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Schaltungsanordnung zum Messen von Stromst2rken
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Messen von Stromstärken
mit einem ersten Verstärker, dessen Eingang der zu messende Strom zugeführt ist
und zwischen dessen Ausgang fluid invertierendem Eingang e iY1 ein Gegenkopplungswiderstand
liegt, durch den ein Strom fließt, der etwa gleich dem zu messenden Strom ist. Eine
derartige Schaltungsanordnung, die aus der Zeitschrift ATM 31. Z 631-8 (Jan. 1968),
Seite 15 bis 17, bekannt ist, hat den Vorteil, daß sie nur einen geringen Spannungsabfall
im l.tJeg des zu messenden Stromes bewirkt. Von solchen Schaltungsanordnungen wird
darüber hinaus häufig verlangt, daß der günstigste Meßbereich in Abhängigkeit des
zu messenden Stromes automatisch eingestellt wird. Beim Umschalten der Meßbereiche
darf der Stromkreis nicht unterbrochen werden. Bei manueller Meßbereichsumschaltung
wird diese Forderung dadurch erreicht, daß eine Nebenwiderstandskette mit einem
niederohmigen Kontakt in den Stromkreis eingeschaltet wird. Es werden dann beim
Umschalten stets zwei benachbarte Schaltstellungen überbrückt, so daß der Stromkreis
nicht unterbrochen werden kann. Für eine automatische Bereichseinstellung kann diese
Schaltung mit Relais nachgebildet werden. Die Anzugs- und Abfallzeiten können so
eingestellt werden, daß beim.Umschalten der eine Kontakt erst dann geöffnet wird,
wenn der andere schon geschlossen ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zum Messen von Stromstärken zu schaffen,
deren Meßbereiche umschaltbar
sind. Beim Umschalten soll der Stromkreis des zu messenden Stromes nicht unterbrochen
werden.
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Auch soll die Strommessung nur einen geringen Spannungsabfall in diesem
Stromkreis verursachen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist von dem Gedanken ausgegangen,.den zu
messenden Strom in einem außerhalb des Kreises des zu messenden Stromes liegenden
Schaltungsteil abzubilden, in diesem den Strom zu messen und die Meßbereiche umzuschalten.
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Erfindungsgemäß wird die oben geschilderte Aufgabe dadurch gelöst,
daß ein zweiter gegengekoppelter Verstärker vorhanden ist, dessen Gegenkopplungskreis
den Gegenkopplungswiderstand des ersten Verstärkers und einen oder mehrere mit Transistorschaltern
einschaltbare Untersetzungswiderstände enthält und zwischen dessen Eingängen die
Reihenschaltung aus dem Gegenkopplungswiderstand und den in seinen Gegenkopplungskreis
geschalteten Untersetzungswiderständen liegt.
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Der erste Verstärker arbeitet als sogenannte Stromsaugschaltung, die
einen solchen Gegenkopplungsstrom liefert, daß am Verstärkereingang sich der zu
messende Strom und der Gegenkopplungsstrom kompensieren. Der Gegenkopplungsstrom
erzeugt am Gegenkopplungswiderstand eine Spannung, die der zu messenden Stromstärke
proportional ist. Diese Spannung gelangt auf den Eingang des zweiten Verstärkers,
dessen Gegenkopplungskreis so ausgebildet ist, daß der Gegenkopplungsstrom des zweiten
Verstärkers durch d en den Gegenkopplungswiderstand des ersten fließt bzw. den durch
d en den Gegenkopplungswiderstand fließenden Gegenkopplungsstrom des ersten Verstärkers
vermindert. Ist kein Untersetzungswiderstand eingeschaltet, sind die Gegenkopplungsströme
des ersten und des zweiten Verstärkers gleich. Ist dagegen ein Untersetzungswiderstand
in den Gegenkopplungskreis eingeschaltet, so liegt am Eingang des zweiten Verstärkers
auch die Spannung, die an diesem Widerstand infolge des Gegenkopplungsstromes abfällt.
