DE2432978C3 - Schaltungsanordnung zur Multivibratorsteuerung mit einer Differenzverstärkerschaltung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Differeii/verstärkerschultung steuerbaren Verstärkungsgrades, die eine invertierende sowie eine nichtinvertierende Eingangsklemme, denen ge-

.15 trennte Eingangssignale zuführbar sind, eine Verstärkungssteuerklemme sowie eine Ausgangsklemme, an der ein Ausgangssignal auftritt, dessen Sinn von der Differenz zwischen den getrennten Eingangssignalen abhängt, hat. und deren Verslärkungsgrad proportional

.40 dem Wert eines der Verstärkungssteuerklemme zugeführten Verstärkungssteuersignals ist, wenn dieses einen vorgegebenen Sinn hat, während der Verstärkungsgrad kleiner als Eins ist, wenn das Verstärkungssteuersignal den entgegengesetzten Sinn hat; und mit einer Vorspannungsschaltung, die mit der Verstärkungssteuerklemme gekoppelt ist und den Verstärkungsgrad der Differenzverstärkerschaltung auf einen Ruhewert, der größer als Eins ist, einstellt. Insbesondere betrifft die Erfindung Multivibratorsteuerungen, im speziellen lastbare astabile oder freischwingende Mullivibratoren.

Multivibratoren werden für die verschiedensten Zwecke benötigt. Bei manchen Anwendungen braucht man einen Multivibrator, der entsprechend einem Steuersignal nach Wunsch einen fortlaufenden Schwingungszug zu erzeugen gestattet, also einen tastbaren astabilen Multivibrator. Bei Steuersignalen relativ kleiner Amplitude, wie sie z. B. von gewissen Brückensensoren geliefert werden, hat man bisher Schmitt-Triggerschaltungen, Differenzverstärker, Vergleicher

do und dergleichen verwendet, um das Steuersignal kleiner Amplitude auf einen Pegel vorzuverstärken, der sich für 'lie Tastung eines konventionellen Multivibrators i'ignet, ?.. B. einer über Kreuz gekoppelten Flipflop-Schaltung oder eines Oszillators mit einem Sperr-

<'■> schicht-Feldeffekttransistor oder Unijunction Transistor. Um mit Steuersignalen im Millivoltbereich einen getasteten astabilen Bereich zu erreichen, waren bisher also zwei getrennte Schaltungseinheiten erforderlich.

was sowohl kostspielig ist als auch den Schaltungsaufbau kompliziert macht.

Die Kosten und der Schaltungsaufwand vervielfachen sich außerdem noch in denjenigen Fällen, in denen zusätzlich eine Gleichstromisolation d;r Masse- oder Referenzspannungen des Multivibrators und eines Verbrauchers erforderlich ist und weiterhin, wenn es sich bei dem Sensor um eine Brückenschaltung oder ähnliches handelt, die Gegentakt- oder Differenzausgangssignale mit relativ hohem Gleichtakispannr.ngsanteil haben.

Es ist zwar bereits aus der US-PS 37 32 433 eine Sensorschaltung bekannt, die einen in einer Wheateston-Brücke liegenden veränderlichen Sensor-Widerstand enthält und Schwingungen liefert oder nicht, je nachdem, ob der Wert des veränderbaren Widerstandes diesseits oder jenseits eines vorgegebenen Schwellenwertes liegt. Die eine Diagonale der Brückenschaltung ist an die beiden F.ingangsklemmen eines Differenzverstärkers angeschlossen, und die andere Brückendiagonale an die beiden Ausgangsklemmen des Differenzverstärkers, zwischen die außerdem noch ein Parallelresonanzkreis geschaltet ist. Ob die Schaltung schwingt oder nicht, hängt vom Verstärkungsgrad des Differenzverslarkers und dieser wiederum vom Abgleichzustand der Brücke ab. Oszillatorschaltungen mit Schwingkreis sind jedoch in manc¹ r Hinsicht Multivibratorschaltungen unterlegen, insbesondere da der Schwingkreis eine hochwertige Induktivität und ebensolche Kapazität benötigt und diese verhältnismäßig groß und teuer werden, wenn niedrige Arbeitsfrequenzen benötigt werden.

Der vorliegenden Krfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die als lastbarer aslabiler Multivibrator betrieben und durch relativ kleine Steuersignale gesteuert werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine solche Schaltungsanordnung derart auszugestalten, daß sie durch Differenzeingangssignale mit Gleichtaktanteil in einem erheblichen Bereich von liingangsspannungen betrieben werden kann und sich leicht an Anwendungen anpassen läßt, bei denen eine Gleichstromisolation des Ausgangssignals gefordert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die gemäß dei Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen die Ausgangsklemme und die Verstärkungssteuerklemme eine Rückkopplungsschaltung gekoppelt ist, die der Verstärkungsiteuerklemme ein Schwingungen verursachendes Mitkopplungssignal zuführt, wenn die Eingangssignale in einem vorgegebenen Sinne differieren, und ein Schwingungen unterdrückendes Gegenkopplungssignal zuführt, wenn die Eingangssignale im entgegengesetzten Sinne differieren.

Bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden einem Differenzverstärker steuerbaren Verstärkungsgrades ein erstes und ein zweites Eingangssignal zugeführt. Der Differenzverstärker ist im Ruhezustand so vorgespannt, daß sein Verstärkungsgrad größer als Eins ist. Zwischen die Ausgangsklemme und die Verstärkungssteuerklemme des Verstärkers ist ι ne Rückkopplungsstrecke geschaltet, die Rückkopplungssignale in einem Schwingungen verursachenden "•''nne liefert, wenn die Eingangssignale erste Relativwerte aufweisen, und die Rückkopplungssignale in einem Schwingungen unterdrückenden Sinne liefert, wenn die Eingangssignale zweite Relativwerte aufwei-

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele, Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fi g. 1 bis 4 Schaltbilder von Ausführungsformen der Erfindung und

Fig. la ein Diagramm zur Erläuterung der sogenannten Zweiquadrantenmuhiplikation.

Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen Differenzverstärker 10, der außer einer invertierenden Eingangsklemme 12 und einer nichtinvertierenden Eingangsklemme 14, die üblich sind, außerdem eine Verstärkungssteuerklemme 16 aufweist. Der Differenzverstärker 10 gehört also generell zur Klasse der »regelbaren« Verstärker und bei diesem Ausführungsbeispiel zur speziellen Klasse der Verstärker, die eine Zweiquadrantenmultiplikation einer Differenzeingangsfunktion und einer Verstärkungssteuerfunktion auszuführtn vermögen.

Es sind die verschiedensten Schaltungsanordnungen zur Realisierung von Verstärkern mit steuerbarem Verstarkungsgrad bekannt. Zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung soll jedoch im folgenden kurz auf verschiedene Möglichkeiten der Steuerung des Verstärkungsgrades eingegangen werden, wobei die speziellen Anforderungen, die an den in der Zeichnung dargestellten Differenzverstärker 10 mit steuerbarem Verstärkungsgrad gestellt werden, besonders berücksichtigt werden.

Zwei derzeit in größerem Umfang verwendete Grundtypen von Verstärkern steuerbaren Verstärkungsgrades (Multiplizierungschaltungen) sind der sogenannte Impulsbreiten-Impulshöhen-Verstärker (PWPH-Verstärker) und der steilheitsvariable Verstärker.

Beim PWPH-Verstärker steuerbaren Verstärkungsgrades werden die Emgangsfunklionen α und y dazu verwendet, die Breite und die Höhe von intern erzeugten Impulsen zu steuern oder zu modulieren. Durch Integration der Impulse erhält man ein Ausgangssignal, das proporlional der Impulsfläche und damit proportional dem Produkt der Eingangsfunktionen ist.

Beim steilheitsvariablcn Vei stärker wird die Steilheit einer Halbleitereinrichtung durch ein Steuersignal gesteuert und es wird durch geeignete Maßnahmen verhindert, daß das Steuersignal selbst im Ausgangssignal des Verstärkers erscheint. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.

Beide Verstärkertypen können ^!m Vierquadrantenbetrieb oder im Zweiquadrantenbetrieb betrieben werden. Dt. Unterschied zwischen dem Vierquadrantenbetrieb und dem Zweiquadrantenbetrieb ist in dem Diagramm in Fig. la dargestellt, in dem längs der Ordinate die Werte einer Verstärkungssteuerfunktion χ und längs der Abszisse die Werte einer gesteuerten Funktion y dargestellt sind. Der Bereich a-b-e-f stellt den Betriebsbereich für die Werte χ und y sines Vierquadrantenmultiplizierers dar. Der Begriff »Vierquadran- !cn« gibt den zulässigen We^rtebereich für χ und ydar, «lie hier, wie dargestellt, beide positive und negative V. orte anzunehmen vermögen, d. h., daß χ und y bei eiiii.i'i Vierquadrantenmultiplizierer einen Wert in iedem der vier dargestellten Quadranten I, 11, HI und IV annehmen kann. Bei einem Zweiquadrantenmu'itiplizierer ist y oder α auf nur positive oder nur negative Werte beschränkt. So stellt z. B. in Fig. la der Bereich a-b-c-d den Wertebereich für einen Zweiauadrantenbetrieb dar.

bei dem für y sowohl positive als auch negative Werte, für χ dagegen nur positive Werte zulässig sind.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen arbeitet der Differenzverstärker tO im Zweiquadrantenbetrieb. Selbstverständlich kann man bei den Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung gewünschtenfalls jedoch auch einen Vierquadrantenverstärker (Vierquadrantenmultiplizierer) verwenden, wenn man das Steuersignal in bekannter Weise auf einen geeigneten Wertebereich begrenzt. So kann man z. B. das Steuersignal mit Hilfe von Dioden auf ausschließlich positive oder ausschließlich negative Werte begrenzen.

Eine zweite Bedingung, die an den Differenzverstärker 10 gestellt wird, besteht darin, daß er die Differenz zwischen zwei ihm zugeführten Eingangssignalen zu verstärken vermag. Dies kann dadurch bewirkt werden, daß man einen getrennten Differenzverstärker verwendet, dessen Ausgang mit einer Eingangsklemme eines PWPH- oder steilheitsveränderlichen Multiplizierers verbindet. Eine bessere, wirtschaftlichere Lösung besteht jedoch darin, einen Differenzverstärker mit steuerbarem Verstärkungsgrad zu verwenden, der beide Schaltungsfunktionen auszuüben vermag. Es sind steilheiisvariable Operationsverstärker, z. B. der Typ RCA CA3094 im Handel erhältlich, mit denen sowohl die Funktion der Differenzverstärkung als auch die der Steuerung des Verstärkungsgrades (Multiplikation) in zwei Quadranten durchgeführt werden kann. Zum Beispiel ist die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers CA3094 proportional einem einer Steuerklemme zugeführten Strom. Der Verstärkungsfaktor ist für den Strom Null und für negative Ströme im wesentlichen gleich Null, was einem Zweiquadrantenbetricb entspricht.

