DE2363872A1

DE2363872A1 - Transistorschaltung zur ueberwachung von gleichspannungen

Info

Publication number: DE2363872A1
Application number: DE2363872A
Authority: DE
Inventors: Rainer Sigloch
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1975-07-03

Description

Standard Elektrik Lorenz AG

Stuttgart 236 3 B 72

R.Sigloch-1

Transistorsehaltung zur überwachung von Gleichspannungen.

Stand der Technik:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Transistorschaltung zur Überwachung von Gleichspannungen auf eine vorgegebene untere und obere Toleranzgrenze überschreitende Abweichungen von einem Sollwert bestehend aus einem Differenzverstärker, mit dessen Hilfe die zu überwachende Gleichspannung mit einem Referenzsignal vergl ichen wird. Differenzverstärker, zum Vergleich einer Gleichspannung mit einer Referenzspannung sind bekannt und werden unter der Bezeichnung Komparator als analoger integrierter SehaltkreisVmit der Kennummer 7/10 von vielen Herstellern geliefert. Mit diesen Komparatoren kann nur ein sehr kleiner Toleranzbereich, der typisch - 2mV beträgt, überwacht werden. Für grö- . ■ ßere Toleranzbereiche müßten zwei solcher Komparatoren oder auch zwei Schmitt-Trigger eingesetzt werden. Aus der DT-PS 1 275 117

Dr.Le/Scho
29.11.1973

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und der DT-AS 1 9^8 βΟ3 sind aiders arbeitende überwachungsschaltungen für einen vorgegebenen Toleranzbereich bekannt. Allen diesen Schaltungen ist eine große Empfindlichkeit gegen Störspannungen zu eigen, die mindestens zu einer Anzeigeunruhe wenn nicht sogar zu Fehlanzeigen führt. Bei einigen können auch Ausfall von Bauelementen zu einer irrtümlichen "gut" Signalisierung führen, sie sind also nicht eigensicher.

Aufgabe:

Der aus den Ansprüchen hervorgehenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitgehend störsichere und eigensichere überwachungsschaltung anzugeben.

Vorteile:

Durch die aufgabenmäßige Beseitigung der Mängel,bekannter Überwachungsschaltungen tritt eine erhebliche Erhöhung der Zuverlässigkeit auf. Die erfindungsgemäße Schaltung enthält dabei keine Bauteile, die einem mechanischen Verschleiß unterliegen und weist dadurch eine hohe Lebensdauer auf.

Beschreibung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung soll nun an Hand eines in den Figuren dargestellten Beispiels beschrieben werden. Es zeigt dabei:

Fig.l einen Stromlauf einer solchen erfindungsgemäßen überwachungsschaltung;

Fig.2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Wirkung der eingesetzten Mitkopplung.

Fig.' 1 zeigt ein Beispiel der er findungs gemäßen Transistorschaltung zur überwachung von Gleichspannungen. Trsl und Trs2 sind die beiden Transistoren eines Differenzverstärker, R6 ihr gemeinsamer Emitterwiderstand und R4 bzw. R5 die Arbeits-

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widerstände in ihrem Kollektorkreis. Dem Transistor Trsl wird seine Steuerspannung über einen Widerstand R2 zugeführt, wobei diese Steuerspannung ein durch einen Spannungsteiler R1/R7 definierter Teil Ul der zu überwachenden Gleichspannung U ist. Die Basis des anderen Transistors Trs2 ist einmal über einen Widerstand R8 ebenfalls mit dem Abgriff des Spannungsteilers R1/R7 verbunden, liegt aber außerdem noch über die Reihenschaltung eines- Widerstandes R12 mit einer Diode D2 an einer ersten Referenzgleichspannung U2 und ferner über die Reihenschaltung eines Widerstandes RIl mit einer Diode Dl an einer zweiten Referenzgleichspannung U3. Die beiden Referenzgleich- spannungen U2 und U3 werden mittels Zenerdioden Z2 bzw. Z3 und vorgeschalteten Widerständen EIk bzw. R13 aus der Versorgüngsspannung abgeleitet. Die-Basis des Transistors Trs2 erhält also ein Referenzsignal UR als Steuerspannung, das außer von der zu überwachenden Gleichspannung U auch noch von den beiden Referenzgleichspannungen U2 und U3 abhängig ist. Infolge einer aus den Dioden Dl und D2 und aus den Widerständen R8, RIl,R2 gebildeten Schwellwertlogik hat das an der Basis des Transistors Trs2 anliegende Referenzsignal UR folgende diskrete Werte:

1. Wenn die Spannung Ul am Abgriff des Spannungsteilers R1/R7 kleiner als die Referenzgleichspannung U2, jedoch größer als die Referenzgleichspannung U3, also U2>U1>U3 ist, so sind die Dioden Dl und D2 gesperrt und es ist

UR = Ul (1)

2. Wenn jedoch Ul kleiner als U3 wird, so wird die Diode Dl leitend und damit wird auch

UR = U3 (2)

3· Wenn dagegen Ul größer als U2 wird, so wird die Diode D2 leitend und damit wird auch

UR = U2 (3)