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Zur Kompensation des Spannungsabfalls, den der Gegenkopplungsstrom
des ersten Verstärkers an seinem Gegenkopplungswiderstand verursacht, wird daher
nur ein geringerer Gegenkopplungsstrom des zweiten Verstärkers benötigt. Das Verhältnis
der Gegenkopplungsströme des ersten und des zweiten Verstärkers ist somit
gleich
dem Verhältnis des Wertes des Gegenkopplungswiderstandes des ersten Verstärkers
zur Summe der Werte dieses Gegenkopplungswiderstandes und der vom Gegenkopplungsstrom
durchflossenen Untersetzungswiderstände. Die Umschaltkontakte sind so angeordnet,
daß übliche Kontaktwiderstände keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben. Eine
kontaktlose Umschaltung mit Hilfe von Halbleiterbauelementen sowie eine automatische
Umschaltung sind daher auch möglich.
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Vor allem für Digital-Meßgeräte ist eine Abstufung der Meßbereiche
von jeweils 1 : 10 erwünscht. Um dies zu erreichen, wird das Verhältnis des Wertes
des Gegenkopplungswiderstandes zum Wert der eingeschalteten Untersetzungswiderstände
wie 1 : 9, 1 : 99, 1 : 999 usf. gewählt.
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Bevorzugt sind sämtliche Untersetzungswiderstände in Reihe geschaltet.
Der Eingang eines ersten Transistorschalters ist dann an den Verbindungspunkt eines
ersten Untersetzungswiderstandes mit dem Gegenkopplungswiderstand angeschlossen.
Die Eingänge weiterer Transistorschalter liegen an den gegenseitigen Verbindungspunkten
der Untersetzungswiderstände und ein letzter Transistorschalter liegt am Verbindungspunkt
eines letzten Untersetzungswiderstandes mit dem einen Eingang des zweiten Verstärkers.
Die Ausgänge der Transistorschalter liegen auf einem gemeinsamen Potential. Sie
können z. B. mit dem einen Anschluß des Strommeßwiderstandes verbunden sein, dessen
anderer Anschluß an einem Bezugspotential liegt. Ltlrch diesen Strommeßwiderstand
fließt dann der Gegenkopplungsstrom des zweiten Verstärkers, so daß die an ihm abfallende
Spannung ein Maß für den zu messenden Strom ist. An ihn ist daher zweckmäßig eine
Spannungsmeßanordnung geschaltet, die den Spannungsabfall mißt und in dessen Abhängigkeit
die Transistorschalter derart steuert, daß die am Strommeßwiderstand abfallende
Spannung innerhalb vorgegebener, dem jeweiligen Meßbereich entsprechende Grenzen
bleibt. Der Strommeßwiderstand kann selbstverständlich auch an einer anderen Stelle
in den Gegenkopplungskreis des zweiten Verstärkers geschaltet werden, wo er von
dessen Gegenkopplungsstrom durchflossen ist.
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Es wurde oben beschrieben, daß in einer vorteilhaften AusfUhrungstoorm
der Eingang des ersten Transistorschalters an den
Verbindungspunkt
des Gegenkopplungswiderstandes mit dem ersten Untersetzungswiderstand angeschlossen
ist. Ist dieser Transistorschalter geschlossen, fließt der Gegenkopplungsstrom des
zweiten Verstärkers, so daß durch keinen der Untersetzungsariderstände die Stärke
des Gegenkopplungsstromes gleich der des zu messenden Stromes ist. Dies ist in einer
solchen Anqrdnung der empfindlichste Meßbereich. Soll die Empfindlichkeit des kleinsten
Meßbereichs verringert werden, so kann zwischen den Gegenkopplungswiderstand des
ersten Verstärkers und den ersten in den Gegenkopplungskreis des zweiten Verstärkers
schaltbaren Untersetzungswiderstand ein weiterer Untersetzungswiderstand geschaltet
werden und der Eingang des ersten Transistorschalters an den Verbindungspunkt dieses
weiteren Untersetzungswiderstandes mit dem ersten einschaltbaren Untersetzungswiderstand
angeschlossen werden.