Der Differenzverstärker 10 der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung hat außer der invertierenden Eingangsklemme 12 und der nichtinvertierenden Eingangsklemme 14, die bereits erwähnt worden sind, noch eine Ausgangsklemme 20. Die Ausgangsklemme 20 des Verstärkers 10 ist mit einer mit einem Punkt bezeichneten Klemme 22 der Primärwicklung 23 eines Transformators 24 gekoppelt. Die andere Klemme 26 der Primärwicklung ist mit einem auf Bezugsspannung liegenden Schaltungspunkt 28 gekoppelt, der in der Zeichnung als Masse dargestellt ist. Der Transformator 24 hat eine Sekundärwicklung 35, deren mit einem den Wicklungssinn angebenden Punkt bezeichnete Klemme 30 über einen Widerstand 34 mit einer Bezugsspannungsklemme 32 gekoppelt ist. Die andere Klemme 36 der Sekundärwicklung 35 ist mit der Verstärkungssteuerklemme 16 des Differenzverstärkers 10 gekoppelt.

Im Betrieb liegt an der Bezugsspannungsklemme 32 ein positives Bezugspotential + V. Den Eingangsklemmen 14 und 12 werden Eingangssignale Vi bzw. Vi sowie eine Gleichtaktspannungskomponente V_cm zugeführt. Bei manchen Anwendungen kann die Gleichtaktspannungskomponente gleich einer Referenzspannung oder gleich OVoIt sein. Ihr genauer Wert ist für die Arbeitsweise vorliegenden Schaltungsanordnungen nicht wesentlich, solange sie in dem für den Differenzverstärker 10 zulässigen Bereich liegt. Für V_cm=0 Volt kann es beispielsweise wünschenswert sein, den Differenzverstärker 10 mit symmetrischen positiven und negativen Betriebsspannungen zu speisen. Derartige Vorspannungs- und Versorgungsschaltungen sind dem Fachmann bekannt und daher zur Vereinfachung der Zeichnung in F i g. 1 nicht dargestellt.

Angenommen, der Differenzverstärker 10 habe die erwähnten Eigenschaften, d. h. daß er die Differenz der seinen Eingangsklemmen 12 und 14 /ugeführten Signale entsprechend einem der Verstärkungsstcuerklemme 16 zugeführten Verstärkungssteucrsigna! verstärke. Der Arbeitsbereich des Verstärkers 10 ist auf zwei Quadranten beschränkt und bei diesem Beispiel sei angenommen, daß der Verstärkungsgrad des Verstärkers bei positiven Werten des Vcrstärkungsstcuersignals diesem proportional ist, während er beim Wert Null und bei negativen Werten des Vcrstärkungsstcucrsignals im wesentlichen gleich Null ist.

Das relativ gesehen positive Bezugspotential + Γ an der Klemme 32 läßt einen Strom durch den Widerstand 34 und die Sekundärwicklung 35 zur Vcrstärkungssteucrklemme 36 fließen. Der Zweck des Bezugspotentials + V besteht darin, den Differenzverstärker 10 anfänglich auf einen Verstärkungsfaktor, der größer ist als Eins, vorzuspannen. Bei anderen Anwendungen kann man sich anderer Verfahren bedienen, um den Differenzverstärker 10 in entsprechender Weise vorzuspannen bzw. seinen Ruheverstärkungsfaktor einzustellen. So kann man beispielsweise den Widerstand 34 direkt zwischen die Bezugsspannungsklcmme 32 und die Versiärkungssteuerklcmmc 16 schalten. In diesem Falle wird dann die Klemme 30 der Sekundärwicklung 35 mit Masse oder einem anderen Bezugspotentialpunki gekoppelt. Eine entsprechend gepolte Diode oder ein Kondensator in Reihe mit der Sekundärwicklung 5*5 kann dann unter Umständen erforderlich werden, um Verluste oder einen Kurzschluß des Vorspannungssi gnals zu verhindern. Kleinere Schaltungsvariationcr dieser Art sind dem Fachmann so geläufig, daß sich eine weitere Diskussion erübrigt.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 arbeitet ir dynamischer Hinsicht folgendermaßen: Wenn d;is Eingangssignal Vi von einem Wert, der negativer ist al¹ der des Signals V2, auf einen Wen, der positiver ist als der des Signals V2. ansteigt, wird die Ausgangsklemmt 20 ein relativ positives Ausgangspotential liefern, da' einen Strom in die mit einem Punkt bezeichnete Klemme 22 des Transformators 24 fließen läßt. Du. Zunahme des Primärstromes erzeugt eine Flußzunahmc im Transformator 24, durch die in der Sekundärwicklung 35 eine Spannung in einem Sinne induziert wird der den Strom in die Verstärkungssteuerklemme IC erhöht, was den Verstärkungsgrad des Verstärkers IC vergrößert. Dies setzt sich fort bis der Differenzverstärker 10 den Sättigungsbereich erreicht und dei Primärstrom nicht weiter ansteigen kann. Die Ge schwindigkeit. mit der sich der Fluß im Transformatoi 24 ändert, nimmt dabei auf Null ab, se daß die Sekundärwicklung 35 kein Signal mehr liefert, das der Ruhestrom von der Bezugsspannungsklemme 32 unter stützt. Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 10 neig daher dazu, auf den Ruhewert abzusinken, da jedoch die Spannung an der Ausgangsklemme 20 abzunehmer beginnt, sinkt der in die Klemme 22 der Primärwicklung 23 fließende Strom ebenfalls ab. Dies führt zu einei Flußabnahme im Transformator 24, durch die in dei Sekundärwicklung 35 eine Spannung in einem Sinn« induziert wird, die dem Ruhestrom von der Bezugsspan nungsklemme 32 entgegenwirkt. Hierdurch wird dei Verstärkungsgrad des Verstärkers weiter herabgesetzt Dies setzt sich fort, bis das Potential an de Ausgangsklemme 20 nicht mehr weiter absinken kann Wenn dies eingetreten ist, wird die Geschwindigkeit, mi der sich der Fluß im Transformator 24 ändert, wieder zi

