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Schaltungsanordnung zur Linearisierung von Geberkennlinien
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung
von Geberkennlinien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Linearisierung von Geberkennlinien soll in vielen Fällen mit steigender
Geber spannung ein Verstärkungsfaktor oder Übertragungsfaktor erhöht werden, um
insgesamt einen linearen der Beeinflussung des Gebers proportionalen Spannungsverlauf
zu erhalten. Insbesondere soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die
Geberspannung eines Stauklappengebers als Teil einer mechanischen Einspritzanlage
von Verbrennungsmotoren proportional dem ausgelenkten Weg der Stauklappe verlaufen.
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Zur Erzeugung gekrümmter Kennlinien bzw. zum Ausgleich solcher Krümmungen
sind Diodennetzwerke bekannt,-die insbesondere aus einem Spannungsteiler bestehen,
dessen einem Teilerwiderstand Reihenschaltungen je einer Diode einer Vorspannungsquelle
und eines Widerstands parallelgeschaltet sind. In dieser Schaltungsanordnung steigt
die Kennlinie der Spannung, die an dem freien Teilerwiderstand abgreifbar
ist,
an Umschaltpunkten an, an denen jeweils ein zusätzlicher Widerstand über eine leitende
Diode zu dem betreffenden Teilerwiderstand parallelgeschaltet wird. -Nachteilig
ist bei diesen Diodennetzwerken die gegenseitige Verkopplung der einzelnen Zweige,
die in eine schwierigen Dimensionierung bzw. Einstellung führt. Die Diodennetzwerke
sind ohne aufwendige Gegenmaßnahmen ungenau, unter anderem, weil die Durchlaßspannung
der Dioden stromabhängig ist.
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Es sind auch Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Gattung
bekannt, die mit mindestens einem Operationsverstärker und einem Gegenkopplungszweig
aufgebaut sind (Oppelt, Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge, 1960, Seite
607). Eine solche Schaltungsanordnung weist zur Erzeugung eines Knicks im Kennlinienanstieg
zwei in Reihe liegende Gegenkopplungswiderstände auf, von deren mittlerer Verbindungsstelle
ein Querwiderstand über je eine Diode und eine Vorspannungsquelle für jede Polarität
der Eingangs-bzw. Ausgangsspannung an Masse liegt. Dieser Querwiderstand wird also
wirksam, wenn die Vorspannung in Reihe zu den Dioden mit steigender Eingangsspannung
des Operationsverstärkers überschritten wird. Durch die Abhängigkeit der Widerstandswerte
im Gegenkopplungszweig voneinander ist aber auch diese Schaltungsanordnung nicht
leicht exakt realisierbar. Hinzu kommt der erforderliche zusätzliche Aufwand, wenn
eine tote Zone um den Nullpunkt der Kennlinie der Schaltungsanordnung erzeugt werden
soll. Hierzu ist im Vorwärts zweig vor einem Eingang des Operationsverstärkers mindestens
eine weitere Reihenschaltung einer Diode mit einer Vorspannungsquelle vorgesehen.
Diese Diode sperrt die Eingangsspannung bis diese die Diodenvorspannung überschreitet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung der eingangs genannten Gattung in unkomplizierter Weise dimensionierbar
bzw. einstellbar mit exakten Umschaltpunkten auszubilden, die zur Linearisierung
einer Geberkennlinie, ausgehend von einer Geberspannung Null bis zu einem bestimmten
Geberspannungswert, eine Ausgangsspannung Null erzeugt, bei Erreichen dieses Geberspannungswerts
auf eine der Geberspannung proportionale Ausgangsspannung springt und bei größer
werdenden Spannungen der Geberspannung proportionale Ausgangsspannungen erzeugt.
Durch den linearen Anstieg der Ausgangs spannung im zweiten Abschnitt soll für über
der genannten Stufe liegende Geberspannungen ein größerer Übertragungsfaktor bzw.
Verstärkungsfaktor erzielt werden, der die sich in diesem Bereich abflachende Geberkennlinie
ausgleicht. Diese linearisierende Schaltungsanordnung soll mit geringem Aufwand,
insbesondere hinsichtlich der die Stufe bestimmenden Vorspannungsquelle realisierbar
sein.
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Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebene Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß wird mit unkomplizierten wenig aufwendigen Mitteln
erreicht, daß die Spannung an dem Verstärkerausgang Null ist, so lange die von einem
Geber abgeleitete Spannung an dem ersten Verstärkereingang kleiner als die Vorspannung
an dem zweiten Verstärkereingang ist, daß bei Erreichen von Spannungsgleichheit
der Differenzverstärker von seiner vorherigen Schaltfunktion in eine Verstärkungsfunktion
übergeht, wodurch zunächst bei dieser Stufe der Eingangsspannung die Spannung am
Verstärkerausgang sprunghaft annähernd auf den Wert der Verstärkereingangsspannung
springt, um dann bei weiterem Ansteigen der Eingangsspannung als
nicht
invertierender Verstärker zu arbeiten, dessen Verstärkungsfaktor durch das Verhältnis
des Gegenkopplungswiderstands zu einem Eingangswiderstand an dem zweiten Verstärkereingang
bestimmt ist. Diesem Spannungsverlauf am Verstärkerausgang wird die von dem Geber
abgeleitete Spannung, die an dem ersten Verstärkereingang anliegt, additiv überlagert.
