DE2914697A1

DE2914697A1 - Voltage measurement and display circuit - has two linear regions and one or more precision voltage limiters to effect change of scale

Info

Publication number: DE2914697A1
Application number: DE19792914697
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Leopold
Original assignee: Gossen GmbH
Current assignee: Gossen GmbH
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1980-10-16
Also published as: DE2914697C2; ATA186580A; AT385602B

Abstract

The voltage is measured by a moving coil meter (3) with a series resistor (4). In parallel with this is a second resistor (2) in series with a precision voltage limiter (1). This second resistor effects a change of the scale of the measurement for voltages large enough to cause the limiter circuit to conduct. The precision limiter circuit uses three transistors driven by a resistor divider network. Temp. compensation of the transistors is provided by negative temp. coefficient resistors in their base drives. More than one change of scale can be effected in the same way.

Description

Schaltungsanordnung für einen Spannungs- Circuit arrangement for a voltage

messer mit zwei linearen Teilbereichen Die Erfindung betrifft den Oberbegriff des Anspruchs 1. knife with two linear sub-areas The invention relates to the Preamble of claim 1.

Für einen bequem zu benutzenden Spannungsmesser ist es vorteilhaft, einen groben Meßbereich zu haben ohne umschalten zu müssen. Normalerweise bietet sich dafür eine logarithmische Skalenteilung an, jedoch ist diese nicht ganz einfach abzulesen. Stattdessen wird eine Aufteilung des gesamten Bereiches auf zwei oder mehr Teilbereiche vorgezogen, wobei jeder dieser Teilbereiche eine Linearität der Anzeigeskala hat, was bekanntlich wegen der einfachen Interpolation Vorteile bietet, sieht man einmal von dem nichtlinearen Obergangsbereich zwischen den Teilbereichen ab.For a voltmeter that is convenient to use, it is beneficial to to have a coarse measuring range without having to switch. Usually offers a logarithmic scale division is used for this, but this is not very easy read off. Instead, a division of the entire area into two or more sub-areas preferred, each of these sub-areas having a linearity of Display scale, which is known to have advantages because of the simple interpolation, you can see the non-linear transition area between the sub-areas away.

Solche Art von Spannungsmessern sind durchaus bekannt. So ist z. B. bei dem DE-Gm 19 24 462 eine Z-Diode parallel zum Meßwerk geschaltet und in der DE-OS 26 29 500 ist eine Schaltung mit mehreren Operationsverstärkern beschrieben, die das gleiche bewirkt.Such types of tension meters are well known. So is z. B. in the DE-Gm 19 24 462 a Zener diode connected in parallel to the measuring mechanism and in the DE-OS 26 29 500 describes a circuit with several operational amplifiers which does the same thing.

Nachteilig ist bei der ersten Schaltung der recht große Obergangsbereich und die nicht ausreichende Linearität, insbesondere im oberen Teilbereich; bei der zweiten der große Schaltungsaufwand.The disadvantage of the first shift is the rather large transition area and the inadequate linearity, especially in the upper part of the range; in the second the great circuit complexity.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden ohne jedoch den Aufwand für die Schaltung groß werden zu lassen.The invention was based on the object of addressing the disadvantages mentioned Avoid, however, without letting the cost of the circuit become large.

Zur Erläuterung diene folgendes Beispiel (vgl. Figur 5): Gesamtbereich 0...400 V, 1. Teilbereich 0...50 V mit 50 V in Skalenmitte, 2. Teilbereich 50...400 V.The following example serves to explain this (see FIG. 5): total area 0 ... 400 V, 1st subrange 0 ... 50 V with 50 V in the middle of the scale, 2nd subrange 50 ... 400 V.

Die Schaltung sollte auf drei oder mehr lineare Teilbereiche erweitert werden können.The circuit should be expanded to three or more linear sections can be.

Anzustreben wären möglichst kleine Temperaturfehler und ferner sollte keine Stromversorgung für die Schaltung erforderlich sein.The aim would be to aim for the smallest possible temperature errors and, furthermore, should no power supply may be required for the circuit.

