DE2446850C3 - Spannungsvergleichsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsvergleichsschaltung der im Gattungsbegriff des Palentanspruchs I angegebenen Art.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, die die Feststellung ermöglicht, ob das Verhältnis oder die Höhendifferenz zwischen zwei Gleichspannungen, die gegebenenfalls veränderlich sind, aber dieselbe vorbestimmte Polarität haben, unter oder über einem bestimmten Wert liegt.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die erfindungsgemäße Spannungsvergleichsschaltung die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale auf.

Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Schaltung zum Vergleichen von zwei Spannungen soll für das bloße Verhältnis dieser Spannungen empfindlich sein, unabhängig von ihren Werten, die sie in jedem Zeitpunkt in ihrem besonderen Ändcrungsintcrvall einzeln annehmen. Diese Schaltung soll als integrierte Schallung, Hybridschaltung oder als monolithische Schaltung hergestellt werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch gekennzeichneten Spannungsvergleichsschaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Wie gezeigt werden wird, ist die resultierende Spannung eine verhältnismäßig einfache Funktion des Ver-

hältnisses der beiden zu vergleichenden Spannungen, d. h. der Differenz ihrer Höhen. Man kann somit die Erfindung nicht nur dafür verwenden anzuzeigen, ob die Differenz der Höhen zwischen den beiden Gleichspannungen unter oder über einem gegebenen Wert Heilt, sondern man kann sie auch zum Messen dieser Differenz anwenden, indem ein Spannungsmeßgerät bekannter Art verwendet wird, welches vorher gemäß der Funktion geeicht worden ist, die die resultierende Spannung mit der Differenz der Höhen der beiden verglichenen Spannungen verknüpft.

Die Vergleichsschaltung nach der Erfindung ermöglicht außerdem, die Höhen von zwei periodischen oder nichtperiodischen Wechselspannungen mit festen oder veränderlichen Höhen zu vergleichen. Es eenügt, gleichzeitig eine zweckmäßige Verstärkung. Gleichrichtung und Filterung jeder der Spannungen mit Hilfe von zwei zwar getrennten, jedoch praktisch üleichen Schaltungen vorzunehmen und die von diesen Schaltungen gelieferten Spannungen mil fester Polarität an den Eingang der Vergleichsschaltung anzulegen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ersieben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist.
In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Grundschaltbild einer Vergleichsschaltung nach der Erfindung, die

Fi c. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispicle eines Teils der Grundschaltung von F i g. 1,

F i si. 4 ein erstes Ausfuhrungsbcispicl des Ausgangskreises der Vergleichsschaltung von Fig. 1,

F i n. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel dieses Aus-•langskreises und

Fi u. 6 eine Einzeldarstellung einer Variante der Grundschaltung von F i g. 1.

F i sz. 1 Ein erster Spannungsteiler enthält den Widerstand 3 und die Halbleiterdiode 1; ein zweiter Spannungsteiler den Widerstand 4 und die Diode 2; ein dritter Spannungsteiler die Diode 5 und den Widerstand 6. Die beiden zu vergleichenden Spannungen U 1 und U 2, deren Polaritäten als positiv aniienommcn sind, sind an die Eingangsklemmen11, 12 angelegt. Sie speisen den ersten und den zweiten Spannungsteiler über Widerstände 7 bzw. 8 und spannen die Dioden 1 bzw. 2 vor.

Der Buchstabe R, gefolgt von einem Bezugszeichen, bezeichnet den Gleichstromwidcrstana des betreffenden Bauelements, d. h. der Diode oder des Festwiderstandes, während die Buchstaben Rd, gefolgt von einem Bezugszeichen, den Differcntialwiderstand der entsprechenden Diode bezeichnen, wobei die obengenannten Bauelemente derart gewählt sind, daß gilt:

R7 » Rl und R3 » Rl sinusförmige Spannung mit einer Amplitude F.. Diese Spannung speist den dritten Spannungsteiler 5, 6 über einen Verbindungskondensator 15. Die eine Amplitude V aufweisende sinusförmige Spannung an einem

Punkt 16, welcher mit der Diode 5 und dem Widerstand 6 verbunden ist. wird über Verbindungskondensatoren 17 und 18 zu Punkten 19 bzw. 20 übertragen. Die Amplituden V1 bzw. V 2 aufweisenden sinusförmigen Spannungen an mittleren Punkten 21 bzw.

