DE2609841A1

DE2609841A1 - Schaltungsanordnung zur verstaerkung der spannung einer gegenueber einem bezugspotential schwebenden spannungsquelle

Info

Publication number: DE2609841A1
Application number: DE19762609841
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Kubach; Peter Ing Grad Zieher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1976-03-10
Filing date: 1976-03-10
Publication date: 1977-09-15
Also published as: SE415814B; GB1578791A; IT1083860B; US4085379A; SE7702657L

Description

10. 2. 1976 Ku/Do

Anlage zur
Patentanmeldung

Robert Bosch GmbH^ 7 Stuttgart 1

Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Spannung einer gegenüber einem Bezugspotential schwebenden Spannungsquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Spannung einer gegenüber einem Bezugspotential schwebenden Spannungsquelle, insbesondere der Spannung eines Thermoelementes, mittels eines Differenzverstärkers, dessen beiden Eingängen über Vorwiderstände die zu verstärkende Spannung zugeführt und an dessen Ausgang die verstärkte Spannung gegenüber Bezugspotential abgreifbar ist.

Bei der Messung und Verstärkung der Spannung einer gegenüber Bezugspotential einseitig hochliegenden, galvanisch schwebenden Spahnungsquelle ergeben sich Probleme, weil die Werte der Ableitwiderstände und Erdkapazitäten nicht im voraus genau bestimmt werden können und sich darüberhinaus sehr stark mit der Zeit und der Temperatur ändern können. Diese Probleme müssen

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insbesondere dann genau untersucht werden, wenn die in der Größenordnung von μγ anzusetzende Spannung eines Thermoelementes verstärkt werden soll, weil gerade bei diesem Anwendungsfall der Isolationswiderstand bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise in Gasturbinen auftreten, bis in die Größenordnung von 20 k ft absinkt. Man könnte die durch diese Ableitwiderstände hervorgerufenen Fehler zwar wenigstens teilweise eliminieren, wenn man das Thermoelement galvanisch mit dem Bezugspotential verbindet, doch ist dies nicht in allen Anwendungsfällen möglich und zudem werden durch die Bildung von Erdschleifen andere Fehler hervorgerufen, insbesondere dann, wenn Verstärker und Thermoelement örtlich getrennt angeordnet sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine möglichst einfache Schaltanordnung anzugeben, bei der die durch Ableitwiderstan.de hervorgerufenen Fehler möglichst eleminiert sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch einen der Ausgangsspannung proportionalen Strom über einen der Vorwiderstände das Potential der Spannungsquelle in Richtung auf Bezugspotential verschoben wird.

Während bei dem für solche Anwendungsfälle üblichen rückgekoppelten Verstärker das Potential der Gleichspannungsquell© etwa auf dem halben Wert der Ausgangsspannung liegt und somit verhältnismäßig hohe- Lecks tr örne über die Ableitwiderstände fließen, werden durch die erfindungsgemäße Potentialverschiebung, die einer virtuellen Nullung gleichkommt, diese Leckströme wesentlich verringert bzw. ganz eliminiert, wenn man gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung das Potential der .Spannungsquelle derart verschiebt,, daß deren Spannung symmetrisch zürn Bezugspotential liegt.

Der Grundgedanke der Erfindung läßt sich auf sehaltungstechnisch besonders einfache Weise dadurch realisieren, daß an den Ausgang des Differenzverstärkers ein invertierender Ver-

709837/0280 _ ₃ _

stärker angeschlossen ist, der über einen Widerstand mit dem einen Anschluß der- Spannungsquelle verbunden ist.

Vorzugsweise wird der Differenzverstärker durch einen auf den invertierenden Eingang rückgekoppelten Operationsverstärker realisiert und der zum invertierenden Verstärker führende Widerstand an den Anschluß der Spannungsquelle angeschlossen, der über den Vorwiderstand mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärker verbunden ist. Aufgrund dieser Maßnahme wird über das Thermoelement bei genauem Abgleich kein Strom mehr fließen, so daß der- Eingangswiderstand des Differenzverstärkers sehr steigt und zudem der durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle hervorgerufene Fehler verringert wird. Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. .1 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung und

Fig. 2 das Schaltbild einer in der Praxis erprobten Ausführung.