Lösung dieser Aufgabenstellung erfolgt erfindungsgemäB durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1.This problem is solved according to the invention by the characterizing Features of claim 1.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Angaben gemacht über die Bemessung des Spannungsteilers, um die Temperaturfehler in engen Grenzen zu halten.According to a further embodiment of the invention, information is provided on the dimensioning of the voltage divider to keep the temperature error within narrow limits to keep.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gestattet es, ein relativ preiswertes, einfach zu bedienendes Voltmeter herzustellen, das für viele praktische Zwecke verwendbar ist.The circuit arrangement according to the invention allows a relatively Inexpensive, easy-to-use voltmeter to manufacture that is practical for many Purposes is usable.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 die Prinzipschaltung (Stand der Technik), Fig. 2 die erfindungsgemäße Grundschaltung, Fig. 3 die ausführliche Schaltung für das erfindungsgemäße Referenzelement, Fig. 4 die Schaltung für drei Teilbereiche und Fig. 5 eine erfindungsgemäße Skalenteilung.An embodiment is shown in the drawing and will described in more detail below. They show: Fig. 1 the basic circuit (state of Technology), Fig. 2 the basic circuit according to the invention, Fig. 3 the detailed circuit for the reference element according to the invention, FIG. 4 shows the circuit for three partial areas and FIG. 5 shows a scale division according to the invention.

Die Wirkungsweise der Schaltung zur Erzielung zweier linearer Teilbereiche läßt sich anhand von Fig. 1 erläutern. Das "Referenzelement" 1 hat eine Strom-Spannungskennlinie wie eine Z-Diode. Diese wird in Sperrichtung betrieben. Bei Spannungen von 0 bis zum Knickpunkt der Z-Diode 1 fließt durch die Reihenschaltung Z-Diode 1 und Vorwiderstand 2 praktisch kein Strom, d. h. das Meßinstrument 3 (ein Drehspulinstrument) zeigt linear an. Die Spannung, bei welcher der Kennlinienknickpunkt für die Z-Diode erreicht wird, wird im wesentlichen durch den Spannungsabfall am Vorwiderstand 4 zum Meßinstrument 3 bestimmt. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß der Innenwiderstand des Meßinstruments 3 gegenüber dem Vorwiderstand 4 klein ist.How the circuit works to achieve two linear subranges can be explained with reference to FIG. The "reference element" 1 has a current-voltage characteristic like a Zener diode. This is operated in the reverse direction. With voltages from 0 to to the break point of the Zener diode 1 flows through the series connection of the Zener diode 1 and series resistor 2 practically no electricity, d. H. shows the measuring instrument 3 (a moving coil instrument) linear. The voltage at which the characteristic curve break point for the Zener diode reaches becomes a measuring instrument essentially due to the voltage drop across the series resistor 4 3 determined. It can be assumed that the internal resistance of the measuring instrument 3 compared to the series resistor 4 is small.

Der Skalenbereich oberhalb des Knickpunkts wird stark zusammengedrängt.The scale area above the inflection point is strongly compressed.

Durch den Vorwiderstand 2 zum Referenzelement 1 kann dessen differentieller Widerstand im Zenerbereich vergrößert werden. Dadurch läßt sich die Steilheit des zweiten (oberen) linearen Teilbereichs willkürlich bestimmen.Due to the series resistor 2 to the reference element 1, its differential Resistance in the zener area can be increased. This allows the steepness of the arbitrarily determine the second (upper) linear subrange.

Die Schaltung des "Referenzelements" selbst ist in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt.The circuit of the "reference element" itself is shown in FIG. 2 and FIG. 3 shown.

Als Spannungsreferenz wird die Basis-Emitter-Spannung eines mit konstantem Kollektorstrom betriebenen Transistors 5 verwendet. Zu dieser Basis-Emitter-Spannung wird noch eine vom Spannungsteiler 6, 7 abgegriffene Spannung summiert und zwar derart, daß diese Gesamtspannung gleich der Summe aus Bandgap-Spannung des Siliziums (1,21 V) plus der Temperaturspannung (bei 25 °C 0,02568 V) des Elektrons ist. Dabei werden die Widerstände 6, 7 bzw. 6, 8 zusammen mit dem Thermistor (NTC-Widerstand) 9 so bemessen, daß die abgegriffene Spannung proportional der absoluten Temperatur ist.As a voltage reference, the base-emitter voltage becomes one with constant Collector current operated transistor 5 is used. At this base-emitter voltage a voltage tapped off by the voltage divider 6, 7 is also summed up such that this total voltage is equal to the sum of the band gap voltage of the silicon (1.21 V) plus the temperature voltage (at 25 ° C 0.02568 V) of the electron. Included the resistors 6, 7 or 6, 8 together with the thermistor (NTC resistor) 9 dimensioned so that the tapped voltage is proportional to the absolute temperature is.

Die Summe der genannten beiden Spannungen, nämlich rund 1,236 V, ist die eigentliche Referenzspannung.The sum of the two voltages mentioned, namely around 1.236 V, is the actual reference voltage.

Sie ist nach der Theorie der Halbleitersperrschicht temperaturunabhängig, und zwar unabhängig davon, wie groß die Basis-Emitter-Spannung ist.According to the theory of the semiconductor junction, it is temperature-independent, regardless of how large the base-emitter voltage is.