"ο 22 liegen an Klemmen 23 bzw. 24 des Ausgangskreises 25 an, der in verschiedenerlei Weise aufgebaut sein kann, was weiter unten beschrieben ist (Fig.4 und 5). Der Ausgang des Kreises 25 steuert die Anwendungssehaltung 30.

"5 Als Anhaltspunkt sei angegeben, daß sich die Spannungen U 1 und U 2 bei der üblichen Praxis in der einen oder in der anderen Richtung ändern können, wobei ihr Verhältnis zwischen 1 und 20 bleibt.

Fs sei daran erinnert (und diese Feststellung wird

zum Schreiben der Beziehung zwischen dem Ausgangssigna¹, und dem Verhältnis ^j verwendet), daß der Differentialwiderstand einer Halbleiterdiode, hier eine beliebige Diode der Dioden 1. 2 und 5, mit sehr guter Annäherung umgekehrt proportional zu dem sie durchfließenden Strom ist.

Wenn die Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind, kann man für die Gleichspannungen und Gleichströme mit sehr guter Näherung sehreiben:

Ll = (R7 + R3) /1 L 2 = (R8 + R4) /2

(3)

Die sinusförmigen Spannungen und Größen sind sämtlich in Phase, weil die Schaltung kein Blindstrom-Bauelement enthält, mit Ausnahme der Verbindungskondensatoren, deren Werte aber so gewählt sind, daß keine Phasenverschiebung hervorgerufen

wird. Man kann somit nur die Amplituden betrachten und schreiben:

V = E

R6

Ri/5

Rl:

_F ^R6

R4

woraus sich unter Verwendung d^r Gleichungen (3) ergibt:

R8 » R2 und R4 R6 <e Rf/5 R3 » Ri/1

R2

R 4 »
R7+R3 R8FR4

(D

Vl-Vl = ^«6

₁).

= k.

(2)

R3 R4

-im- Quelle IO liefert an den Klemmen 13. 14 eine Fi g. 2 Das Netzwerk 9 enthält einen einzigen Widerstand R9a. der mit der Klemmeil und dem Verbindungspunkt des Kondensators 15 und der Diode 5 verbunden und so groß ist, daß gilt:

R9ii » R5 und R9a » R6 .

In diesem Fall kann man somit schreiben: UJ -= R9<( /,

si) daß die Gleichung (4) geschrieben werden kann: «6

V 2 - Il

E k

«9(ί \U1

In diesem FaII wird man den in F i g. 4 dargestellten Ausgangskreis verwenden.

Man wird feststellen, daß die beiden Werte von

^!, die zwei Werten von (Vl - II) entsprechen. 1/2

welche im Absolutwert gleich sind, aber entgegengesetzte Vor/eichen haben, nicht zueinander entgegengesetzt sind.

I'i g. 3 Das Netzwerk 9 enthält zwei Widerstände 91 und 92, die mit den Klemmen Il bzw. 12 verbunden und so groß sind, daß gilt:

«91 und R92 >· «5 und «6.

woraus folgt:

(Ί =-.-_ R91 /M]
i/2 - «92 IhI J

mit / = //'1 + IhI.

nerlei Weise mil I ransistoren oder Operationsverstärkern verwirklicht weiden.

Hei dem dargestellten Ausführiingsbeispiel enthält die SchaltungM) (Fig. I): zwei Schwcllenwertschallungen31. 32 (deren Schwellenwerte dem für jede Richtung gegebenen 1 löhenabsland entsprechen), eint ()DliR-Schalliing33 und eine Anordnung 34, bei welcher es sich je nach Lage des Falles um eine Auslöschschaltung, die einen Alarm oder eine Signalgebuni;

ίο steuert, um einen Regelanirieb für die Spannungen U I und oder Ul usw. handeln kann.

