DE2635462A1 - Schaltungsanordnung zum messen von stromstaerken - Google Patents

Schaltungsanordnung zum messen von stromstaerken

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DE2635462A1
DE2635462A1 DE19762635462 DE2635462A DE2635462A1 DE 2635462 A1 DE2635462 A1 DE 2635462A1 DE 19762635462 DE19762635462 DE 19762635462 DE 2635462 A DE2635462 A DE 2635462A DE 2635462 A1 DE2635462 A1 DE 2635462A1
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Germany
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negative feedback
resistor
current
amplifier
transistor
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DE19762635462
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Gerd Ing Grad Kuligowski
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/08Circuits for altering the measuring range
    • G01R15/09Autoranging circuits

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)

Description

  • Schaltungsanordnung zum Messen von Stromst2rken
  • 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.
  • 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.
  • Auch soll die Strommessung nur einen geringen Spannungsabfall in diesem Stromkreis verursachen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der weitere Untersetzungswiderstand liegt stets im Gegenkopplungskreis des zweiten Verstärkers.
  • 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.
  • Von Strommeßgeräten wird häufig verlangt, daß mit ihnen Gleichströme beider Polaritäten und Wechselspannungen gemessen werden können, ohne daß die Anschlußleitungen umgepolt werden müssen.
  • 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.
  • 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.
  • Anhand der Zeichnung, in der Schaltbilder von Ausführungsbeispielen dargestellt sind, werden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 .
  • 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: .
  • 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.
  • 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 .
  • 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 .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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: .
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 13 Patentansprüche 2 Figuren

Claims (13)

