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@Bedundante elektronische Verstärkerschaltung
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Die Erfindung betrifft eine redundante elektronische Verstärkerschaltung
mit mehreren parallelen Verstärkerzweigen sowie mit zwei gemeinsamen Eingängen und
einem gemeinsamen Ausgang nach Patent 2 407 421.
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Dem Gegenstand des Hauptpatentes liegt die Aufgabe zugrunde, eine
redundante Verstärkerschaltung der einzwangs genannten Art zu schaffen, bei der
für die Auswertung der von den parallelen Verstärkerzweigen abgegebenen Ausgangssignale
keine besonderen aktiven Bauteile erforderlich sind. Durch die Vermeidung von aktiven
Bauteilen wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht, da diese Bauteile in elektronischen
Schaltungsanordnungen meist störungsanfälliger als passive T3auteile sind. Ferner
wird ein Ausgangssignal erzeugt, das vom Prinzip her (bei idealem Operationsverstärker)
exakt ist.
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Gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1
des
Bauptpatentes wird die Auf gabe dadurch gelöst, daß die Verstarkerschaltung mindestens
drei Operationsverstärker besitzt-, deren Ausgänge über einzeln iugeordnete Schtltzwiderstande
mit dem Ausgang der Schaltung verbunden sind, und daß ein Rijckkoppliingspfad vorgesehen
ist1 der zwischen dem Ausgang der Schaltung und einem Eingang der Schaltung liegt,
und an dessen virtuellem Nullpunkt die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker
gemeinsam angeschlossen sind, während die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker
gemeinsam an dem zweiten Eingang der Schaltung angeschlossen sind.
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Die Aufgabe wird auch dadurch gelöst, daß die Verstärkerschaltung
mindestens drei Operationsverstär ker besitzt, deren Ausgänge über einzeln zugeordnete
Schutzwiderstände mit dem Ausgang der Schaltung verbunden sind, und daß mehrere
Rückkoppiungspfade vorhanden sind, die zwischen dem Ausgang und dem Eingang der
Schaltung liegen und an deren virtueilen Nuilpunkten die invertierenden Eingänge
der Operationsverstärker einzeln angeschlossen sind, während die nicht invertierenden
Eingänge der Operationsverstärker gemeinsam an den zweiten Eingang der Schaltung
angeschlossen sind.
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Die Lösungen nach dem Hauptpatent gehen von folgender Überlegung aus:
Verstärkerschaltungen, die einen Opsrationsverstärker mit äußerer Gegenkopplung
enthalten, sind in ihrem Verhalten praktisch nur von der Dimensionierung
der
äußeren Beschaltung abhängig, wsihrend die individuell streuenden Eigenschaften
des benutzten unbeschalteten Operationsverstärkers weitgehend unterdrjjckt werden,
solange der Operationsverstärker überhaupt arbeitet.
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Der analoge Stellbereich der Eingangsdifferenzspannung eines Operationsverstärkers
ist wesentlich schmaler aJs der Exemplar-Streubereich der Eingangs-Offsetspannung.
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Daher wird in einer nach dem Hauptpatent aufgebauten Schaltung meist
mir ein Operationsverstärker analog arbeiten.
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Die anderen sind in der Sättigung und haben an ihren Ausgängen die
positive und negative Sättigungsspannung.
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Die von einander abweichenden Ausgangsspannungen
der Operationsverstärker bewirken Ausgleichsströme über die nachgeschalteten Schutzwiderständef
wodurch sich am Ausgang der Gesamtschaltung eine bestimmte mittlere Spannung
einstellt.
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Den Lösungen nach dem Ilauptpatent liegt nun die Erkenntnis zugrunde,
daß diese Spaltung
am Ausgang der Gesamtschaltung stets die richtige Spannung ist, die sich nach der
äußeren Beschaltung ergeben soll.
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Der analog arbeitende Operationsverstärker erzeugt nämlich an seinem
Ausgang infolge der Gegenkopplung immer die Spannung, die erforderlich ist, um jene
Ausgleichsströme herbeizuführen, bei denen
den richtigen Wert einnimmt.
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Welcher Operationsverstärker analog arbeitet und welcher nicht, das
richtet sich nach den individuell streuenden Eingangs-Offsetspannungen, den Toleranzabweichungen
der Beschaltungsglieder und nach der jeweiligen Größe der Eingangsspannung
der Gesamtschaltung. Ändert sich
z. B. die Eingangsspannung
dann kann der bisher analog arbeitende Operationsverstärker in die Sättigung kommen,
worauf sofort einer der anderen Operationsverstärker aus der Sättigung in den analogen
Bereich überspringt und die Regelungs-Aufgabe übernimmt.