Null, die durch die Sekundärwicklung 35 erzeugte (iegcnspanniing wird ebenfalls Null und der Verstärker kehrt wieder in seinen Zustand mit dem Ruhevcrstärkungsfaktor zurück. Die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich zyklisch und es entstehen wegen der Mitkopplung (positiven Rückkopplung) kontinuierliche Schwingungen, solange V\ größer ist als ΙΛ.

Die Situation ist jedoch anders, wenn V₂ größer ist als \'i. In diesem TaIIc ändert sich die Natur der Rückkopplung von einer positiven, also schwingungser-/engenden Mitkopplung in eine negative, stabile Gegenkopplung. Wenn sich /. 15. V₂ auf einen Wen ändert, der größer isl als der von V), nimmt die Ausgangsklemmc 20 ein relativ niedrigeres Potential an und es fließt dadurch ein Strom von der mit einem Punkt bezeichneten Klemme 22 des Transformators 24 /ur Ausgangsklemmc 20. Dieser Strom erzeugt im Trans formator eine Hubänderung, die in der Sekundärwicklung 35 eine Spannung in einem Sinne induziert, der der der Verstärkungsstcuerklcninie 16 zugeführten Vorspannung entgegenwirkt, so d'jß der Verstärkungsgrad des Verstärkers herabgesetzt wird. Das Rüekkopplungssignal bewirkt in diesem !-"alle eine Gegenkopplung, d. h. es strebt da/u, den Verstärkungsfaktor des Verstärkers kurzzeitig unter den Wert F^:.ins abzusenken, so daß sich die Schaltungsanordnung schließlich in einem Gleichgewichtszustand stabilisiert, bei dem der Verstärkungsfaktor seinen ursprünglichen Wert hat. Man beachte, daß die Schaltungsanordnung schwingen würde, wenn der Verstärker eine Vierquadrantenmultiplikation ausführen könnte, da dann eine Vorzeiehcnänderung des Ausgangssignals an der Ausgangsklemmc 20 einträte, wenn cas Vcrstärkungssteucrsignal negativ wird. Da der Differenzverstärker IO hier jedoch einer Vierquadrantenmulliplikation nicht fähig ist, kann diese Situation nicht eintcten. Bei Verwendung eines im Vierquadrantenbetrieb arbeitenden Differenzverstärkers mit steuerbarem Verstärkungsgrad wäre es selbstverständlich erforderlich, den Betrieb durch besondere Maßnahmen auf zwei Quadranten zu beschränken, wie oben ausgeführt worden ist.

Ks ist einleuchtend, daß die Polung oder Phasenlage der Windungen des Transformators 24 in Bezug aufeinander für die Arbeitsweise der vorliegenden Schaltungsanordnung nicht wesentlich ist. Wenn man z. B. die Polung der Wicklung umkehrt, arbeitet die Schaltungsanordnung in der beschriebenen Weise, die Schwingungen treten jedoch immer dann auf, wenn V₂ größer ist als Vi, während die Schwingungen aufhören, wenn Vi größer ist als V₂.

Die Fähigkeit der Schaltungsanordnung gemäß F i g. I. den Typ der Rückkopplung in Abhängigkeit von der relativen Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen zu ändern, stellt ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung dar, aufgrund dessen ein einziger Verstärker in der Lage ist, die Funktionen auszuüben, für die normalerweise ein Differenzverstärker und ein getasteter Oszillator erforderlich ist. Dadurch, daß man den Transformator 24 mit einer dritten Wicklung versieht, kann die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 1 außerdem auch leicht und billig von einer nachgeschalteten Einrichtung zur Verwertung der erzeugten Signale, die im folgenden kurz als »Verbraucher« bezeichnet werden soll, isoliert werden.