Ausgangskieis von Fig. 5 Der Verstärker 2" und der Gleichrichter 28 liefern an einer Klemme 281 eine zu dem Wert |l'2 - Fl| proportionale Gleichspannung, die an der Schwellenwertschaltung 35 anliegt. Der Ausgang dieser Schwellenwertschaltuni: steuert eine Anwendungsschallung36. die der Schallung 34 von I- i g. 4 ähnlich sein kann. Abwandlung der Vergleichsschaltung Wenn in F' i g. 1 die Positionen der Bauelemente I. 2 und 6 mi denen der Bauelemente 3 bzw. 4 bzw. 5 vertausch: werden und wenn man die Bedingungen (1) durch die folgenden ersetzt:

Praktisch wählt man «91 = «92 = «9/).so daßgilt: 25 «7 »Kl und «3

Il -! L/2 = «9/?(//>l + IhI) ^ R9h I
und sich für die Gleichung (4) ergibt:

Fl = K

(^U

Ul 1

Ul Ul

Man kann, wie in dem vorhergehenden Fall, den in Fig. 4 dargestellten Ausgangskreis verwenden. Man wird jedoch feststellen, daß die beiden Werte

von £,2 . die zwei Werten von (V1 — V I) mit gleichen

Absolutwerten, aber entgegengesetzten Vorzeichen entsprechen, einander entgegengesetzt sind. d. h.. daß ein Wert von \V1 - V11 einem einzigen Wert von

llog ^₂I. d. h. von \N 1 - /V2| entspricht, wobei /Vl

und Nl die Höhen der Spannungen U 1 und 1/2 bezeichnen. Wenn man sich somit nicht für (/V 1 - N 2). sondern einfach für JA/1 — N2| interessiert, genügt es. durch den Ausgangskreis |K2 — Kl| erscheinen zu lassen: diesen Wert gibt der in F i g. 5 dargestellte Kreis ab.

Ausgangskreis gemäß F i g. 4 ■- Der Verstärker 255 bildet eine zu dem Wert \V2 — V\\ proportionale Spannung und gibt sie an dem einen oder dem anderen der Ausgänge 261 und 262 ab, je nach dem, ob die Amplitude V 2 größer oder kleiner als die Ampli tude V1 ist. Ein solcher Verstärker kann in verschiede- «8 -*> «2 und «4

«9i/ oder R9ft » R6 » RdS \,

und wenn die Bedingung (2) aufrechterhalten wird, ergibt sich für die Beziehungen (5) bzw. (6)

F2- 11

E R9a

k «6 Vl/1

I 2 - Fl = ,

E R9h

(^U2 - Λ 'U¹I J

k «6

für welche dieselben Bemerkungen wie für die Beziehungen (5) und (6) gelten.

Weitere Abwandlung der Vergleichsschaltung, F i. g. 6 Es ist unerläßlich, die Wechsclspannungcn vor dem Gleichrichten zu verstärken, damit Spannungen mit Werten erhalten werden, die zu den Amplituden V\. V2 oder \V2 — V\\ ausreichend proportional sind. Es kann vorteilhaft sein, vorher die sinusförmige Spannung an dem Punkt 16 mittels eines Verstärkers 29 zu verstärken, der gemäß der Dar stellung in F i g. 6 angeschlossen ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Vergleichen der Höhen von zwei elektrischen Spannungen mit fester Polarität und gegebenenfalls veränderlichen Größen, welche drei Spannungsteiler enthält, die mit einem gemeinsamen Massepunkt verbunden sind und jeweils aus einem Festwiderstand und einem spannungsempfindlichen veränderlichen Widerstand bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die eine bzw. die andere der beiden Spannungen mit fester Polarität ein erster und ein zweiter der Spannungsteiler mit Strom konstanter Richtung gespeist sind, daß durch eine Spannung, die von mindestens einer der beiden Spannungen mk fester Polarität abgeleitet ist, der dritte Spannungsteiler mit Strom konstanter Richtung und durch eine Quelle mit stabiler Amplitude mit einer Wechselspannung gespeist ist, daß (die Wechselspannung an dem mittleren Punkt des dritten Spannungsteilers den ersten bzw. zweiten Spannungsteiler speist, daß die relativen Lagen der Festwiderstände und veränderlichen Widerstände in dem ersten und dem zweiten Spannungsteiler gleich und in dem dritten Spannungsteiler in bezug auf den ersten und den zweiten Spannungsteiler umgekehrt sind und daß aus den Wechselspannungen an den mittleren Punkten der ersten und zweiten Spannungsteiler eine resultierende Spannung durch Verstärken, Gleichrichten und Filtern gebildet wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände Halbleitergleichrichterdioden sind, die jeweils mittels eines festen Vorspannungswiderstandes vorgespannt sind, dessen Wert in bezug auf die größtmöglichen Werte des Gleichstromvviderstandes der Dioden sehr groß ist und der mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Spannungsteiler in Reihe geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderlichen Widerstände des ersten und des zweiten Spannungsteilers mit dem gemeinsamen Massepunkt verbunden sind.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände in dem ersten und in dem zweiten Spannungsteiler in bezug auf die größtmöglichen Werte der Differentialwiderstände der Dioden groß sind und daß in dem dritten Spannungsteiler der Festwiderstand in bezug auf die kleinstmöglichen Werte des Differcntialwiderstandes der Diode klein ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände des ersten und des zweiten Spannungsteilers mit dern gemeinsamen Massepunkt verbunden sind.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Festwiderstände in dem ersten und in dem zweiten Spannungsteiler in bezug auf die kleinstmöglichen Werte der Differentialv/iderstände der Dioden klein sind und daß in dem dritten Spannungsteiler der Festwiderstand in bezug auf die größtmöglichen Werte des Difl'erentialwiderstandes der Diode groß ist.

7. Schallung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spannungsteiler mittels eines Festwiderstandes, dessen Wert in bezug auf den Gleichstromwidersta.id der Diode des drillen Spannungsteilers groß ist. durch eine einziue der Spannungen mit fester Polarität mit Strom konstanter Richtung gespeist ist.

8. Schaltung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spannungsteiler mittels zweier Festwiderstände, deren Wert in bezu» auf den Gleichstromwiderstand der Diode des dritten Spannungsteilers groß ist, durch die eine und die andere der Spannungen mit fester Polarität mit Strom konstanter Richtung gespeist ist.

9. Schaltung nach Anspruch 7 oder S, dadurch gekennzeichnet, daß für den ersten und den zweiten Spannungsteiler die Verhältnisse des festen Vorspannungswiderstandes ( 7 bzw. 8 ) zu dem Festwiderstand (3 bzw. 4) gleich sind.

10. Schaltung nach Anspruch ) bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wechselspannungen an den mittleren Punkten des ersten bzw. des zweiien Spannungsteilers auf zwei gleichen, getrennten Wegen verstärkt, gleichgerichtet und gefiltert werden, die mit den beiden Hingängen einer symmetrischen Verstärkerschaltung verbunden sind, welche das verstärkte Signal je nacli der Richtung der Differenz der Amplituden der Wechselspannungen an dem einen oder dem anderen ihrer beiden Ausgänge abgibt, die mit einem Ausgangs- und Anwendungsschaltkreis verbunden sind.

U. Schaltung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wechsclspannungen an den mittleren Punkten des ersten und des zweiten Spannungsteilers an einen linearen Differenzverstärker angelegt sind, dessen Ausgang mit einer Gleichrichter- und Filterschaltung verbunden ist, deren Ausgangsspannung einen Ausgangs- und Anwendungsschallkreis steuert.