-
"Strom-Frequenz-Converter" Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zur linearen Umwandlung eines Stromes einer Stromquelle in eine Frequenz mittels
eines durch den Strom aufgeladenen Kondensators.
-
In der Meßtechnik erzeugen verschiedene Meßwertaufnehmer einen der
zu messenden Größe entsprechenden eingeprägten Strom. In vielen Fällen ist nun der
Meßwertaufnehmer weit entfernt von der das elektrische Signal verarbeitenden Einrichtung
angeordnet. Eine direkte Übertragung des Stroms ist aber nicht zweckmäßig, da auf
dem Übertragungsweg leicht Störungen eingestreut werden können, die das Meßsignal
verfälschen. Zweckmäßiger ist eine Umwandlung des Meßsignals am Meßort, beispielsweise
in eine Frequenz. Dafür wird ein Strom-Frequenz-Converter benötigt, der den Strom
möglichst exakt linear in eine Frequenz umwandelt.
-
Eine Möglichkeit für eine solche Umwandlung ist, aus dem Strom mittels
eines Meßwiderstandes eine Spannung zu erzeugen und damit einen spannungssteuerbaren
Oszillator zu steuern. Diese zusätzliche Umwandlung bewirkt aber auch zusätzliche
Fehlerquellen
und erhöht außerdem den Aufwand. Es ist daher günstiger, den Meßstrom direkt zu
verwenden, beispielsweise über die Aufladung eines Kondensators.
-
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 123 747 ist ein Dreiecksoszillator
bekannt, bei dem ein Kondensator durch einen Strom über Umschalter abwechselnd aufgeladen
und wieder entladen wird. Die Umschalter werden durch einen Schwellwertschalter
betätigt, der jeweils dann ein Signal abgibt, wenn die Spannung an dem Kondensator
in der einen oder anderen Polarität einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
-
Bei diesem Dreiecksoszillator ist aber noch eine zusätzliche Stromquelle
mit einer Regeleinrichtung notwendig, und beide Anschlüsse des Kondensators sowie
die Umschalter sind in jedem Fall "schwebend". Diese bekannte Anordnung ist zwar
bei sehr hohen Frequenzen noch brauchbar, erfordert aber einen hohen Aufwand und
verhält sich ungünstig bei dynamischen Veränderungen des Eingangsstromes.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Strom-Frequenz-Converter mit Kondensatoraufladung
anzugeben, der mit geringem Aufwand einen Strom in eine relativ niederfrequente
Frequenz umwandelt, wobei die Umwandlungskennlinie möglichst linear ist und nur
von wenigen Parametern beeinflußt wird.
-
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die beiden Anschlüsse
des Kondensators mit je einem Umschalter verbunden sind, die abwechselnd den einen
Anschluß mit einem Bezugspotential sowie den anderen Anschluß mit der Stromquelle
oder umgekehrt verbinden, und daß die beiden An-
Anschlüsse ferner
mit zwei Steuereingängen eines Komparators verbunden sind, dessen Ausgangssignal
seinen Zustand wechselt, sobald die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen
jeweils einen vorgegebenen Spannungswert überschreitet bzw. einen anderen vorgegebenen
Spannungswert unterschreitet, und dabei die beiden Umschalter in die jeweils andere
Lage kippt. Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß die Frequenz außer durch
den Meßstrom nur durch zwei weitere Komponenten bestimmt wird, nämlich durch den
Wert des Kondensators und dem Unterschied der vorgegebenen Spannungswerte, bei denen
der Komparator schaltet. Wenn der komparator noch einen dritten Eingang erhält,
der über einen dritten Schalter mit einer zusätzlichen Spannungsquelle verbunden
ist, wobei dieser dritte Schalter synchron mit den Umschaltern betätigt wird, kann
das Ausgangssignal des Komparators seinen Zustand wechseln, wenn die algebraische
Summe der Spannungen an den Anschlüssen des Kondensators sowie der Spannungsquelle
denselben vorgegebenen Spannungswert über- bzw. unterschreitet. In diesem Falle
hat der Komparator nur einen einzigen Schaltpunkt, und die Frequenz hängt dann nicht
von dem absoluten Wert des Schaltpunktes, sondern nur von dem Wert der zusätzlichen
Spannungsquelle-ab.
-
Ebenso haben Offsetspannungen.und Innenwiderstände der Umschalter
keinen Einfluß auf die Frequenz, da der Kondensator eingeströmt wird. Sie verschieben
die Spannungspegel nur gleichmäßig gegen das Bezugspotential.
-
Wenn der Komparator teilweise invertierende Eingänge besitzt, können
die Umschalter jeweils durch eine Reihenschaltung
eines Transistors
und einer Diode gebildet werden.
-
Der Komparator kann aus zwei Differenzverstärkern aufgebaut werden,
wobei die zusätzliche Spannungsquelle durch eine Zenerdiode realisiert wird.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Converters, Fig. 2 ein Diagramm mit
den Spannungsverläufen an verschiedenen Punkten des Prinzipschaltbildes nach Fig.