Die Schaltungsanordnung gemäß F i g. 2 ähnelt im Aufbau und in der Arbeitsweise der geniäß Fig. 1, sie enthält zusätzlich jedoch noch zwei Widerstände 40 und 42 und einen Kondensator 44. Der Widerstand 40 ist zwischen die Ausgangskleninie 20 und die mit einem Punkt bezeichnete Klemme 22 der Primärwicklung 23 des '! ι unsformators 24 geschaltet. Er hat den Zweck, den Stromfluß in der Primärwicklung 23 des Transformators 24 zu begrenzen. Bei Verwendung eines Transformators, dessen Primärwiderstand ohne Reihenwiderstand ausreicht, kann der Widerstand 40 entfallen. Der Widerstand 40 kann außerdem auch dann weggelassen werden, wenn der Differenzverstärker 10

ίο eine so hohe Ausgangsimpedanz hat, daß der Primärsirom des Transformators auf zulässige Werte begrenzt wird.

Der Kondensator 44 ist zwischen den als Masse angenommenen Sehaltungspunkt 28 und die mit einem Punkt bezeichnete Klemme 30 der Sekundärwicklung 35 geschaltet. Der Zweck des Kondensators 44 besteht darin, für die an der Klemme 30 auftretenden, induzierten Rückkopplungssignalc einen Stromweg niedriger Impedanz nach Masse zu schaffen und gleichzeitig den über den Widerstand 34 zugeführten, zur Vorspannung dienenden Strom zu sperren. Ein solcher Kondensator kann erforderlich werden, wenn die .Sekundärimpedanz des Transformators 24 sehr viel kleiner ist als der für den Widerstund 34 gewählte Wert, da sonst >Jie in der Sekundärwicklung 35 induzierten Rückkopplungsströmc unter Umständen keine ausreichende Wirkung auf den Wert des der Verstärkungsstcucrklcmme 16 zugeführten Verslärkungssteuersignals haben.

Bei Anwendungen, in denen die Werte der Sekundärimpedanz des Transformators 24 und des Widerstandes 34 in Bezug aufeinander den zur Überbrückung oder Ableitung dienenden Kondensator erforderlich machen (d. h. bei einem niedrigen Windungsverhältnis und einem hohen Widerslandswert) kann es ferner notwendig sein. Maßnahmen zur Begrenzung des Sekundärstromes des Transformators vorzusehen, um einen übermäßigen Stromfluß zur Verstärkungssteuerklemme 16 zu verhindern. Dies wird bei einer Ausführungsform gemäß F i g. 2 durch den Widerstand 42 gewährleistet, der zwischen die Verstärkungssteuerklemme 16 und die Klemme 36 des Transformators gekoppelt ist. Der Widerstand kann selbstverständlich stattdessen auch dem Kondensator 44 in Reihe geschaltet werden oder der Widerstand 42 kann ganz entfallen, wenn der Widerstand der Sekundärwicklung ausreichend ist.

Die in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung eignen sich besonders für eine transformatorische Potentialtrennung, da man hierfür keinen eigenen Transformator benötigt, sondern den Transformator 24 nur mit einer dritten Wicklung zu versehen braucht. Ein einziger Transformator mit drei Wicklungen ist ja gewöhnlich billiger als zwei Transformatoren mit jeweils zwei Wicklungen.

F i g. 3 zeigt die Verwendung eines Transformators 24 mit einer dritten Wicklung zur Gleichstromisolation in einer Steuerschaltung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält. Die hauptsächlichen Schaltungselemente der in F i g. 3 dargestellten Schaltungsanordnung sind eine einen Trenntransformator enthaltende Betriebsgleichstromquelle 50, ein zustand=empfindlicher Sensor 78 in einer Brückenschaltung 52 mit vier Armen, ein differenzgetasteter astabiler Multivibrator 54 und ein thyristorgesteuerter Verbraucher 56.

Der Transformator 51 in der Betriebsgleichstromquelle 50 ist mit seiner Primärwicklung 53 an Klemmen 57 und 58 für eine Eingangswechselspannung angeschlossen. Die Sekundärwicklung 60 des Transforma-

!ors 51 i.sl mil einer Gleichrichter- und Filterschaltung 62 verbunden. Die Gleichrichter- und Filterschaltung 62 hat Ausgangsklemmen 64 und 66, an denen eine Aiisgangsglcichspannung — V bzw. + V zur Verfügung steht. Diese Spannungen dienen als Betriebsspannungen für die den Sensor 78 enthaltende Brückensehaltung 52 und den Multivibrator 54.

Der Brückenschallung 52 werden die Betriebsspannungen + V und - V liber Klemmen 72 bzw. 74 zugeführt. Die Klemmen 72 und 74 sind über einen '° Brückenabgleichwiderstand 76 bzw. den Sensor 78 mit einer Hrückcnausgungsklcmmc 80 gekoppelt, Ferner sind die Klemmen 72 und 74 über Widerslände 84 bzw. 86 mit einer zweiten Brückenausgangsklemme 82 gekoppelt. '5

Die der. Sensor enthaltende Brückenschaltung is! eine bekannte Viertelbrückenschaltung, d. h.sie enthalt einen aktiven Arm und drei passive Arme. Selbstverständlich kann man auch andere Brüekensehaltungen verwenden, z. B. Halb-, Dreiviertel- und Vollbrückenschaltungen. In Fig. 3 ist lediglich der Einfachheit halber eine Viertelbrückenschaltung dargestellt.