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In gleicher Weise schützt sich die Schaltung gegen schädliche Folgen
beim Ausfall eines Operationsverstärkers: Der ausgefallene Operationsverstärker
liefert an seinem Ausgang eine unbekannte Spannung, die im ungünstigen Fall gleich
der positiven oder negativen Versorgungsspannung ist.
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Wenn der bislang analog arbeitende Operationsverstärker ausfällt und
an seinem Ausgang die Versorgungsspannung liefert, so wird die Regelungsaufgabe
sofort von einem der anderen Operationsverstärker übernommen.
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Wenn ein bisher gesättigter Operationsverstärker ausfällt und an seinem
Ausgang diejenige Versorgungs spannung steht, welche das gleiche Vorzeichen wie
die bisherige Sättigungsspannung hat, dann kann der analog arbeitende Operationsverstärker
das leicht ausgleichen, wobei er im analogen Bereich bleibt und somit die Regelungsaufgabe
behält.
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Falls ein bisher gesättigter Operationsverstärker an seinem Ausgang
die Versorgungsspannung liefert, welche der bisherigen Sättigung im Vorzeichen entgegengesetzt
ist, wird der bisher analog arbeitende Operationsverstärker in die Sättigung gehen
und dadurch die Regelungsaufgabe an einen anderen intakten Operationsverstärker
abgeben, welcher dabei aus seiner bisherigen Sättigung in den analogen Bereich übergeht.
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An den Ausgängen der redundanten elektronischen Verstärkerschaltungen
nach dem Iiauptpatent liegen infolge der Zusammenschaltung von mehreren Operationsverstärkern
Ausgangsspannungen und Ausgangsströme vor, die im Verhältnis zu den von einem einzelnen
Operationsverstärker gelieferten Spannungen und Strömen verhältnismäßig klein sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gesenstand des ilauptpatentes
zu verbessern und eine redundante elektronische Verstärkerschaltung mit vergrößerter
Ausgangsleistung vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzielung
einer höheren Ausgangsspannung und/oder eines höheren Ausgangs stromes zwischen
den den Operationsverstärkern nachgeschalteten Schutzwiderständen und dem bzw. den
Rückkopplungspfaden ein Verstärker angeordnet ist.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Verstärker
vier als Inverter geschaltete Operationsverstärker mit zugehörenden Eingangs- und
Rückkopplungswiderstanden aufweist, daß die Operationsverstärker acht Transistoren
von zwei Transistor-Quad-Yerstärkerschaltungen ansteuern, wobei die erste Quad-Verstärkerschaltung
nur PNP-Transistoren und die zweite Quad-Verstärkerschaltung nur NPN-Transistoren
enthält, und daß zwischen zwei Operationsverstärkern und den Basen von jeweils zwei
mit ihren Emittern in Verbindung stehenden Transistoren der beiden Transistor-Quad-Verstärkerschaltungen
zwei Gleichrichterschaltungsanordnungen vorgesehen sind, die jeweils zwei antiparallel
geschaltete
Dioden auf«-eisen. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt in der Erzielharkeit
von Ausgangsströmen, die illier den von einem einzelnen Operationsverstärker gelieferten
Strömen liegen können.
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In der Zeichnung-ist ein Ausführurigsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.
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Die dargestellte redundante elektronische Verstärkerschaltung weist
drei parallele Operationsverstäflcer ,, 2 und 3 auf, deren invertierte Eingänge
über jeweils einen Widerstand 11,12,13,21,22,23,31,32 und 33 mit einem Eingang der
VerstärkerschaXtung in Verbindung stehen. Der dritte Eingang ist gleichzeitig direkt
an die nicht invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 1, 2 und 3 geführt.
hierbei ist es auch möglich, alle drei Eingänge der Verstärkerschaltung zu einem
Schaltungseingang zusammenzufassen, wobei dann für die nicht invertierenden Eingänge
der Operationsverstärkers ein zusätzlicher, von dem ersten Schaltungseingang getrennter
Schaltungseingang vorgesehen werden muß.
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Jedem Operationsverstärker 1, 2 und 3 ist ein Schutzwiderstand 14,
24 und 34 nachgeschatet, die über jeweils einen Widerstand i3, 53, 63 bzw. 73 mit
den nicht invertierenden Eingängen von vier als Inverter geschalteten Operationsverstärkern
i, 5, 6 und 7 elektrisch leitend verbunden sind. Die Widerstände 43, 53, 63 und
73 sollen verhindern, daß durch einen Fehler in einem Operationsverstärker i, 5,
6 oder 7 aus dem nicht invertierenden Eingang eines dieser Operationsverstärker
eine Spannung starr an die Verbindungspunkte der Widerstände
14,
24, 34 gelegt wird. Die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 4 bis 7
stehen über jeweils einen Eingangswiderstand 41, 51, 61 und 71 mit dem dritten Schaltungseingang
und über Rückkopplungswiderstände 42, 32, 62 bzw. 72 und Widerstande 44, 5h, 64
und 74 mit ihrem eigenen Ausgang in Verbindung. Durch die Widerstände 44, 54, 64
und 74 soll verhindert werden, daß durch einen Fehler in einem der Operationsverstärker
t, 5, 6 und 7 es vorkommen kann, daß aus dem Ausgang eines fehlerhaften Verstärkers
eine Spannung (z. B. die Versorgungsspannung) starr an die nachgeschalteten Transistoren
und über deren Basis-Emitter-Diodenstrecken an den Schaltungsausgang gelegt wird.