Damit verläuft die an dem Ausgang der Schaltungsanordnung in Durchlaßrichtung hinter
der ersten Diode abgezweigte Spannung von Null bis zum Erreichen der genannten Stufe
entsprechend der Geberkennlinie,gegebenenfalls modifiziert durch den Übertragungsfaktor
von Übertragungsgliedern die zwischen dem Geberausgang und dem ersten Verstärkereingang
angeordnet sind, und ab. dieser Stufe multipliziert mit dem Übertragungsfaktor,
der durch das Verhältnis des Gegenkopplungswiderstands zu einem Eingangswiderstand
am zweiten Eingang des Operationsverstärkers bestimmt ist. Ab der genannten Stufe
wird die Spannung am Ausgang der Schaltungsanordnung geringfügig konstant vermindert
durch die Durchlaßspannung der ersten Diode.
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Wesentlich sind in der Schaltungsanordnung die erste und zweite Diode,
die in Durchlaßrichtung zu dem ersten Verstärkereingang bzw. über den Gegenkopplungswiderstand
zudem zweiten Verstärkereingang führen: Durch die zweite Diode wird verhindert,
daß die Spannung am Ausgang der Schaltungsanordnung auf Null gezogen wird, solange
die von dem Geber abgeleitete Spannung kleiner als die genannte Stufe ist. Über
dieser Stufe dient die zweite Diode dazu, daß der Ausgang der Schaltungsanordnung
die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers - vermindert um die Durchlaßspannung
der Diode - führt. Die erste Diode bewirkt in vorteilhafter Weise, daß die Vorspannungsquelle
nicht
durch die Ausgangs spannung des Operationsverstärkers fehlerhaft
beeinflußt wird, solange der Operationsverstärker im Schaltbetrieb arbeitet, d.h.
die Ausgangsspannung annähernd Null ist Diese entkoppelnde Funktion der ersten Diode
ist besonders wichtig, wenn die Vorspannungsquelle nach Anspruch 2 als einfacher
Spannungsteiler verwirklicht ist. In diesem Fall verhindert die erste Diode, daß
einem Teilerwiderstand zwischen dem zweiten Verstärkereingang und Masse der Gegenkopplungswiderstand
parallelgeschaltet wird, wodurch sich das Teilerverhältnis verändern würde.
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Durch die Dimensionierung der beiden Dioden und die Anordnung und
Bemessung eines zweiten Widerstands im Gegenkopplungszweig zwischen dem Verstärkerausgang
und dem ersten Verstärkereingang werden Verzerrungen der Kennlinie vermieden, die
die Spannung am Ausgang der Schaltungsanordnung bezogen auf die Geberspannung beschreibt.
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Durch einen weiteren Operationsverstärker, der dem ersten Verstärkereingang
des voranstehend genannten Operationsverstärkers vorgeschaltet ist und der über
den zweiten Widerstand mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung in Verbindung steht,
wird die Steilheit der linearisierenden Kennlinie bis zu der vorstehend genannten
Stufe, d.h. bis zu dem ersten Knickpunkt der Geberkennlinie erzielt. Dieser vorgeschaltete
Operationsverstärker sorgt außerdem für einen konstanten Eingangswiderstand des
voranstehend besprochenen Operationsverstärkers und Rückwirkungsfreiheit auf den
Geber.
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Insbesondere in Verbindung mit diesem weiteren Operationsverstärker
als Vorverstärker kann die voranstehend besprochene Operationsverstärkerschaltung
mit zwei entkoppelnden Dioden am Verstärkerausgang mehrfach kaskadiert werden, um
entsprechend viele Knickpunkte der Geberkennlinie zu linearisieren.
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In Anspruch 1 wird unter der von dem Geber abgeleiteten Spannung entweder
die unmittelbar von dem Geber abgegebene Spannung oder die von dem Ausgang des weiteren
Operationsverstärkers abgegebene Spannung verstanden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung mit fünf Figuren
näher erläutert. Es zeigte Figur 1 eine Schaltungsanordnung mit zwei Operationsverstärkern,
Figur 2a einen typischen Kennlinienverlauf einer Eingangsspannung UE der Schaltungsanordnung
in Abhängigkeit von dem ausgelenkten Weg s eines Stauklappengebers, Figur 2b den
Kennlinienverlauf der Ausgangs spannung U des vorgeschalteten Operationsverstärkers,
Figur 2c den Spannungsverlauf UM3 am Ausgang des linearisierenden Operationsverstärkers
und Figur 2d den Kennlinienverlauf der Spannung UA am Ausgang der gesamten Schaltungsanordnung.