Der Multivibrator 54 entspricht im wesentlichen der Schaltungsanordnung gemäß I' i g. 2, der Transformator 24 hat jedoch noch eine dritte Wicklung 81, deren ²S Klemmen mit 83 und 85 be/eichnei sind. Die Klemme 83 ist mit einem Punkt bezeichnet, um die relative Phasenlage oder den Wicklungssinn der dritten Wicklung 81 bezüglich de·· Primärwicklung 2.3 und der Sekundärwicklung 35 anzugeben. Der Differenzverstarker 10 ist mit Betriebsspannungsklcmmen 87 und 88 dargestellt, die mit den Klemmen 64 bzw. 66 gekoppelt sind und dementsprechend mit den Betriebsspannungen - V bzw. + V gespeist werden. Die nichtinvertierende Eingangsklenime 14 und die invertierende Eingangsklemme 12 sind mit den Brückenausgangsklemmcn 80 bzw. 82 gekoppelt. Der Bezugsspannungsquelle 32 des Multivibrators 54 ist die Betriebsspannung + V zugeführt, um einen zur Vorspannung dienenden Ruhestrom zu erzeugen, der durch den Widerstand 34. die Sekundärwicklung 35 und den Widerstand 42 zur Verstürkungssteuerkiemme 16 fließt.

Die Ausgangsschaltung 56 enthält einen Verbraucher 90. der zwischen die Wechselspannungsklemme 57 und die eine Hauptklemme T₂ eines Triacs 92 geschaltet ist. Die andere Hauptklemme 71 des Triacs ist mit der Wechselspannungsklemme 58 gekoppelt. Die Steuerklemme G des Triacs ist über einen Widerstand 94 mit der Klemme 83 des Transformators 24 gekoppelt. Die Klemme 85 des Transformators ist mit der Hauptklemme 71 des Triacs 92 gekoppelt.

Bei Anwendungen, in denen eine Temperatur überwacht, gesteuert oder geregelt werden soll, kann der Sensor 78 ein temperaturempfindliches Element, wie ein Widerstand, ein Thermistor, eine Diode oder dergleichen sein. Bei einer Überwachungseinrichtung kann der Verbraucher 90 aus einer Lampe, einem Läutwc-k, einer Hupe, einem Registriergerät oder irgendeiner anderen geeigneten Einrichtung bestehen. Bei einem Temperaturregler kann der Verbraucher 90 ^fo ein Gebläse, eine Kühlmittelpumpe, eine Heizvorrichtung oder irgendeine andere Einrichtung sein, die mit dem Sensor in einer Regelschleife liegt. Für die folgende Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 3 soll angenommen werden, daß der Sensor ⁶S 78 ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten und der Verbraucher 90 ein mit dem Sensor 78 gekoppeltes Heizelement ist und daß ein die thermische Kopplung bewirkendes Medium auf einer vorgegebenen Solltemperatur gehalten weiden soll.

Es sei angenommen, daß die Temperatur ties Kopplungsmediunis anfänglich unter der Solltemperatur liegt. Wenn eine Wechselspannung an die Klemmen 57 und 58 angeschaltet wird, liefert die Betriebsgleichstromc|iielle 50 die Betriebsspannungen + V und - V. die durch den als Trenntrarisformalor wirkenden Transformator 51 gleichslrommäßig von den z. B. mit dem Netz verbundenen WcchseWpannungskleiumeii isoliert sind. Wenn sich die Brücke in Gleichgewicht befindet, lassen die der Brückensdialtung 52 zugeführ ten Betriebsspannungen an den Brückenausgangsklemmen 80 und 82 eine symmetrische oder Gleichtaklspannung K„, entstehen. Nimmt man an. daß die Brücke anfänglich durch Kiiisiellen des Brückenabgleichwiderstandes 76 abgeglichen worden war. so nimmt das Potential an der Brückenausgangsklemme 80 zu, wenn die Temperatur absinkt, da vorausgesetzt worden war. daß der Sensor 78 einen negativen Teniperalurkoefl'izienlen hat. Das Potential an tier nichtinvertieiendcn Fingangsklemme 14 ist dann größer als das an der inverlierenden Eingangsklenime 12 des Dilferenzver stärkers 10 und bewirkt, daß der Multivibrator 54 in der beschriebenen Weise schwingt. Die Schwingungen werden über den Strombegrenzungswiderstand 44 auf die Steuerelektrode G des Triacs 92 gekoppelt und zünden diesen.

Wenn der Triac (oder ein anderer Thyristor) leitet, wird der Verbraucher 90 mit Wechselspannung gespeist und strebt dann die Temperatur des Sensors 78 /:i erhöhen, wodurch das Potential an der Brückenausgangsklemmc 80 auf einen Wert unter dem des Potentials an der ßriickenaiisgangsklcmme 82 abgesenkt wird und die Schwingungen des Multivibrators 54 unterbrochen werden, was wiederum zu einem Abschalten des Triacs 92 führt. Auf diese Weise erfolgt also eine Zweipunktregelung (im Gegensatz, zu einer Proportionalregclung) der Temperatur, bei der die Temperaturschwankungen unter anderem durch die dem Verbraucher 90 zugeführte F.ingangsleistung und die Wärmekapazität (thermische Zeiikonstanie) des Systems bestimmtwerden.