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Im Pall 1 teilt sich der durch den gemeinsamen Emitterwiderstand R6 fließende Strom zu gleichen Hälften auf die beiden Transistoren Trsi und Trs2 auf. Im Falle 2 ist der Strom durch den Transistor Trs 1 kleiner als der durch den Transistor Trs 2, bei genügend großem Unterschied zwischen Ul und U3 ist schließlich Trsl gesperrt und Trs2 übernimmt den gesamten Strom. Im Fall 3 wird der Strom durch Trsl größer als der durch Trs2, bis schließlich Trs2 gesperrt wird und Trsl den vollen Strom übernimmt.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten das Vergleichsergebnis des Differenzverstärkers zur Anzeige zu bringen. So kann man z.B. für eine optische Anzeige mit den Kollektorwiderständen Rh und R5 je eine Leuchtdiode in Reihe schalten. Bei "gut" leuchten dann beide Dioden gleichmäßig hell, während bei "schlecht" eine Diode hell leuchtet und die andere dunkel ist. Auch andere Auswertemittel wie ein empfindliches Relais zwischen den Kollektoren der beiden Transistoren Trsl und Trs2 sind einsetzbar. Allen diesen Mitteln ist gemeinsam, daß bereits sehr geringe überlagerte Störspannungen den Differenzverstärker zur Zustandsänderung bringen und so nicht nur eine Anzeigenunruhe, sondern eine Anzeigeunsicherheit hervorrufen. Es kann hierdurch aber auch durch Bauelementeausfall eine falsche "gut" Anzeige erfolgen, sodaß diese Anordnung nicht eigensicher ist.

Bei der erfindungsgemäßen Transistorschaltung zur überwachung von Gleichspannungen werden deshalb zur Auswertung logische Schaltungen mit hoher Ansprechschwelle eingesetzt, die z.B. unter der Bezeichnung HTL (High Treshold Logicj von einer Reihe von Herstellern als integrierte Sehaltkreise erhältlich sind. Es handelt sich hierbei um aktive Schaltungen, bei denen die Ansprechschwelle bei etwa 7,5V liegt und an deren Ausgang bei einer logischen "0" maximal 1,5V und bei einer "1" minimal 12,5V ansteht.

Zur "gut" und "schlecht" Auswertung wird nun eine solche NAND-Schaltung NG mit hohem Ansprechpegel eingesetzt. Emitterwiderstand R6 und Kollektorwiderstände RH und R5 des Differenzverstärkers werden so gewählt, daß beim Sollwert der zu über-

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wachenden Spannungen, wenn also der Strom durch den Emitterwiderstand Ro sich gleichmäßig auf die beiden Transistoren.-Trsl und Trs 2 aufteilt, der Sp annungs ab fallen den Kollektorwiderständen Rk und R5 liegt, mit Sicherheit über der Ansprechschwelle der NAND-Schaltung, also z.B. bei lOVWT^ der Spannungsabfall an einem der beiden Kollektorwiderstände R¹I oder R5 dann ca. 2OY betragen würde,, wenn der ganze Strom durch einen Transistor fließt, müssen Maßnahmen getroffen werden, um diesen Spannungsabfall auf einen für die Ansteuerung der NAND-Schaltung NG noch zulässigen Wert von z.B. 12V zu begrenzen. Dieses geschieht mittels der Reihenschaltung einer Diode D3 mit einer Zenerdiode Zl zum Kollektorwiderstand R 4 und mittels der Reihenschaltung einer Diode D4 mit der Zenerdiode Zl zum Kollektorwiderstand R5. Die Zenerdiode Zl erhält dabei über einen Widerstand R15 einen Vorstrom, sodaß stets gezündet ist. Das Ausgangssignal "0" der NAND-Schaltung, das auftritt, wenn an den beiden Eingängen jeweils "1" anliegt, dient zur Signalisierung des Gutbereiches. Das Ausgangssignal "1", das auftritt, wenn an einem Eingang eine "0" und am anderen eine "1" anliegt, dient dann zur Signalisierung der Schlechtbereiche. Ein "gut"-Signal, das eine "0" am Ausgang der NAND-Schaltung NG bei einer "1" an beiden Eingängen tritt nun nur auf, wenn die Ströme durch beide Transistoren Trsl und Trs2 gleich groß sind. Jede Störung, jeder Ausfall eines oder mehrerer Bauelemente ändert das Eingangssignal "1-1" in "1-0" oder äogar "0-0", wodurch am Ausgang das Signal "0" auftritt und "schlecht" anzeigt. Die "gut" Anzeige ist also in Bezug auf einen Bauelementeausfall eigensicher. Es bleibt also nur noch zu beseitigen, daß infolge relativ geringer Störungen ein, wenn auch nur kurzzeitiger Anzeigewechsel erfolgen kann. Dieses geschieht nun bei der erfindungsgemäßen Transistorschaltung durch eine Versteilerung des Umschlagverhaltens zwischen dem Gut- und den