  1. Patentansprüche 1J Schaltungsanordnung zum dessen xron Stromstärkena einem ersten Verstärker, dessen Eingang der zu messende Strom zugerührt ist und zwischen dessen Ausgang und invertierendem Eingang ein Gegenkopplungswiderstand liegt durch den ein Strom fließt, der etwa gleich dem zu messenden Strom ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter,gegengekoppelter Verstärker (V2) vorhanden ist, dessen Gegenkopplungskrei.s den Gegenkopplungswiderstand (R1) des ersten Verstärkers (V1, Ts1, Ts2) und einen oder mehrere mit Transistorschaltern (Ts3, Ts4, Ts5) einschaltbare Untersetzungswiderstände (R3, R4) enthält u-nd zwischen dessen Eingängen (22, 23) die Reihenschal-tung aus dem Gegenkopplungswiderstand (R1) und den in seinen Gegenkopplungskreis geschalteten Untersetzungswiderstanden (R3, R4) liegt.
  2. 2. Schal-tungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichet, met, daß in den Gegenkopplungskreis des zweiten Verstärkers (V2) ein Strommeßwiderstand (R5) geschaltet ist, an den eine Auswerteschaltung (AW) angeschlossen ist, welche die am StrommeBwiderstand (R5) abfallende Spannung mißt und in deren Abhängigkeit die Transistorschalter (Ts3, Ts4, Ts5) steuert.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Untersetzungswiderstände (R2, R3, R4) in Reihe geschaltet sind und die Eingänge (10, 11, 12) der Transistorschalter (Ts3, Ts4, Ts5) an den Verbindungspunkt des Gegenkopplungswiderstandes (R1) mit dem ersten in den Gegenkopplungskreis einschaltbaren Untersetzungswiderstana (R3), die gegenseitigen Verbindungspunkbe (8) der Untersetzungswiderstände (R3, R4) und den Verbindungspunkt (9) des let2ten Untersetzungswiderstandes (R4) mit dem einen Eingang (23) des zweiten Verstärkers (V2) angeschlossen sind und daß die Ausgänge (13, 14, 15) der Transistorschalter (Ts3, Ts4, Ts5) auf einem gemeinsamen Schaltungspunkt geführt sind 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge (13, 14, 15) der Transistorschalter (Ts3, Ts
  4. 4, Ts5) der eine Anschluß (16) des Strommeßwiderstandes (R5) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß (17) an Bezugspotential liegt.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Gegenlropplungslderstandes (RI) zum Wert der in dem Gegenkopplungskreis des zweiten Verstärkers (V2) geschalteten Untersetzungswiderständen sich wie 1 : 9, 1 : 99, 1 : 999 ... verhalten.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in en den Gegenkopplungskreis des zweiten Verstärkers (V2) ein zwischen den Eingängen des Verstärkers (V2) liegender weiterer Untersetzungswiderstand (R2) eingeschaltet ist.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Werte der Summe des Gegenkopplungswiderstandes (R1) und des weiteren Untersetzungswiderstandes (R2) sich zu den Trerten der in den Gegenkopplungskreis geschalteten Untersetzungswiderstände (R3, R4) sich wie 1 : 9, 1 : 99 ... verhalten.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzenchnet, daß wahlweise der weitere Untersetzungswiderstand (R8) in den Gegenkopplungskreis des Verstärkers (V4) oder ein zusätzlicher Gegenkopplungwiderstand (R7) in den Gegenkopplungskreis des ersten Verstärkers (V3) und des zweiten Verstärkers (V4) einschaltbar ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte des zusätzlichen Gegenkopplungswiderstandes (7) und des weiteren Untersetzungswiderstandes (R8) gleich sind und sich bei einer Anzahl von n Transistorschaltern (Ts8, Ts9, Ts10) sich wie (1On i): 1 zum Wert de des Gegenkopplungswiderstandes (R6) verhalten.
  10. 10, Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurcn gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (V1) zwei Ausgang transistoren (Ts1, Ts2) enthält, die an ihren Basiselektroden von einem Vorverstärker (V1) angesteuert sind, dessen Eingänge (1, 2) in den Strompfad geschaltet sind, daß der eine Anschluß der Kollektor-Emitter-Strecke des einen Ausgangstransistors (Ts1) an den positiven Pol (3) einer Hil,sspannvmgsquelle und der andere Anschluß mit dem Gegenkopplungswiderst2nd (R1) verbunden ist und daß der eine Anschluß der Kollektor-Emitter-Strecke des anderen Ausgangstransistors (Ts2) an den negativen Pol (4) der HilSsspannu-llgsquelle und der andere Anschluß an den Gegenkopplungswiderstand (R1) angeschlossen ist, daß bei einem negativen zu messenden Strom der mit dem positiven Pol (3) der HilSsspannungsquel1e verbundene Transistor (Ts1) und bei positivem zu messendem Strom der mit dem negativen Pol (4) der Hilfsspannungsquelle verbundene Transistor (Ts2) in Durchlaßrichtung gesteuert ist und daß an den Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-StJ.ecke des ersten Transistors (Ts1) mit dem Gegenkopplungswiderstand (R1) die Kathode einer ersten Diode (D3) angeschlossen ist, deren Anode mit dem invertierenden Eingang (1) des Vorverstärkers (V1) und mit 1 der Kathode einer zweiten Diode (D4) verbunden ist, deren Anode an den Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Transistors (Ts2) mit dem Gegenkopplungswiderstand (R1) angeschlossen ist.
  11. 11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Anschlüsse (24, 25) des Gegenkopplungswiderstandes (R6) Hochstromdioden (D9, DIO) und an die beiden Anschlüsse (24, 26) der Reihenschaltung aus Gegenkoppluiigswiderstand (R6) und zusätzlichem Gegenkopplungswiderstand (R7) Niederstromdioden (D7., D8) mit hohem Sperrwiderstand angeschlossen sind.
  12. 12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Transistor (Ts1) vom npn-Typ ist und mit seinem Kollektor an den positiven Pol (3) der Hilfsspannungsquelle angeschlossen ist und der zweite Transistor (Ts2) vom pnp-Qyp ist und mit seinem Kollektor an den negativen Pol (4) der Hilfsspannungsquelle angeschlossen ist.
  13. 13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingängen (1, 2) des ersten Verstärkers (V1, Ts1, Ts2) antiparallel geschaltete Begrenzerdioden liegen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2823348A1 (de) * 1978-05-29 1979-12-13 Kornienko Gesteuerter mehrteiliger widerstandssatz
DE3813545A1 (de) * 1988-04-22 1989-11-02 Asea Brown Boveri Messbereichsschalter zur automatischen messbereichseinstellung

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