Um einen Betrieb mit möglichst hohem Wirkungsgrad (größtem Stromflußwinkel des Triacs 92) zu gewährleisten, soll die Multivibrjtorfrequenz groß im Vergleich zur Frequenz der Eingangswechselspannung sein. Dies ist selbstverständlich nicht erforderlich, wenn der Multivibrator 54 in geeigneter Weise mit der Eingangswechselspannung phasensynchronisiert wird, z. B. indem man in bekannter Weise der Verstärkungssteuerklemme 16 Netzfrequenzkomponenten zuführt. Bei dem erläuterten Beispiel arbeitet der Multivibrator 54 jedoch als freischwingender Oszillator, wenn die einer Eingangsklemme 14 zugeführte Spannung größer ist als die Spannung an der Eingangsklemme 12. Bei einer vorgegebenen Anwendung hängt der Mindestwert der Schwingungsfrequenz des Multivibrators 54 bezüglich der Frequenz der Eingangswechselspannung unter anderem von den Zündeigenschaften oder der Steuerempfindlichkeit des Triacs 92. der Frequenz der Eingangswechselspannung, der durch die dritte Wicklung 81 des Transformators 24 erzeugten Steuer- oder Zündspannung und dem kleinsten mittleren Stromflußwinkel, der für den Triac 92 zulässig ist, ab. Diese Parameter sind rein konstruktiver Natur und ändern sich mit den jeweiligen Anforderungen des Anwenders. Sie werden hier nur erwähnt, um zu betonen, daß die

Allsgangsphase des Multivibrators unabhängig von der der Kingangswechselspannung ist und dalj dies unier Umstanden bei tier Anwendung berücksichtigt werden muß.

Bei der Schaltungsanordnung geiniiß I" i g. 4 ist /wischen die Ausgangsklemme 20 und die Verstärkungssleuerklemme 16 lies Differenzverstarkers IO ein Rückkopplungskondensalor 100 geschaltet, Der Widerstand 34 ist /wischen die Be/ugsspannungsklemnie 32 und die Verstä'rkiirigssletiei klemme 16 geschaltet. Mit 12 und 14 sind wieder die invertierende b/w. nichiinvertiercnde Hingangsklemme des Differenzverslärkers IO bezeichnet.

Die Schaltungsanordnung gemäß I'i g. 4 arbeilet im allgemeinen ähnlich wie die .Schaltungsanordnung gemäß I" i g. 1; das Rückkopplungssignal wird hier jedoch durch ein elektrisches Feld in einem Kondensator und nicht durch einen magnetischen Fluß in einem Transformator übertragen. Bei der Schaltungsanordnung gemäß I i g. 4 laßt sich daher die oben beschriebene einfache transformatorische l'otentialirennung nicht durchfuhr'·!), diese Schaltungsanordnung eignet sich jedoch besonders für Anwendungen, bei denen ein Transformator wegen seiner (jröße. seines Gewichts und seiner Kosten weniger erwünscht ist oder eine Isolation nicht erforderlich ist.

Im Betrieb der Schaltungsanordnung gemäß F i g. 4 wird der lie/ugsspannungsklemme 3? eine I3e/ugsspannung + V /ugclührt. die einen Strom durch den Widersland 34 /ur VerstärkungsMeuerklemme !6 fließen läßt, welcher den Differenzverstärker 10 so vorspannt, daß sein Verstärkungsfaktor größer als Kins ist. Der nichtinvertierenden limgangsklemme 14 und der invertierenden l'ingangskiemme 12 werden Kingangssignale Vi+ V₁,,, bzw\ IA+ V₁₇₁₁ZUgCfUhTt. Wenn sich Vi von einem Wert, der kleiner ist als Vi zu einem Wen, der größer ist als V· ändert, nimmt das Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 20 einen mehr positiven Wert an. so daß ein Strom durch den Kondensator 100 zur Verstärkungssteuerklenime 16 fließt. Dieser Strom strebt den Verslärkungsgrad des Verstärkers 10 zu erhöhen, was zu einer weiteren Erhöhung der Ausgangsspannungen an der Ausgangsklemme 20 führt. Dies setzt sich fort. b^;s der Kondensator 100 voll aufgeladen ist. worauf der Rückkopplungsstrom absinkt und den Verstärkungsfaktor des ^verstärkers 10 herabsetzt, was wiederum zu einer Verringerung des l'otentials an der Ausgangsklemme 20 führt. Das Absinken des Potentials wird durch den Kondensator 100 auf die Verstarkungssteuerklemme 16 rückgekoppelt, wodurch der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 10 weiter herabgesetzt wird, bis er schließlich im wesentlichen Null ist. Nimmt man an, daß von der Verstärkungssteuerklemi te 16 kein Rückstrom fließt, so wird der Kondensator 10 durch einen Strom über den Widerstand 34 aufgeladen, der die Spannung an der

ίο Verstarkungssteuerklemme 16 erhöht, was wiederum den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 10 heraufsetzt und den Zyklus erneut beginnen läßt. Ks werden also fortlaufende Schwingungen erzeugt, solange V| größer ist als '/2.