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Die Ausgänge der Operationsverstärker 4, 5, 6 und 7 sind an zwei Transistor-Quad-Verstärkerschaltungen
angeschlossen, von denen jeder vier miteinander geschaltete Transistoren aufweist,
und zwar liegen zwei Transistoren mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe
und beide Reihenschaltungen sind prallen angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind die jeweils in Reihe liegenden Transistoren der ersten Quad-Verstärkerschaltung
mit T1 und T2 bzw. T3 und T«-und die entsprechenden Transistoren der zweiten Quad-Verstärkerschaltung
mit T5 und T6 bzw. T7 und T8 bezeichnet. Für die erste Quad-Verstärkerschaltung
werden PNP-Transistoren und für die zweite Quad-Verstärkerschaltung werden NPN-Transistoren
verwendet. An den Kollektoren der PNP-Transistoren T1 und T3 liegt die negative
Versorgungsspannung -Uç an, während an den Kollektoren der NPN-Transistoren T6 und
T8 die positive Versorgungsspannung +UZ ansteht. Die Emitter der
PNP-Transistoren
T2 und T4 und der NPN-Transistoren T5 und T7 sind mit dem Ausgang A der redundanten
elektronischen Verstärkerschaltung verbunden.
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Die Basen aller Transistoren T1 bis T8 werden von den Ausgängen der
Operationsverstärker i bis 7 angesteuert.
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So steuert der Operationsverstärker i tjber zwei antiparallel geschaltete
Dioden D1 und D2 die Transistoren T4 und T7, der Operationsverstärker 5 über zwei
antiparallel geschaltete Dioden D3 und D4 die Transistoren und T5, der Operationsverstärker
6 die Transistoren T1 und T6 und der Operationsverstärker 7 die Transistoren T3
und T8 an. Damit im Falle eines Kollektor-Basis-Durchbruches eines der Transistoren
eine schädliche Spannung von dem anderen, vom selben Operationsverstärker betriebenen
Transistor ferngehalten wird, ist zwischen den Operationsverstärkern 4 bis 7 und
den Transistoren T1 bis T8 jeweils eine zusätzliche Diode D5 bis D12 vorgesehen.
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Der Ausgang der redundanten elektronischen Verstärkerschaltung ist
über drei getrennte Rückkopplungspfade einzeln an die invertierenden Eingänge der
Operationsverstärker 1, 2 und 3 angeschlossen. Die Rückkopplungspfade weisen jeweils
einen Rückkopplungswiderstand 15, 25 bzw. 35 sowie die Eingangswiderstände 11 bis
13, 21, bis 23 bzw. 31 bis 33 auf. Die virtuellen Nullpunkte der drei Ruckkopplungspfade
befinden sich jeweils zwischen dem zugehörenden Rückkopplungswiderstand und den
entsprechenden Eingangswiderständen und sind mit 16, 17, i8,26,27,28 und 36, 37,
38 bezeichnet.
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Die am Ausgang A der redundanten elektronischen Verstärkerschaltung
anstehende Ausgangsspannung US ist
stets die richtige Spannung,
die sich nach der äußeren Beschaltung ergeben soll, da sich ein Gleichgewichtszustand
der Art einstellt daß die virtuellen Nullpunkte immer auf Null liegen.
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Die Ausregelung der Ausgangsspannung ZlA erfolgt nach dem selben Prinzip
wie bei dem Gegenstand der Ilauptanmeldung, jedoch erfolgt die Ausregelung nicht
direkt hinter den Operationsverstärkern 1 bis 3, sondern hinter dem Verstärker.
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Die maximale Ausgangsspannung
rgibt sich zu:
worin
die garantierte maximale Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers 5 bis 7 und
die Dioden- bzw. Basis-Emitterspannung einer Diode D bis D11 bzw. eines Transistors
T1 bis Tß angibt.
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Der maximale Ausgangsstrom 34 max ergibt sich zu:
wobei
der garantierte maximale Ausgangsstrom eines Operationsverstärkers 5 bis 7 und BT
der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors T1 bis T8 bedeutet. Der Stromverstärkungsfaktor
/f ergibt sich aus dem Quotienten des Kollektorstromes zum Basisstrom eines Transistors.
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