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Der weitere Untersetzungswiderstand liegt stets im Gegenkopplungskreis
des zweiten Verstärkers.
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Man kann eine solche Anordnung mit der zuvor beschriebenen in der
Weise kombinieren, daß der weitere Untersetzungswiderstand oder ein Widerstand entsprechender
Größe wahlweise als zusätzlicher Gegenkopplungswiderstand für den ersten Verstärker
geschaltet ist. Dadurch kann bei geeigneter Bemessung des zusätzlichen Gegenkopplungswiderstandes
bzw. des weiteren Untersetzungswiderstandes die Anzahl der Meßbereiche verdoppelt
werden.
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Von Strommeßgeräten wird häufig verlangt, daß mit ihnen Gleichströme
beider Polaritäten und Wechselspannungen gemessen werden können, ohne daß die Anschlußleitungen
umgepolt werden müssen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann dies dadurch erreicht
werden, daß der erste Verstärker zwei Ausgangstransistoren, vorzugsweise Komplementärtransistcren,
enthält, die von einem Vorverstärker angesteuert werden, dessen Eingang der zu messende
Strom zugeführt ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des einen Ausgangstransistors
liegt zwischen einer positiven Versorgungsspannungsquelle und dem einen Anschluß
des Gegenkopplungswiderstandes, der andere Ausgangstransistor zwischen dem anderen
Anschluß des Gegenkopplungswiderstandes und einer negativen Versorgungsspannurigsquelle.
Bei negativem Eingangsstrom oder der negativen.
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Halbwelle eines Wechselstromes ist der eine Transistor in Durchlaßrichtung
gesteuert, bei positivem Eingangsstrom der andere
Ausgangstransistor.
Mit Hilfe von Dioden, die einerseits an die Anschlüsse des Gegenkopplungswiderstandes
und andererseits mit dem invertierenden Eingang des Vorverstärkers verbunden sind,
wird erreicht, daß der Gegenkopplungsstrom immer in derselben Richtung durch den
Gegenkopplungswiderstand fließt und daher die an ihm abfallende Spannung stets gleiche
Polarität hat. Der Eingangsstrom wird daher gleichgerichtet, und zwar in einem Schaltungsteil,
der vor der Meßbereichsumschaltung liegt.
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Anhand der Zeichnung, in der Schaltbilder von Ausführungsbeispielen
dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen
näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigen Figur 1 eine Schaltungsanordnung zum Messen der Stromstärken
von Gleich- und Wechselspannungen mit automatischer MeSbereichsumschaltung und Figur
2 eine Schaltung mit im Vergleich zur Schaltung nach Figur 1 verdoppelter Anzahl
von Meßbereichen.
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Die Anordnung nach Figur 1 weist zwei Eingänge El und E2 auf, mit
denen sie in den Pfad des zu messenden Stromes geschaltet wird. Im Ausführungsbeispiel
liegt der Eingang E2 an einem internen Bezugspotential. Zwischen den Eingängen El
und E2 liegen zwei antiparallel geschaltete Dioden D1 und D2, die verhindern, daß
zu irgendeinem Zeitpunkt der Strompfad unterbrochen sein kann, und die ferner einen
Uberspannungsschutz für einen Verstärker V1 bilden. Dessen invertierender Eingang
1 ist mit dem Eingang El, der nichtinvertierende Eingang 2 mit dem Eingang E2 verbunden.
An seinem Ausgang sind die Basiselektroden von zwei komplementären Ausgangstransistoren
Ts1 und Ts2 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors Ts1 liegt an dem positiven
Pol 3 einer Hilfsspannungsquelle, der Kollektor des Transistors Ts2 an deren negativem
Pol 4. Mit dem Emitter des Transistors Ts1 ist der eine Anschluß 5 eines Gegenkopplungswiderstandes
R1 verbunden, dessen zweiter Anschluß 6 an den Emitter des Transistors Ts2 angeschlossen
ist. Am Anschluß 5 des Gegenkopplungswiderstandes R1 liegt ferner die Kathode einer
Diode D3, deren Anode einerseits mit dem invertierenden Eingang 1 des Verstärkers
V1 und anderer-
seits mit der Kathode einer Diode D4 verbunden
ist, deren Anode am Anschluß 6 des Gegenkopplungswiderstandes R1 liegt.