Wie anhand von F i g. 1 erläutert worden war, bewirkt eine Spannung an der Eingangsklemme 12, die größer ist als die an der Eingangsklemme 14. ein Absinken der Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme 20. Diese Änderung wird durch den Kondensator 100 auf die

*° Verstarkungssteuerklemme 16 gekoppelt und setzt den Verstärkungsfaktor des Verstärkers herab, so daß sieh der Verstärker in einem schwingungslosen Zustand stabilisier).

Die Frequenz und Form der durch die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele erzeugten Schwingungen hängen unter anderem von den Verstärkungssteuereigenschaften und der effektiven Ausgangsimpedanz des jeweils verwendeten regelbaren Differenzverstärkers sowie den Blindwiderständen des Transformators 24 bzw. des Rückkopplungskondensators 100 ab. Mit der Schaltungsanordnung gemäß F i g. j können beispielsweise bei Verwendung des steilheitsveränderlichen Verstärkers CA J094 als Differenzverstärker 10 und eines Impulstransformators vom Typ Sprague 1IZ2104 als Transformator 24 Miiltivibraiorausgangsfrequenzen über 10 kHz erzeugt werden. Diese im Vergleich zur Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz hohe F'requenz. gewährleistet sehr hohe Stromflußw inkel für den Triac 92. wenn der Multivibrator 54 (Fig. 3) schwingt.

Selbstverständlich können auch andere geeignete Verstarkersehalmngen mit Diffcrcnzeingängen und steuerbarer Verstärkung (die auf zwei Quadranten beschrankt ist) sowie andere geeignete Transformator ren in den Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung insbesondere zur Multivibratorsteuerung mit einer Differenzverstärkerschaltung steuerbaren Verstärkungsgrades, die eine invertierende sowie eine nichtinvertierende Eingangsklemme, denen getrennte Eingangssignalc zufiihrbar sind, eine Verstärkungssteuerklemme sowie eine Ausgangsklemme, an der ein Ausgangssignal auftritt, dessen Sinn von der Differenz zwischen den getrennten Eingangssignalen abhängt, hat, und deren Verstärkungsgrad proportional dem Wert eines der Verstärkungssteuerklemme zugeführten Verstärkungssteuersignals ist, wenn dieses einen vorgegebenen Sinn hat, während der Verstärkungsgrad kleiner als Eins ist, wenn das Verstärkungssteuersignal den entgegengesetzten Sinn hat, isnd mit einer Vorspannungsschaltung, die mit der Verstärkungssteuerklemme gekoppelt ist und den Verslärkungsgrad der Differenzverstärkerschaltung auf einen Ruhewert, der größer als Eins ist, einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Ausgangsklemme (20) und die Verstärkungssteuerklemme (16) der Differenzverstärkerschaltimg (10) eine Rückkopplungsschaltung (24 oder 100) gekoppelt ist, die der Verstärkungssteuerklemme (16) ein Schwingungen verursachendes Mitkopplungssignal zuführt, wenn die Eingangssignale in einem vorgegebenen Sinne differieren, und ein Schwingungen verhinderndes Gegenkopplungssignal zuführt, wenn die Eingangssignale im entgegengesetzten Sinne differieren.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (24 oder 100) zwischen der Ausgangsklemme (20) und der Verstärkungssteuerklemme (16) lediglich eine Wechselstromrückkopplungsstreckc enthält, die das Verstärkungssteuersignal sowohl an den Verstärker liefert als auch in seiner Dauer begrenzt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung einen Transformator (24) mil Primärwicklung (23) und Sekundärwicklung (35) enthält; daß die Primärwicklung zwischen die Ausgangsklemme (20) und einen ersten Bezugspotentialpunkt (28) geschaltet ist und daß die Sekundärwicklung zwischen die Verstärkungssteuerklemme (16) und einen zweiten Bezugspotentialpunkt (32) geschaltet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (40) zum Begrenzen des die Primärwicklung (23) durchfließenden Stromes.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung des Verstärkers einen Widerstand (34) enthält, der in Reihe mit der Sekundärwicklung (35) zwischen dem zweiten Bezugsspannungspunkt (32) und die Verstärkungssteuerklemme (16) geschaltet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Widerstand (34) und der Sekundärwicklung (35) über einen Kondensator (44) mit dem ersten Bezugsspannungspunkt (28) gekoppelt ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (24) eine dritte Wicklung (81) aufweist, an der ein isoliertes Ausgangssignal entsprechend der Flußänderungsgeschwindigkeit im Transformator zur Verfügung steht.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit der dritten Wicklung (81) eine Halbleiterschaltvorrichiung (T2) gekoppelt ist, die einen Laststrom entsprechend dem ihr zugeführten isolierten Ausgangssignal von der dritten Wicklung steuert.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsstrecke einen Kondensator (100) enthält, der zwischen die Ausgangsklemme (20) und die Verstärkungssteuerklemme (16) geschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Ausgangsklemme eine Thyristorschaltvorrichtung (92) über eine potentialtrennende Einrichtung gekoppelt ist, die einen Verbraudierstrom entsprechend dem ihr zugeführten Ausgangssignal schaltet.

11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichne! durch einen zustandsempfindlichen Sensor (78). der Eingangssignale für die inverlierende und die nichtinvertierende F.ingangsklemme (12, 14) liefert und mindestens eines dieser Eingangssignale in Abhängigkeil von dem Zustand ändert.