In der Zeichnung ist mit 10 der Differenzverstärker bezeichnet, der durch einen entsprechend beschalteten Operationsverstärker 11 realisiert ist. Dem Operationsverstärker sind VorwicLerstände 1 und 2 vorgeschaltet, deren. Wert gleichgroß ist. Der Wert des Rückkopplungswiderstandes 3 entspricht dem Wert des Symmetriewiderstandes 4, so daß bei bei diesem Verstärker Gleichtaktfehler im wesentlichen eliminiert sind.

Im Block 20 ist das Ersatzschaltbild der zu messenden Spannungsquelle dargestellt. Diese Spannungsquelle hat einen Innenwiderstand 5j der aus Symmetriegründen im Ersatzschaltbild auf zwei Widerstände verteilt ist.

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- / - '3 O 9 7

Aus der Zeichnung geht hervor, daß der Symmetriewiderstand h einseitig an das Bezugspotential angeschlossen ist, gegenüber dem die Ausgangsspannung Ua am Ausgang 12 des Operationsverstärkers meßbar ist. Die Spannungsquelle 20 schwebt über dem Bezugspofeential, denn seine Anschlüsse 21 und 22 sind über Ableitwiderstände 6 und J mit dem Bezugspotential verbunden. Wenn als Gleichspannungsquelle ein Thermoelement dient, muß ggf. auch noch der Ableitwiderstand 8 und die entsprechende Erdkapazität zum Verbindungspunkt der beiden Thermopaare berücksichtigt werden.

Insgesamt ist also festzustellen, daß das Potential der Spannungsquelle, deren Leerlaufspannung mit IL₁ bezeichnet wird, gegenüber dem Bezugspotential hochliegt. Man spricht von einer galvanisch gegenüber dem Bezugspotential schwebenden Spannungsquelle.

Die bis jetzt beschriebene Schaltungsanordnung ist im Prinzip bekannt. Sie hat die eingangs erwähnten Nachteile, weil über die Ableitwiderstände Ströme fließen, durch die das Meßergebnis verfälscht wird. Um diesen Nachteil zu beseitigen, ist' ein invertierender Verstärker 30 an den Ausgang 12 des Operationsverstärkers 11 angeschlossen, dessen Ausgang 31 über einen Widerstand 9 mit dem Anschluß 22 der Spannungsquelle 20 verbunden ist. Über diesen Zweig kann damit ein Strom abgezogen werden, der der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers proportional ist.

Der Grundgedanke der Erfindung kann am besten anhand einiger Berechnungen erläutert werden, wobei zunächst einmal eine Schaltungsanordnung ohne invertierenden Verstärker 30 und ohne Widerstand 9 betrachtet werden soll. Zur Vereinfachung der Rechnung wird angenommen, daß der Operationsverstärker 11 eine sehr hohe Leerlaufverstärkung aufweist und sein Eingangswiderstand ebenfalls sehr groß ist, so daß die am Eingang des Operationsverstärkers liegende und in der Zeichnung mit U. bezeichnete Spannung vernachlässigbar klein ist. Außerdem wurde

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" ^" 3 ο ν y

bei der Berechnung angenommen, daß die Ableitwiderstände 7 und 8 unendlich groß sind, so daß in der Rechnung nur der Wert des Ableitwiderstandes 6 berücksichtigt wird. Außerdem wird vereinfachend angenommen, daß zwischen dem Bezugspotential des Differenzverstärkers und dem-Bezugspotential der Gleichspannungsquelle kein Spannungsunterschied meßbar ist.