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An den Emitter des Transistors Tsl ist der invertierende Eingang 22
eines-zweiten gegengekoppelten Verstärkers V2 angeschlossen. Sein nichtinvertierender
Eingang 6 ist über Untersetzungswiderstände R4, R3 und R2 mit dem Emitter des Transistors
Ts2 verbunden. Der Untersetzungswiderstand R2 kann fehlen und ist daher gestrichelt
gezeichnet. Der Verbindungspunkt 7 des Widerstandes R2 mit dem Widerstand R3, der
bei Fehlen des Widerstandes R2 unmittelbar mit dem Emitter des Transistors Ts2 verbunden
ist, liegt am Eingang 10 eines Transistorschalters Ts3. Der Verbindungspunkt 8 zwischen
den Widerständen R3 und R4 liegt am Eingang 11 eines zweiten Transistorschalters
Ts4 und der Verbindungspunkt 9 des Widerstandes R4 mit dem nichtinvertierenden Eingang
6 des Verstärkers V2 am Eingang 12 eines dritten Transistorschalters Ts5. An die
Ausgänge 13, 14 und 15 der Transistorschalter Ts3, Tests und Ts5 ist der eine Anschluß
16 eines Strommeßwiderstandes R5 angeschlossen, dessen anderer Anschluß 17 am Bezugspotential
liegt. Die an ihm abfallende Spannung wird einem Eingang 21 einer Auswerteschaltung
AW1 zugeführt, die ein Anzeigegerät, ein knalog-Digital-Umsetzer oder dergleichen,
sein kann.
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Je nach Größe der am Eingang 21 anliegenden Spannung wird auf einen
der Ausgänge 18, 19, 20 ein Steuersignal gegeben, mit dem der zugehörige Transistorschalter
Ts3, Ts4, Ts5 durchgeschaltet wird.
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Im folgenden wirdodie Funktion der Anordnung nach Figur 1 näher erläutert.
Über den Eingang El werde dem invertierenden Eingang 1 des Verstärkers V1 ein positiver
Strom zugeführt, der eine kleine positive Spannung zwischen den Eingängen 1 und
2 des Verstärkers V1 bewirkt. Es erscheint daher eine negative Spannung am Ausgang
des Verstärkers V1, die den Transistor Ts1 sperrt und den Transistor Ts2 öffnet.
Es fließt daher vom Eingang E7 ein Strom über die Diode D3, den Gegenkopplungswiderstand
R1 und den Transistor Ts2 zum negativen Pol der Hilfsspannungsquelle. Wegen des
hohen Verstärkungsgrades des Verstärkers V1 ist dieser Strom so groß, daß die Spannung
an den Eingängen 1 und 2 des Verstärkers V1 praktisch Null ist, was wegen des hohen
Eingangswiderstandes des Verstärkers V1 bedeutet, daß praktisch der ge-
samte
über den Eingang El fließende Strom über den Gegenkopplungswiderstand R1 fließt.
Zwischen dessen Anschlüssen 5 und 6 tritt daher eine positive Spannung auf. Fließt
ein negativer Strom vom Eingang EI zum invertierenden Eingang 1 des Verstärkers
V1, so gibt dieser eine positive Spannung ab, die den Transistor Ts2 sperrt und
den Transistor Tsl öffnet. Vom positiven Pol 3 der Hilfsspannungsquelle fließt daher
ein Strom über den Transistor Ts1, den Gegenkopplungswiderstand R1 und die Diode
D4 zum Eingang El, Dieser Strom hat aus den obengenannten Gründen dieselbe Stärke
wie der dem Eingang E7 zugeführte zu messende Strom. Zwischen den Anschlüssen 5
und 6 des Gegenkopplungswiderstandes RI erscheint wieder eine positive Spannung,
deren Größe der Stärke des zu messenden Stromes proportional ist. Die Polarität
der am Gegenkopplungswiderstand RI abfallenden Spannung ist daher unabhängig von
der Richtung des dem Eingang Ei zugeführten Stromes.