Damit der Thermistor 9 die gleiche Temperatur annimmt wie die Sperrschicht des Transistors 5, sind beide Bauelemente 5, 9 auf einem gut wärmeleitenden Träger 10 montiert.So that the thermistor 9 assumes the same temperature as the barrier layer of the transistor 5, both components 5, 9 are on a carrier that conducts heat well 10 assembled.

Der andere Thermistor (NTC-Widerstand) 11 steht in gutem thermischen Kontakt mit dem pnp-Transistor 12 und kompensiert die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Spannung dieses Transistors 12. Dadurch wird der Kollektorstrom des Referenztransistors 5 ausreichend konstant gehalten.The other thermistor (NTC resistor) 11 is in good thermal condition Contact with the pnp transistor 12 and compensates for the temperature dependence of the Base-emitter voltage of this transistor 12. This increases the collector current of the Reference transistor 5 kept sufficiently constant.

Die drei Transistoren 5, 12, 13 ergeben eine Verstärkerkaskade, wodurch der Innenwiderstand des Referenzelements relativ klein ist.The three transistors 5, 12, 13 result in an amplifier cascade, whereby the internal resistance of the reference element is relatively small.

Das Referenzelement kann auch als Parallelschaltung von Z-Diode und ohmschen Widerständen 6, 7 bzw. 6, 8, 9 aufgefaßt werden. Das ist bei der Deutung der Funktion des Referenzelements zu berücksichtigen.The reference element can also be used as a parallel connection of Zener diode and Ohmic resistors 6, 7 or 6, 8, 9 can be understood. That is with the interpretation the function of the reference element to be taken into account.

In Fig. 4 ist eine Schaltung angegeben zur Erzielung von drei linearen Teilbereichen. Im untersten Teilbereich arbeiten beide Referenzelemente la, 1b noch unter ihren Knickpunkten. Die Referenzelemente 1a, 1b haben zwei unterschiedliche Knickpunkte. Sobald bei dem ersten (z. B. 1a) dieser überschritten wird, beginnt der zweite Teilbereich, dessen Steilheit durch den Vorwiderstand 2a eingestellt werden kann. Beim zweiten Referenzelement Ib ist hierbei der höher liegende Knickpunkt noch nicht erreicht. Erst wenn auch dieser überschritten wird, beginnt der dritte Teilbereich.In Fig. 4 a circuit is given for achieving three linear Sub-areas. In the lowest sub-area, both reference elements 1 a, 1 b are still working below their breakpoints. The reference elements 1a, 1b have two different ones Breakpoints. As soon as this is exceeded in the first (e.g. 1a), it begins the second sub-range, the steepness of which is set by the series resistor 2a can be. In the case of the second reference element Ib, the inflection point located higher is here not reached yet. Only when this is also exceeded does the third begin Sub-area.

Claims

Claims 1. Circuit arrangement for a voltmeter for Achievement of two linear in-linear subranges on the display scale, whereby parallel to the moving coil measuring mechanism provided with a series resistor one with a resistor series-connected reference element, characterized in that a) the Reference element (1) two or more transistors (5, 12, 13) of alternating polarity whose emitter is alternately connected to the minus or plus connection (17 or 14) of the reference element are connected, b) the base of the first transistor (5) to a voltage divider (6, 7 or 6, 9, 8) which is connected to the plus or minus connection (14, 17) is connected, while the bases of the following transistors (12, 13) with the collectors of the preceding transistors (5, 12) are connected, c) the collectors of the transistors (5, 12) via resistors (11, 15; 18) to that terminal (14 or 17) of the reference element that is not connected to the emitter in question is, and that d) the collector resistance of the last transistor (13) is omitted.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that by dimensioning the voltage divider (8), the resistor (6) and the NTC resistor (9) the voltage between the base of the transistor (5) and the + terminal (14) is proportional the absolute temperature is that the total stress is equal to the sum of the band gap stress of silicon (1.21 V) plus the temperature voltage of the electron (at 25 ° C 25.6 mV) and that this total voltage (approx. 1.236 V) is the reference voltage.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that that the collector resistor to the transistor (5) consists of a fixed resistor (15) and an NTC resistor (11) lying in series with it.

4. Circuit arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that that the NTC resistor (9) together with the transistor (5) on a highly thermally conductive Support (10) are attached and that the NTC resistor (11) together with the transistor (12) are attached to a highly thermally conductive support (16).

5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that two reference elements (1a, lb), each with a series resistor (2a, 2b) in Are in series, connected in parallel to the measuring mechanism (3) provided with a series resistor (4) are, the two reference elements having a different inflection point of their Have characteristic.