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In Figur 1 liegt eine stabiliserte Betriebsspannung an Klemmen 1 und
2, die zwei Operationsverstärker - Differenzverstärker - 3 und 4 speist. Aus der
stabilisierten Betriebsspannung wird durch einen Spannungsteiler mit den Teilerwiderständen
5, 6 außerdem eine Vorspannung für einen Eingang 7 des Operationsversärkers 4 gewonnen.
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Eine Klemme E dient zum Anschluß eines Gebers, insbesondere eines
Stauklappengebers, über einen Vorwiderstand 8 an einen ersten Eingang 9 des Operationsverstärkers
3. An den ersten Eingang 9 ist ein Ableitwiderstand 10 angeschlossen und an einen
zweiten Verstärkereingang 11 des Operationsverstärkers 3 ein Ableitwiderstand 12.
Ein Ausgang des Operationsverstärkers 3 - Punkt M1--- ist über einen Gegenkopplungswiderstand
13 zu dem zweiten Verstärkereingang 11 gegengekoppelt.
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Der Ausgang M1 des Operationsverstärkers 3 steht weiter in Verbindung
mit einem ersten Eingang 14 des Operationsverstärkers 4 und - über einen Widerstand
15 - mit einem Ausgang A der gesamten Schaltungsanordnung. Ein Ausgang -Punkt M3
- des Operationsverstärkers 4 ist über eine Diode 16 in Durchlaßrichtung zu dem
Widerstand 15 und dem Ausgang A geführt.
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Des weiteren ist der Ausgang M3 über eine Diode 17 in Durchlaßrichtung
und einen Gegenkopplungswiderstand 18 zu dem zweiten Verstärkereingang 7 des Operationsverstärkers
4 zurückgeführt.
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Figur 2a zeigt die Kennlinie des nicht dargestellten Stauklappengebers,
der an die Klemme E anzuschließen ist. Die Kennlinie ist trotz des Knickpunkts bei
S1 -bis S3 zu linearisieren.
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Hierzu wird zunächst die Geber spannung UE mit dem Operation verstärker
3 vorverstärkt. Die vorverstärkte Spannung U zeigt wegen des linearen Übertragungsverhaltens
der Schaltung in Verbindung mit dem Operationsverstärker 3 den gleichen Kennlinienverlauf
in Figur 2b wie die Geberspannungskennlinie in Figur 2a, jedoch mit insgesamt ver-
änderter
Steigung. Der Verstärkungsfaktor bzw. die Steigung ist in bekannter Weise bestimmt
durch das Widerstandsgrößenverhältnis des Gegenkopplungswiderstands 13 zum Ableitwiderstand
- 12.
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Die vorverstärkte Spannung UMl wird in den ersten Verstärker eingang
14 des Operationsverstärkers 4 eingespeist.
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Gleichwohl ist die Ausgangs spannung UM3 des Operationsverstärkers
4 solange annähernd gleich Null, wie die torverstärkte Spannung UM1 kleiner ist
als die Vorspannung UM2 am Verstärkereingang 7. Der Operationsverstärker 4 arbeitet
in diesem Bereich nicht als Verstärker, sondern als praktisch geöffneter Schalter.
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Erst wenn die vorverstärkte Spannung UM1 die Vor spannung UM2 erreicht
- dies geschieht an der Stelle S1 entsprechend der Einstellung der Vorspannung UM2
- wird die Ausgangsspannung U3 gleich der vorverstärkten Spannung- UMl zuzüglich
der Diodendurchlaßspannung an der Diode 16.
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Bei einem weiteren Anstieg der vorverstärkten Spannung UM1 arbeitet
der Operationsverstärker 4 als nicht invertierender Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor
entsprechend dem Widerstandsverhältnis des Gegenkopplungswiderstands 18 zu dem Teilerwiderstand
6. Dies entspricht der ansteigenden Spannung UM3 oberhalb der Stufe bei in Figur
2c. Die Spannung an dem Ausgang A ist dabei um die Diodenspannung 16 vermindert,
die jetzt im Durchlaßbereich arbeitet, da die Ausgangsspannung UM3 größer als die
vorverstärkte Spannung UM1 ist.
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Die linearisierte Kennlinie nach Figur 2d ergibt sich also in dem
ersten Abschnitt bis zu der Stufe S1 aus der vorverstärkten Spannung-UMl, die durch
den Operationsverstärker 4 infolge der gesperrten Diode 16 nicht beeinflußt ist,
und oberhalb dieser Stufe S1 aus der Ausgangsspannung UM3, die lediglich um die
konstante Diodendurchlaßspannung an der Diode 16 vermindert ist.
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Damit läßt sich einfach ein weitgehend linearer Kennlinienverlauf
ohne Rückwirkung der Umschaltpunkte aufeinander einstellen. Wichtig ist, daß bei
dem Übergang des Kennlinienverlaufs UA auf die von dem Operationsverstärker 4 herrührende
Ausgangsgröße bei der Stufe S1 keine Stufe oder keine Sprung auftritt, da an dieser
Stelle die vorverstärkte Spannung weiterhin gleich der Spannung an dem Ausgang A
ist.
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In dem Widerstand 15 fließt in diesem Fall kein Strom.
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