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Für die folgenden Erläuterungen wird zunächst angenommen, daß der
Untersetzungswiderstand R2 Null ist und die Auswerteschaltung A5J1 über den Ausgang
18 ein Steuersignal auf die Basiselektrode des Transistorschalters Ts3 gibt, das
diesen durchschaltet. Die am Gegenkopplungswiderstand R1 abfallende Spannung wird
den Eingängen 22 und 23 des Verstärkers V2 zugeführt. Da der über dessen Eingang
23 fließende Strom praktisch Null ist, haben die Untersetzungswiderstände P3 und
R4 keinen Einfluß auf die Höhe dieser Spannung. Der Verstärker V2 erzeugt einen
Ausgangsstrom, der als Gegenkopplungsstrom über den Widerstand R1 fließt und bewirkt,
daß die den Eingängen 22 und 23 zugeführte Spannung etwa Null wird. Dies geschieht
dadurch, daß der Ausgangsstrom des Verstärkers V2, der über den Gegenkopplungswiderstand
RI, den Transistorschalter Ts3 und den Strommeßwiderstand R5 fließt, den vom Transistor
Ts1 oder vom Transistor Ts2 durch den Widerstand R1 geschickten Strom kompensiert.
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Der durch den Gegenkopplungskreis des Verstärkers V2 fließende Strom
hat daher dieselbe Stärke wie der durch den Gegenkopplungskreis des Verstärkers
V1 fließende und damit wie der dem Eingang El zugeführte Strom. Er erzeugt einen
Spannungsabfall am Widerstand R5, so daß an dessen Anschluß 16 eine Spannung auftritt,
die ein daß für den zu messenden Strom ist und von der Auswerteschaltung AW7 ausgewertet
werden kann.
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Der Transistorschalter Ts3 bleibt so lange durchgeschaltet, wie die
Stärke des zu messenden Stromes innerhalb des kleinsten Meßbereiches bleibt. Uberschreitet
er die obere Grenze des kleinsten Meßbereiches, so überschreitet die am Strommeßwlderstand
R5 abfallende Spannung einen in der Auswerteschaltung AW1 eingestellten Wert. Hierzu
kann die Auswerteschaltung AW1 einen Spannungsdiskriminator enthalten, der auf einen
oberen und einen unteren Grenzwert eingestellt ist. Im Falle einer digitalen Darstellung
der Meßwerte kann der obere Grenzwert dadurch festgestellt werden, daß der Ergebniszähler
einen Überlaufimpuls abgibt. Der Meßwert liegt unterhalb des unteren Grenzwertes,
wenn die höchste Dezimale eine Null ist. Wird der obere Grenzwert überschritten,
gibt die Auswerteschaltung AWI auf ihren Ausgang 18 ein Sperrsignal und auf ihren
Ausgang 19 ein Durchschaltesignal für den Transistor Ts4, so daß der Punkt 8 mit
dem Anschluß 16 des Strommeßwiderstandes R5 verbunden ist. Der Gegenkopplungsstrom
des Verstärkers V2 fließt daher vom Punkt 7 nicht mehr unmittelbar zum Strommeßwiderstand
R5 ab, sondern er durchfließt den Untersetzungswiderstand R3, so daß die am Widerstand
R1 infolge des Gegenkopplungsstromes des Verstärkers V1 abfallende Spannung durch
den Spannungsabfall kompensiert wird, den der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers
V2 an den Widerständen R1 und R3 erzeugt. Es gilt daher die Gleichung IM R1 = 1K
(R1 + R3), in der IM der zu messende Strom und IK der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers
V2 bedeuten. Wird mit UK der Spannungsabfall bezeichnet, den der Gegenkopplungsstrom
IK am Strommeßiderstand R5 erzeugt, erhält man für den zu messenden Strom die Beziehung
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Ubersteigt auch dann, wenn der Transistorschalter Ts4 durchgeschaltet
ist, die am Widerstand R5 abfallende Spannung den in der Auswerteschaltung Af1 eingestellten
oberen Grenzwert, so werden auf die Ausgänge 18 und 19 Sperrsignale und auf den
Ausgang 20 der Auswerteschaltung AWI ein Durchschaltesignal für den Transistorschalter
Ts5 gegeben. Der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers V2 durchfließt'daher auch den
Untersetzungswiderstand R4,
so daß für den zu messenden Strom IM
und den am Strommeßwiderstand R5 auftretenden Spannungsabfall die Beziehung gilt:
.