1, Fig. 3 eine Realisierung des Prinzipschaltbildes.
-
In Fig. 1 sind die beiden Anschlüsse des Kondensators C mit je einem
Umschalter S1 und S2 verbunden, die abwechselnd den einen Anschluß mit Masse und
den anderen Anschluß mit der Stromquelle oder umgekehrt verbinden. Ferner sind die
beiden Anschlüsse des Kondensators C mit zwei Eingängen eines Komparators K verbunden,
wobei der mit"+" bezei chnete Eingang nichtinvertierend und der mit"-"bezeichnete
Eingang invertierend ist. Ferner hat der Komparator K noch einen dritten, ebenfalls
invertierenden Eingang, der über einen weiteren Schalter S3 mit einer Spannungsquelle
UO verbunden ist. Diese Spannungsquelle ist zwar zwischen dem Eingang des Komparators
und dem Schalter S3 gezeichnet, sie könnte aber auch mit gleicher Wirkung zwischen
dem Schalter und Masse angeordnet sein.
-
Die Wirkungsweise der dargestellten Zeichnung soll anhand des Diagramms
in Fig. 2 näher erläutert werden. In der gezeichneten
Stellung
der Umschalter S1 und S2 lädt der Meßstrom den linken Kondensatorbelag des Kondensators
C auf, während der rechte Kondensatorbelag über den Umschalter S2 mit Masse verbunden
ist. Damit steigt die Spannung des linken Kondensatorbelages, die mit u1 bezeichnet
ist, linear mit der Zeit an, wie in Fig. 2b) dargestellt ist. Gleichzeitig ist der
Schalter S3 geschlossen, so daß die Spannung u3 am dritten Eingang des Komparators
K gleich der Spannung UO der zusätzlichen Spannungsquelle ist, wie in Fig. 2 c)
dargestellt ßt. Da der dritte Eingang invertierend ist, ergibt die algebraische
Summe aller drei Spannungen u1 - u2 - U3, wobei die Polaritäten der Eingänge also
entsprechend berücksichtigt sind, den Wert - UO, wie in Fig. 2 d) dargestellt ist.
Entsprechend dem Anstieg der Spannung u1 an dem linken Kondensatorbelag steigt die
Spannungssumme linear auf Null an.
-
Sobald die Summe den Wert Null erreicht hat, wechselt das Ausgangssignal
Ua des Komparators K seinen Zustand und schaltet damit die drei Schalter S1, S2
und S3 in eine Lage, die entgegengesetzt zur gezeichneten Lage ist. Da nun der Umschalter
1 den linken Kondensatorbelag mit Masse verbindet und die Spannung u1 Null wird,
geht die Spannung u2 am rechten Belag des Kondensators C auf UO, da der Kondensator
im Umschaltaugenblickjauf diesen Spannungswert aufgeladen war. Da die Spannung u2
an einem invertierenden Eingang des Komparators K liegt, während gleichzeitig am
dritten Eingang die Spannungsquelle UO durch den Schalter S3
abgeschaltet
wird, springt die algebraische Summe der drei Spannungen auf den Wert + Uo.
-
Der Meßstrom ix fließt nun über den Umschalter S2 auf den rechten
Belag des Kondensators C, so daß die Spannung u2 linear auf Null ansteigt. Damit
geht die Summe der Spannungen an den drei Eingängen des Komparators K ebenfalls
linear gegen Null. Sobald dieser Wert erreicht ist, wechselt das Ausgangssignal
Ua des Komparators K wieder seinen Zustand und schaltet die drei Schalter S1, S2
und 53 wieder in die gezeichnete Stellung, so daß ein neuer Zyklus beginnen kann.
-
Die Spannung zwischen den beiden Kondensatorbelägen des Kondensators
C steigt während eines Zyklus also linear auf den maximalen Wert UO und fällt dann
wieder linear auf Null ab, wie in Fig. 2 a) dargestellt ist, wobei der linke Kondensatorbelag
positiv ist. Wie eine kurze Rechnung zeigt, hängt der Kehrwert der Zyklusdauer,
d.h. die Frequenz fa des Ausgangssignals Ua, linear vom Meßstrom ix ab:
Eine Realisierung der Prinzipschaltung nach Fig. 1 ist in Fig.
-
3 dargestellt. Darin sind die Umschalter S1 und S2 durch die Reihenschaltung
jeweils eines Transistors und einer Diode gebildet. Dabei wird ausgenutzt, daß die
Spannung u2 am linken Kondensatorbelag des Kondensators C (entspricht in dem Prinzipschaltbild
nach Fig. 1 dem rechten Kondensatorbelag) immer negativ gegen die Spannung u1 am
anderen Kondensatorbelag ist. So kann beim Umschalter S1 der obere Kontakt durch
eine
Diode D1 realisiert werden, die also den rechten Kondensatorbelag
mit der Stromquelle I verbindet. In gleicher Weise kann der untere Kontakt des Umschalters
S2 durch die Diode D2 realisiert werden, die den linken Kondensatorbelag mit Masse
verbindet. Diese Dioden steuern sich also selbst, was zu einer Vereinfachung der
Schalteransteuerung führt. Der jeweils andere Umschaltkontakt der beiden Umschalter
S1 und S2 wird hier durch Transistoren T1 und T2 gebildet, die als bipolare Transistoren
dargestellt sind, für die aber auch beispielsweise MOS-Transistoren verwendet werden
können.