Unter diesen Voraussetzungen iaseen sich mit den in der Zeichnung; eingetragenen Strömen nach der Maschen- bzw. Knotenregel folgende vier Gleichungen aufstellen, wobei zur Vereinfachung die gleichgroßen Vorwiderstände 1 und 2 mit R.. und der Symmetriewiderstand 4 und der Rückkopplungswiderstand 3 mit R, bezeichnet sind:

^Ua ^H	• ^Ji	R₆. J₂	H	^J3	= O	(D
	• ^Ji	^J2	-(R₁ η	^J3	= Um	(2)
^üa <	R₃) J₁ ♦			= O	(3)
	-J_{1 +}		^J3	= O	(^)
h R₃		i- R,
^Rl		KR₅) .
^{h (R}1⁺
	4

Gleichung (l)beschreibt den Maschenumlauf über die Ausgangsspannung U„, den Rückkopplungswiderstand 3, die vernachlässigte Ein-

CL

gangsspannung U. des Operationsverstärkers 11 und den Symmetriewiderstand 4. In der Gleichung (2) sind die Teilspannungen aufsummiert, die an dem Innenwiderstand 5 der Spannungsquelle sowie den beiden Vorwiderständen 1 und 2 abfallen und die von der Leerlaufspannung Um hervorgerufen werden. Die Eingangsspannung des Operationsverstärkers ist wiederum vernachlässigt. Gleichung (3) beschreibt eine Masche, deren Teilspannungen durch die Ausgangsspannung und die Teilspannungen über den Widerständen 1, und dem Ableitwiderstand 6 gegeben sind. In Gleichung (¹J) ist die Summe der Ströme für den einen Anschluß 22 der Spannungsquelle angesetzt.

Aus diesem Gleichungssystem läßt sich beispielsweise nach der Determinantenrechnung die Ausgangsspannung U als Punktion von Um bestimmen:

70983770280 , - 6 -

	(R₁	+ R-z +	; ' ;	^R3	/	? O P 7 2609841	■
^Ua	R₁	. R₁- +Rr- ι		+R₁
				R₃ +2R₁ .Rg

	•^R6

Diese Gleichung läßt sich im Nenner erweitern und man erhält schließlich in übersichtlicher Form folgenden Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung und der Leerlaufspannung IL, der Spannungsquelle:

(R +R *2R_fi) . R,

U. = U_T —i 2 & 3 ₍₆₎

^a ^l (R₁+R₃+2R₆) (R^R₅) - R₃.R₅-R₆.R₅

Aus dieser Gleichung geht eindeutig hervor, daß die Ausgangsspannung von der Größe des Ableitwiderstandes R₆ abhängt. Da sich dieser Widerstand mit der Temperatur und der Zeit ändert, ändert sich also auch die Ausgangsspannung des Verstärkers, so daß mit dieser Schaltungsanordnung die im ^V-Bereich liegenden Gleichspannungen eines Thermoelementes über einen längeren Zeitraum hin nicht genau genug erfaßt werden können. Der Einfluß dieses Ableitwiderstandes Rg soll der Einfachheit halber durch ein Zchlenbeispiel verdeutlicht werden. In diesem Zahlenbeispiel ist der gesamte Innenwiderstand der Spannungsquelle Rc = 10 Ohm angesetzt, die Vorwiderstände R₁ sollen ein Kiloohm und der Rückkopplungswiderstand bzw. der Symmetriewiderstand R, = 200 Kiloohm betragen.

Für R₆ = Null erhält man aus Gleichung (6) folgenden Ausdruck:

(R.+R ) . R

U = U_T —i—2 2 — (7)

^a ^l (R^R) (R+R) RR

und mit den oben angegebenen Werten U_ = U_m « 199)99

Für Rg gegen unendlich erhält man aus Gleichung (6) nach Division durch Rg und einer Grenzwertbetrachtung folgenden Ausdruck

709837/0200 _ _

* " '30-37

^Ua ^{= U}T * _2R ■ (8)

2R + R

und mit den vorgegebenen Werten U_& = U_T . 199,00. Für Rg = 20 Kiloohm ergibt sich aus Gleichung (6)

Man sieht also, daß der Einfluß des Ableitwiderstandes Rg nicht vernachlässigt werden darf, wenn man mit der Schaltungsanordnung hochgenaue Messungen durchführen möchte. Dem theoretisch richtigen Wert, der durch den Quotienten des Rückkopplungswiderstandes R, zum Vorwiderstand R. gegeben ist und mit den oben angegebenen Daten 200 beträgt, kommt der Wert für Rg = Null am nächsten.

Im folgenden wird nun die erfindungsgemäße Schaltanordnung betrachtet, bei der über den Widerstand 9 und den invertierenden Verstärker 30 vom Anschluß der Spannungsquelle 22 ein Strom I_Q abgezogen wird, der so groß gewählt ist, daß der durch den Strom I₁ an den Widerständen 1 und 3 hervorgerufene Spannungsabfall der Ausgangsspannung U entspricht. Auf diese

CL

Weise wird der Anschlußpunkt 22 der Spannungsquelle 20 virtuell auf Bezugspotential gelegt, so daß über den Ableitwiderstand 6 keine Leckströme mehr fließen können. In diesem Fall ergibt sich folgendes Gleichungssystem:

- U_a + R₃ . J₁ + R₃ . J₃ = 0 (9)

J₁ -J₉ - J₃ = 0 (10)

- U + (R.+RJ J' = 0 (11)

a ι j ι

(R₃₊R₁₊R₅) J₃ = U_{T (12)}

aus dem sich wieder U als Funktion von U™ wie folgt errechnen läßt:

- 8 709837/Q280

R (R +R)

-3 ■*- J

Man erkennt, daß sich dieselben Verhältnisse ergeben wie in. dem Pallj daß die Gleichspannungsquelle galvanisch mit Bezugspotential verbunden wird. Mit den oben angegebenen Werten würde man also als VerstärkungsTaktor den Wert 199,99 erhalten.

Für Rf. - O, erhält man aus. Gleichung (13) den theoretischen Wert für die Spannung3verstärkung als Quotient des Rückkopplungswiderstandes zum Vorwiderstand. Dasselbe Ergebnis erhält man natürlich auch aus Gleichung (8). Auffallend ist aber, daß in Gleichung (8) der Innenwiderstand der Spannungsquelle als Summand zum Vorwiderstand des Operationsverstärkers addiert wird, während gemäß Gleichung (13) dieser Innenwiderstand Rp. zu einem in Vergleich zum Vorwiderstand in der Regel sahr viel größeren Widerstand und zum Vorwiderstand addiert wird, so daß bei der erfindungsgemäßen Ausführung auch der durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle hervorgerufene Fehler reduziert ist.

Aus dem Gleichungssystem geht hervor, daß der am Schaltungspunkt 22 der Spannungsquelle 20 abgezogene Strom I_g lediglich von der Größe der Widerstände R , R, und der Ausgangsspannung U abhängt. Damit ist gezeigt, daß dieser Strom direkt aus

der Ausgangsspannung abgeleitet werden kann.

In den Rechenbeispielen ist nur der Einfluß des Ableitwiderstandes Rg berücksichtigt. Man kann nun den Einfluß der anderen Ableitwiderstände 7 und 8 getrennt berechnen und dann nach dem Superpositonsprinzip die tatsächlichen Verhältnisse ermitteln. Dabei ergibt sich jedoch prinzipiell nichts Neues, die Ausgangsspannung ist von diesen Ableitwiderständen abhängig, ändert sich damit entsprechend deren Zeit- und Temperaturverhalten, wenn man nicht das Potential der Spannungsquelle auf das Bezugspotential hin verschiebt.

709837702βΟ " ⁹ ~

f..

INSPECTED

3 O S 7

Bei dieser Gelegenheit muß darauf hingewiesen werden, daß man zwar optimale Ergebnisse erreicht, wenn man dafür sorgt, daß die Spannung IL·, symmetrisch zum Bezugspotential schwankt, daß man aber bereits eine Erhöhung der Genauigkeit erreicht, wenn man das Potential der Spannungsquelle gegenüber Bezugspotential verringert, denn in entsprechendem Maße verringern sich auch die Leckströme über die Ableitwiderstände.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der von der Ausgangssuannung U abhängige Strom I_q am Schaltungs-· punkt 22 abgezogen. Man könnte diesen Strom auch am Schaltungspunkt 21 abziehen, doch würde dann durch diesen Strom die Spannungsquelle belastet und durch den am Innenwiderstand hervorgerufenen Spannungsabfall ein Fehler entstehen.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte Schaltung erweitert. Zur Festlegung des Ausgangsspannungsbereiches des Operations-

Verstärkers 11 ist dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 40 vorgespannt. Der durch diese Vorspannung hervorgerufene Strom wird über den Widerstand 4l wieder abgezogen, damit, das Thermoelement nicht belastet wird. Der invertierende Verstärker 30 ist durch einen in Kollektorschaltung betriebenen Transistor 50 realisiert, dessen Arbeitspunkt über den Widerstand 51 eingestellt wird und dessen Basis die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers über den Widerstand zugeführt wird.

Bei dieser Anordnung wird man , um Gleichtaktfehler möglichst klein zu halten, den Wert des Widerstandes 4l dem des Widerstandes 9 anpassen.

Die beiden gleichgroßen Drosseln 60 und 61 am Eingang des Verstärkers haben die Aufgabe, Gleichtakt- sowie Gegentaktetörungen auszufiltern. Eine weitere Filterung von Gegenstörungen erfolgt durch den.Kondensator 63, der zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers liegt. Schließlich ist npch ein Kondensator 64 vom nicht invertierenden Eingang gegen Bezugspotential geschaltet und ein weiterer Kondensator 65 liegt parallel zum Rückkopp-

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- Io -

3 O S 7

lungswiderstand. Voraussetzung für eine gute Gleichtaktunterdrückung ist, daß die Werte der Kondensatoren 64 und 65 übereinstimmen.

In Fig. 2 ist durch den mit I bezeichneten Pfeil noch angegeben, daß man über das Thermoelement einen Reststrom I fliesssn lassen kann. Dieser Reststrom läßt sich abgleichen, so daß dessen Fehlereinfluß vernachlässigbar klein ist. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, einen Bruch des Thermoelementes zu erkennen, denn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers erreicht die Sättigungsspannung, sobald dieser Reststrom unterbrochen wird.

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- 11 -

Claims

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Verstärkung der Spannung einer gegenüber einem Bezugspotential schwebenden Spannungsquelle, insbesondere der Spannung eines Thermoelementes, mittels eines Differenzverstärkers, dessen beiden Eingängen über Voi'widerstände die zu verstärkende Spannung zugeführt und an dessen Ausgang die verstärkte Spannung gegenüber Bezugspotentdal abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen der Ausgangsspannung (U ) proportionalen Strom (I_Q)

a y

über einen der Vcrwiderstände (1) das Potential der Spannungsquelle (20) in Richtung auf Bezugspotential verschoben wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Spannungsquelle (20) derart verschoben wird, daß deren Spannung (U_T) symmetrisch zum Bezugspotential liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang (12)'des Differenzverstärkers ein invertierender Verstärker (30) angeschlossen ist, der über einen Widerstand (9) mit dem einen Anschluß (22) der Spannungsquelle (20) verbunden'ist.

.Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker durch einen auf den invertierenden Eingang rückgekoppelten Operationsverstärker (11) realisiert ist und der zum invertierenden Verstärker (30) führende Widerstand (9) an den Anschluß (22) der Spannungsquelle angeschlos-

709837/028 0 -12-

ORIQINAL INSPECTED

- "3 C E 7

sen ist, der über den Vorwiderstand (1) mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (11) über einen Symmetriewiderstand (40) an eine den Ausgangsspannungsbereich festlegende Spannung angeschlossen ist und der durch diese Spannung hervorgerufene Strom am Anschlußpunkt (22) der Spannungsquelle abgezogen wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß über die Spannungsquelle ein abgleichbarer Reststrom (I_r) fließt.

7. Schaltungsanordnung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filterung von Gleichtakt- sowie Gegentaktstörungen Drosseln (60,6l) und Kondensatoren (63,64,65) verwendet sind.

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