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Während also der von den Transistoren Ts1 und Ts2 aufzubringende Gegenkopplungsstrom
gleich dem zu messenden Strom sein muß, bleibt der Ausgangsstrom des Verstärkers
V2 innerhalb vorgegebener Grenzen und kann daher mit großer Genauigkeit ausgewertet
werden. Aus diesem Grunde kann es erforderlich sein, für die Transistoren Ts1 und
Ts2 Leistungstransistoren einzusetzen, während der Verstärker V2 ausschließlich
aus einem Baustein in integrierter Technik bestehen kann. Fällt der zu messende
Strom so weit ab, daß die am Strommeßwiderstand R5 auftretende Spannung kleiner
als der in der Auswerteschaltung AT:T1 eingestellte untere Grenzwert ist, so wird
der Transistor Ts5 wieder gesperrt und der Transistorschalter Ts4 geöffnet. Wird
auch dann der untere Grenzwert unterschritten, wird der Transistorschalter Ts3 durchgeschaltet.
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Im kleinsten Meßbereich der bisher beschriebenen Schaltung, in der
der Widerstand R2 fehlt, ist der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers V2 gleich dem
zu messenden Strom. Ist der Ausgangsstrom des Verstärkers V2 auch im kleinsten Meßbereich
zu hoch, kann der Widerstand R2 eingeschaltet werden. Der zu messende Strom errechnet
sich dann aus der Gleichung
.
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Die Größe der einzelnen Meßbereiche kann durch geeignete Wahl der
Untersetzungswiderstände R2, R3, RL eingestellt werden. Bei digitaler Darstellung
des Meßwertes ist eine Abstufung der Meßbereiche von jeweils 1 : 10 erwünscht. Hierzu
ist bei Fehlen des Widerstandes R2 der Wert des Widerstandes R3 gleich dem neunfacnen
Wert des Widerstandes R1 und der .lernt des Widerstandes R4 gleich dem 90-fachen
zu wählen. Ist UKO der in der Auswerteschaltung AW-eingestellte obere Grenzwert,
so ergeben sich für die Anordnung nach Figur 1 die I-Ießbereiche
.
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Ist der Widerstand R2 vorhanden, so muß für eine Abstufung von 1 :
10 der einzelnen Meßbereiche der Wert des Widerstandes R3 gleich dem Neunfachen
des Wertes der Summe der Widerstände R1 und R2 und entsprechend der Wert des Widerstandes
R4 gleich dem Neunzigfachen sein.
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Die Schaltungsanordnung nach-Figur 2 wird mit Eingängen E3 und E4
in den Pfad des zu messenden Stromes geschaltet. An diese Eingänge E3 und E4 ist
ein Differenzverstärker V3 geschaltet, zwischen dessen Eingänge zwei antiparallel
geschaltete Dioden D5 und D6 liegen. Er steuert ein Paar komplementärer Transistoren
Ts6 und Ts7 an, zwischen deren Emitter zwei Gegenkopplungswiderstände R6 und R7
liegen, von denen der letztere mit einem Schalter S2 überbrückt werden kann. Der
Kollektor des npn-lransistors Ts6 liegt an dem positiven Pol 31 einer Hilfsspannuisquelle,
deren negativer Pol 32 mit dem Kollektor des pnp-Transistors Ts7 verbunden ist.
An den Emitter des Transistors Ts6 bzw.