-
Der Komparator besteht hier aus zwei Differenzverstärkern V1 und V2,
wobei der Differenzverstärker V1 als Spannungsfolger geschaltet ist. Sein Ausgang
ist mit dem invertierenden Eingang des als eigentlicher Komparator arbeitenden Differenzverstärkers
V2 und über eine Zenerdiode Z mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers
V1 sowie mit dem Kollektor eines dritten Transistors T3 verbunden. Die beiden mit
dem Kondensator C verbundenen Transistoren T1 und T2 werden gleichphasig, der Transistor
T3 gegenphasig vom Ausgangssignal angesteuert.
-
Zur Erläuterung der Funktion sei zunächst angenommen, daß die beiden
Transistoren T1 und T2 gesperrt sind, so daß der Transistor T3 also leitet. Dieser
Zustand entspricht der in Fig. 1 dargestellten Stellung der Umschalter S1 und S2
und des Schalters 53. Der Meßstrom ix aus der Stromquelle I fließt dann über die
Diode D1 in den Kondensator C, während die Diode D2 die Spannung u2 des anderen
Kondensatorbelags
praktisch auf Massepotential hält, wobei der Diodenspannungsabfall
vernachlässigt werden kann, da er nur eine gleichmäßige Spannungsverschiebung bewirkt.
Damit liegt also auch der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers V1
an Null Volt. Da der Transistor T3 leitend ist, ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers
V1 um die Zenerspannung der Zenerdiode Z positiver als die Spannung u3 am invertierenden
Eingang, und sie stellt sich daher so ein, daß die Spannung U3 ebenfalls praktisch
Null Volt beträgt, da der Differenzverstärker V1 eine hohe Verstärkung besitzt.
Damit liegt am invertierenden Eingang des Differenzverstärkers V2 also die Zenerspannung
UZ der Zenerdiode Z, während die Spannung u1 am nichtinvertierenden Eingang infolge
der Aufladung des Kondensators C durch den Meßstrom von etwa Null an linear ansteigt.
Die Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers V2 ist daher negativ, bis die Spannung
u1 den Spannungswert Uz erreicht hat.
-
Nun springt die Ausgangsspannung Ua des Differenzverstärkers V2 auf
einen positiven Wert um und sperrt über die Steuereinrichtung St den Transistor
T3 und schaltet die Transistoren T1 und T2 ein. Dadurch hat die Spannung u1 praktisch
Massepotential, während die Spannung u2 durch den auf die Spannung Uz aufgeladenen
Kondensator C praktisch auf -Uz spingt. Da der Transistor T3 gesperrt ist, hat der
invertierende Eingang des Differenzverstärkers V1 taktisch das gleiche Potential
wie seine Ausgangsspannung. Falls die Zenerdiode Z in diesem Zustand zu hochohmig
in Rezug auf den Eingangswiderstand des Differenzverstärkers V1 sein sollte, kann
sie
durch einen ohmschen Widerstand Rp überbrückt sein. Der Differenzverstärker
V1 arbeitet nun also als Spannungsfolger ohne Spannungsverschiebung, so daß am Eingang
des Differenzverstärkers V2 somit die Spannung u2 liegt.
-
Der Meßstrom ix aus der Stromquelle I lädt den Kondensator C nun also
über den eingeschalte-ten Transistor T2 auf, so daß die Spannung u2 von dem Wert
-UZ linear ansteig-t. Sobald die Spannung u2 den Wert Null erreicht, der auch an
dem nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V2 liegt, geht die Ausgangsspannung
Ua wieder auf einen negativen Wert und sperrt über die Steuereinrichtung St wieder
die Transistoren T1 und T2 und schaltet den Transistor T3 wiederein. Der Kondensator
C ist in diesem Augenblick ganz entladen, und der Zyklus kann in gleicher Weise
wieder von neuem beginnen. Die Wiederholfrequenz dieser Zyklen, d.h. die Frequenz
des Ausgangssignals Ua ist linear abhängig von der Größe des Meßstroms Die in Fig.
1 dargestellte Spannungsquelle UO wird hier also durch den Spannungsabfall UZ an
der Zenerdiode Z gebildet.
-
Vorteilhaft an dieser Art der Erzeugung dieser Spannung ist, daß von
dem Transistor T3 nur ein annähernd konstanter Strom im eingeschalteten Zustand
geliefert werden muß. Im ausgeschalteten Zustand soll der Strom nur möglichst klein
sein. Offsetspannung und Innenwiderstand haben dabei keinen Einfluß auf die Gesamtfunktion.
-
Patentansprüche: