann ζ. B. innerhalb einer Stufe des Potentiometers S1 die Brücke"fein abgeglichen werden.

Von-Bedeutung ist die Wahl des Punktes der Schaltung, in den der Abgleichström eingespeist wird. Wird der Abgleich- ' strom nicht über eine gesonderte Leitung zwischen die Brükkenwiderstände D1 und D2 eingespeist, sondern über eine der beiden Leitungen'VL1 bzw. VL2, die zu einem Brückenverstärker führen, so tritt ein wesentlich größerer Abgleichfehler auf.

Figur 2 zeigt den Anschluß einer Halbbrücke in Sechsleitertechnik an die beschriebene Schaltung. Am Meßort befinden sich nur zwei Brückenwiderstände D5 und D6, die im Spannungsoder Stromspeisegerät durch die Widerstände RB1 und RB2 zu einer Brückenschaltung ergänzt sind. Vorteilhaft wird der Abgleichstrom in den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen D5 und D6 eingespeist, da in diesem Falle der Abgleichfehler kleiner ist, als wenn er den Punkten M1 und M2 zugeführt wird, wie durch gestrichelte Linien angedeutet ist,,' · -

Wie in Figur 3 gezeigt, befindet sich im Falle einer Viertelbrücke am Meßort nur ein einziger, in Abhängigkeit der physikalischen Größe veränderbarer Widerstand D7. Dieser ist im Speisegerät.durch die Widerstände RB3, RB4 und RB5 zu einer Brücke ergänzt. Ein geringer Aufwand ergibt sich, wenn der Abgleichstrom zwischen den Widerständen RB3 und RB4 eingespeist wird, da dann nur drei Leitungen vom Speisegerät zum Meßort verlegt werden müssen.

Die beschriebene Schaltung kann sowohl für Messungen nach dem sogenannten Ausschlagprinzip als auch nach dem Kompensationsverfahren verwendet werden. Beim Kompensationsverfahren bleibt die Größe und damit auch die Stabilität der Speisespannung ohne Einfluß auf die Genauigkeit der Messung,

■ ■' - 8 509817/0463

-Q- ¥PÄ 21/8171

dagegen ist der Ablesefehler der Abgleichorgane von Bedeutung. Er setzt sich zusammen aus dem Linearitätsfehler des Abgleichnetzwerkes und den Fehlem, die aus einer Fehlanpassung des Widerstandes R5 an die Brückenwiderstände entstehen. Zur Anpassung ist die Abweichung der Widerstandswerte der Brückenwiderstände vom Sollwert, die Empfindlichkeitsverringerung durch die Bedämpfung der Halbbrücke mit den Widerständen D1 und D2 durch den Widerstand R5 und der mit dem Widerstand R5 in Reihe liegende Leitungswiderstand zu berücksichtigen. Diese drei Größen können zu einem konstanten Korrekturwert zusammengefaßt werden, mit dem die Ablesung multipliziert wird. Es bleibt dann nur der Ablesefehler, der eine geringe Meßunsicherheit verursacht. Diese Kompensationsgenauigkeit und die Unabhängigkeit von den Leitungswiderständen sowohl bei Spannungs- als auch bei Stromspeisung wird durch die neuartige Schaltung der Fühladern erreicht.

7 Patentansprüche
3 Figuren

509817/0463

Claims

- 9 - VPA 21/8171

Patentansprüche:

J 1.JSchaltungsanordnung zur Speisung von Verbrauchern mit
^"—' konstantem Strom oder konstanter Spannung über ein Paar jeweils an einem Pol einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen und ein Stellglied enthaltenden Stromadern
mit einer die Stellglieder steuernden Spannungs- und/oder Stromregelschaltung, der die am Verbraucher symmetrisch zu einem Bezugspotential abfallende Spannung zugeführt
ist, die einen ersten Differenzverstärker enthält, dessen erster Eingang mit dem Bezugspotential verbunden ist und dessen zweiter Eingang die Summe der am Verbraucher liegenden Potentiale zugeführt ist und der das in die
erste Stromader geschaltete Stellglied steuert, und die einen zweiten Differenzverstärker (IC4) enthält, dessen erster Eingang an ein Bezugspotential angeschlossen ist und dessen zweiter Eingang eine von der am Verbraucher
abfallenden Spannung abgeleitete Spannung zugeführt ist und der das in die zweite Stromader geschaltete'Stellglied steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Verbraucher in an sich bekannter Weise über Fühladern der Spannungs- und/oder Stromregelschaltung zugeführt ist, daß in eine Stromader ein Strommeßwiderstand (RM) geschaltet ist, dessen erster Anschluß mit
dem einen Eingang eines dritten, das in die erste Stromader (SA1) geschaltete Stellglied steuernden Differenzverstärkees (IC3) verbunden ist, und dessen zweiter Anschluß über eine Referenzspannungsquelle mit dem anderen Eingang des dritten Differenzverstärkers (IC3) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach'Anspruch 1," dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des zweiten und dritten
Differenzverstärkers (IC2 bzw. IC3) mit dem Steuereingang des Stellgliedes (Ts1) über eine Schaltungs-

509817/0463

- 10 - ^{VPA 21}/8171

anordnung (D2, D3) verbunden sind, welche nur jeweils die Ausgangsspannung des .Verstärkers (IC2 "bzw. IC3) durchläßt, die den größeren Strom durch das Stellglied bewirkt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder (Ts1, Ts2) zueinander komplementäre Transistoren sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher eine Brückenschaltung ist und zwischen die Fühladern (FA1, FA2) ein Spannungsteiler (P1, R1) geschaltet ist, von dessen Abgriff über einen Bewertungswiderstand (R2) ein Abgleichstrom in die Brücke (B) eingespeist ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Fühladern (FA1, FA2) am Eingang der Regelschaltung Verstärker (IC6, IC7) mit hohem Eingangswiderstand geschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spannungsteiler (P1, R1) und die Brücke (B) ein Trennverstärker (IC5) geschaltet ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einem geschalteten Spannungsteiler (S1) für den Grobabgleich und einem stufenlosen Spannungsteiler für den Feinabgleich innerhalb einer Stufe des Spannungsteilers für den Grobabgleich besteht.

509817/0463

4λ

L e e r s e i t e