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dem Anschluß 24 des Gegenkopplungswiderstandes R6 ist die Kathode
einer Diode D7 angeschlossen, deren Anode mit einem Kontakt 27 eines Schalters S1
und der Kathode einer Diode D8 verbunden ist, deren Anode an den Emitter des Transistors
Ts7 bzw. einen Anschluß 26 des Gegenkopplungswiderstandes R7 angeschlossen ist.
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Ein zweiter Kontakt 28 des Schalters S1 ist mit der Anode einer Diode
D9.und der Kathode einer Diode DIO verbunden. Die Kathode der Diode D9 ist mit dem
Anschluß 24 bzw. dem Emitter des Transistors Ts6 und die Anode der Diode D10 mit
dem Verbindungspunkt 25 der Gegenkopplungswiderstände R6 und R7 verbunden.
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An den Verbindungspunkt 25 ist ferner über einen Widerstand R8 der
eine Kontakt 29 eines Umschalters S3 angeschlossen, dessen anderer Kontakt 30 mit
dem Emitter des Transistors Ts7 verbunden ist. An diesen Umschalter S3 ist über
eine Reihenschaltung aus Untersetzungswiderständen R9 und R10 der nichtinvertierende
Eingang 33 eines Verstärkers V4 angeschlossen, dessen invertierender Eingang 34
mit dem Ausgang des Verstärkers V4 und dem Emitter des Transistors Ts6 verbunden
ist. Transistorschalter Ts8, Ts9 und Ts10 verbinden im durchgeschalteten Zustand
den Ausgang des Umschalters S3 oder den Verbindungspunkt der Untersetzungswiderstände
R9 und R?O oder den Verbindungspunkt des Widerstandes R10 mit dem Eingang 33 des
Verstärkers V4 mit dem einen An-
schluß eines Strommeßwiderstandes
R11, dessen anderer Anschluß an Masse liegt. Die an diesem abfallende Spannung wird
in einer Auswerteschaltung AW2 darauf überprüft, ob sie zwischen zwei Grenzwerten
liegt. In Abhängigkeit des Ergebnisses dieser Prüfung wird einer der Transistorschalter
Ts8, Ts9, Ts10 durchgeschaltet und die'Schalter S1, S2 und 53 in die in Figur 2
gezeichnete oder die andere Schaltstellung gebracht.
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In der eingezeichneten Stellung entspricht die Anordnung nach Figur
2 der nach Figur 1, in welcher der Gegenkopplungswiderstand R1 durch zwei Gegenkopplungswiderstände
R6 und R7 ersetzt ist und der Widerstand R2 fehlt. Der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers
V3, Ts7, Ts8 fließt über die Dioden D7 und D8. In der nicht eingezeichneten Stellung
der Schalter S1, S2, S3 ist die Schaltung nach Figur 2 gleich der nach Figur 1,
wobei dem Widerstand R1 der Widerstand R6 und dem Widerstand R2 der Widerstand R8
entspricht. In diesem Falle fließt der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers V3, Ts6,
Ts7 über die Dioden D9 und D10. Für die Erläuterung der Funktion der Anordnung nach
Figur 2 in den beiden Stellungen der Schalter S1, S2, S3 wird auf-die Beschreibung
der Anordnung nach Figur 1 venriesen.
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Der Meßbereich mit der größten Empfindlichkeit ist dann eingestellt,
wenn der Transistorschalter Ts8 durchgeschaltet ist und die Schalter S1, S2 und
S3 in der eingezeichneten Stellung sind.