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Schlechtbereichen mittels einer nichtlinearen Mitkopplung. Zwischen Kollektoren der Transistoren Trsl und Trs2 und Eingängen der NAND-Schaltung NG wird jeweils die Reihenschaltung zweier Inverterstufen Il und 12 bzw. 13 und 14 mit hoher Ansprechschwelle gelegt, an deren Ausgängen also ein Pegel zwischen 0 und 1,5V für eine logische "1" an ihrem Eingang und ein solcher zwischen 12,5 und 15 V für eine logische "0" an ihrem Eingang ansteht. Wird nun· ein solches Ausgangssignal zur Mitkopplung verwendet, so kennt diese nur zwei diskrete gegeneinander sprunghaft wechselnde Werte. Wird nun der Basis des Transistors Trsl über einen Widerstand R3 das Ausgangssignal der Inverterstufe Il zugeführt, deren Eingang mit dem Kollektor des Transistors Trsl verbunden ist, und wird der Ausgang der Inverterstufe 12, an dem der eine Eingang der NAND-Schaltung NG liegt, über einen Widerstand RIO und weiterhin der Ausgang der Inverterstufe 14, an dem der andere Eingang der NAND-Schaltung NG liegt, über einen Widerstand ^9 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände Rl, R2, R7 und R8 verbunden, so wird durch diese Mitkopplung der Umschlag zwischen dem Gut-.und den Schlechtbereichen versteilert und erfolgt sprungartig und die Lage in den Schlechtbereichen wird stabil.

In Fig.2 ist nun das hierdurch erzielte Verhalten der Transistorschaltung graphisch dargestellt. Aufgetragen ist die Spannung UcI und Uc2 über den Kollektorwiderständen R4 und R5 in Abhängigkeit von dem fließenden Kollektorstrom, wobei UcI der Spannungsabfall im Widerstand R4 durch den Strom des Transistors Trsl und Uc2 der im Widerstand R5 durch den Strom des Transistors Trs2 ist. Abhängig von Ansteigen oder. Abfallen des Kollektorstromes erfolgt ein sprungartiger Wechsel zwischen den einer "0" und einer "1" entsprechenden Span-. nungswerten von UcI und Uc2 bei den Stromwerten d oder c bzw. b oder a. Nur zwischen den Punkten b und c haben also UcI und ' Uc2 gleichzeitig den Wert "1", sodaß die NAND-Schaltung NG an ihrem Ausgang eine logische "0" abgibt. Durch diese Maßnah-

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ne wird ein hohes Maß an Störsicherheit erzielt.

Zur Eingangsschaltung der Transistorschaltung zur überwachung von Gleichspannung^, sei noch bemerkt, daß die zu überwachende Spannung, wie dargestellt, über einen Widerstand R7 zugeführt werden' kann. Ebenso kann der Widerstand R? durch eine Zenerdiode ersetzt werden, wodurch sich in bekannter Weise die wirksame relative Änderung vergrößert. Wird der Widerstand P?7 aber mit seinem freien Ende an den.Minuspol der Versorgungsspannung gelegt, so wirkt die Anordnung als Spannungswächter für die Versorgungssparinung.

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Claims

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Patentansprüche

Transistorsehaltung zur Überwachung von Gleichspannungen auf eine vorgegebene untere und obere Toleranzgrenze überschreitende Abweichungen von einem Sollwert bestehend aus einem Differenzverstärker ₉ mit dessen Hilfe die zu überwachende Gleichspannung mit einem Referenzsignal verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal UR für den Differenzverstärker aus der zu überwachenden Gleichspannung Ul und aus 'zwei durch Zenerdioden (Z2 und Z3) gewonnenen Referenzspannungen U2 und U3 mittels einer aus Dioden (Dl, D2) und Widerständen (RIl, R12_S R8) bestehenden Schwellwertslogik derart gebildet wird, daß für U2>^TJ]>U3 wertmäßig UR=Ul, für ül<U3 jedoch UR=U3 und für U2<U1 dann UR=U2 wird, daß ferner Mittel zur Anzeige eines Gut- und eines Schlechtbereiches und solche zur Versteilerung des Umschlagverhaltens zwischen dem Gut- und den Schlechtbereichen vorgesehen sind.

Transistorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet _s daß den Kollektorwiderständen (R4, R5) des Differenzverstärkers jeweils die Reihenschaltung einer Diode (D3 bzw. D*0 mit einer Zenerdiode (Zl) parallel liegt und daß die an diesen Parallelschaltungen (R²J mit D3 und Zl bzw. R5 mit D*! und Zl) abfallenden Spannungen (UcI, Uc2) den Eingängen einer NAND-Schaltung (NG) als Steuerspannungen zugeführt werden, deren Ausgang das Signal für die Anzeige des Gut- bzw. des Schlechtbereiches als binäre "0" bzw. "1" liefert.

Transistorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Eingänge der NAND-Schaltung (NG) die Rei-

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.hensehaltung zweier Inverterstufen mit hoher Ansprechschwelle (II, 12 bzw. 13, Th) vorgeschaltet ist, daß die an den Ausgängen der Inverterstufen (II, 12 und lh) auftretenden Signale den Basen der beiden Transistoren des Differenzverstärkers über Widerstände (R3, HlO, R9)als Mitkopplungssignale zugeführt werden.

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