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Steigt der zu messende Strom an, so wird der Schalter Ts9 und bei
weiterem Ansteigen der Schalter TsIO geschlossen, wobei die jeweils beiden anderen
Schalter geöffnet werden. Steigt der zu messende Strom und damit die am Widerstand
R11 abfallende Spannung weiter an, werden die Schalter S1, S2 und S3 umgeschaltet
und der Transistor Ts8 wieder durchgeschaltet. Bei noch größeren Strömen wird der
Transistor Ts9 oder der Transistor Ts10 durchgeschaltet. Insgesamt hat die Schaltung
nach Figur 2 sechs Meßbereiche, also bei einer gleichen Anzahl von Untersetzungswiderständen
wie die Schaltung nach Figur 1 die doppelte Anzahl von Meßbereichen. Es ist allerdings
erforderlich, daß die Widerstände R6, R7 und R8 geeignet dimensioniert sind. Nach
den obigen Gleichungen besteht im dritten Meßbereich, wenn die Schalter S1, S2 und
S3 in der eingezeichneten Stellung sind und der Transistorschalter Tsio durchgeschaltet
ist, die Beziehung:
Im nächstgrößeren Meßbereich, in dem die Schalter S1, S2 und S3 im nicht eingezeichneten
Zustand sind und der Transistorschalter Ts8 durchgeschaltet ist, gilt die Gleichung:
.
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Bei der Erläuterung der Anordnung nach Figur 1 wurde gezeigt, daß,
wenn die einzelnen Meßbereiche-jeweils 1 : 10 abgestuft sein sollen, der Wert des
Widerstandes R3 gleich dem Neunfachen des Wertes des Widerstandes R1 und der Wert
des Widerstandes R4 gleich dem Neunzigfachen sein muß. Entsprechend muß in der Anordnung
nach Figur 2 der Wert des Widerstandes R9 gleich dem Neunfachen der Summe der Werte
der Widerstände R6 und R7 sein.
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Berücksichtigt man ferner, daß im vierten Meßbereich die am Widerstand
RIl abfallende Spannung nur 1/1000 der Spannung ist, die im kleinsten Meßbereich
abfällt, so errechnet sich aus den obigen Gleichungen, daß die Werte der Widerstände
R7 und R8 gleich dem 999-fachen des Wertes des Widerstandes R6 sein müssen.
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Unter diesen Voraussetzungen sind alle sechs Meßbereiche jeweils 1
: 10 abgestuft. Da die Werte der Widerstände R7, R8 gleich sind und in jeder Schaltstellung
der Schalter S1, S2, S3 je einer der Widerstände nicht benötigt wird, kann auch
eine Anordnung vorgesehen sein, in der ein einziger Widerstand entweder als Gegenkopplungs-
oder als Untersetzungswiderstand geschaltet ist.
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Die Verwendung der Schalter SI, S2 und 53 bringt außer der Verdoppelung
der Anzahl der Meßbereiche den Vorteil, daß für die verschiedenen Meßbereiche Paare
von unters.chiedlichen Dioden D7, D8 bzw. D9, D10 eingesetzt werden können. Über
diese Dioden fließt ein Strom mit der Stärke des zu messenden Stromes. Die Schaltung
nach Figur 2 umfaßt bei dezimaler Abstufung der einzelnen Meßbereiche einen Gesamtmeßbereich
von mehr als 1 : 106, also z. 3.
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von weniger als 10/um bis 10 A. Dioden, die mit 10 A belastet werden
können, haben den Nachteil eines großen Sperrstroms, Dioden mit kleinem Sperrstrom
können nicht mit Strömen von mehreren Ampere belastet werden. Mit dem Schalter S1
wird bei kleinen zu messenden Strömen der Gegenkopplungsstrom des Verstärkers V3,
Ts6, Ts7 über die Dioden D7 und D8 geführt, die einen geringen
Sperrstrom
haben. Bei Strömen mit großer Stromstärke fließt der Gegenkopplungsstrom über die.
hochbelastbaren Dioden D9 und D10.
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Durch die Verwendung von zwei Paaren verschiedenartiger Dioden sind
daher in allen Meßbereichen die durch die Sperrströme der Dioden D7, D8, D9, D10
bedingten Meßfehler vernachlässigbar klein.
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Der Schalter S2 bewirkt, daß bei-hohen Strömen der Spannungsabfall
an den Gegenkopplungswiderständen R6 und R7 nicht unzulässig groß wird und der Widerstand
R7 nur normal belastbar zu sein braucht.
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13 Patentansprüche 2 Figuren