DE3440854A1

DE3440854A1 - Schaltung, bei der ein ausgangskreis und ein einen operationsverstaerker enthaltender eingangskreis elektrisch getrennt sind

Info

Publication number: DE3440854A1
Application number: DE19843440854
Authority: DE
Inventors: Katsumi Shimonoseki Yamaguchi Nagano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-11-11
Filing date: 1984-11-08
Publication date: 1985-05-30
Also published as: DE3448118C2; US4636655A; DE3440854C2; US4678946A

Description

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig

KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA Kawasaki, Japan

Patentanwälte

European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt

Dr phil. G Henkel. München Dipl -Ing. J. Pfenning. Berlin. Dr rer nat. L Feiler. München Dipl -Ing. W Hänzei. München Dipl-Phys. K. H. Meinig. Berlin Dr Ing A Butenschön. BeMm Dip! -ing. D. Knit-nanr. MG".·*""

W ^I-iistraße37
D-8000 München 80

Tel 089/982085-87 Telex: 0529802 hnkld Telegramm eilipsoid Telefax (Gr. 2^3)-089/981426

EIW-59P467-2

Schaltung, bei der ein Ausgangskreis und ein einen Operationsverstärker enthaltender Eingangskreis

elektrisch getrennt sind

Die Erfindung betrifft eine Schaltung, bei der ein Ausgangskreis und ein einen Operationsverstärker enthaltender Eingangskreis elektrisch getrennt sind. 5

Es sind zahlreiche verschiedene Arten von Vollweg-Gleichrichterkreisen oder -Schaltungen bekannt. Bei allen derartigen Schaltungen liegt jedoch eine Schaltungs-Konstruktionseinschränkung in dem Bereich oder der Größe der Pegeländerung zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung(en). Der Einsatzbereich dieser Schaltungen ist daher eng begrenzt.

Zur Lösung dieses Problems ist eine Vollweg-Gleichrichterschaltung entwickelt worden, bei der Eingang und Ausgang mittels eines Doppelpolarität-Photokopplers (optoelektronischen Kopplers) elektrisch (voneinander) getrennt sind. Bei einer solchen Schaltung tritt jedoch keine Verringerung der Ausgangsspannung aufgrund der Durchlaßspannung Vf der Leuchtdiode auf, und diese Spannungsverringerung wird dabei zu einer Ursache für Ausgangsfehler.

Zudem sind Funktionsgeber bekannt, die Funktionskurven, z.B. eine Spannung/Strom-Kennlinie erzeugen. Funktionsgeber bestehen im allgemeinen aus mehreren Begrenzerkreisen. Bei den verschiedenen bisherigen Funktionsgebern sind jedoch Eingangs- und Ausgangskreise elektrisch verbunden, so daß sie mit derselben Spannung betrieben werden müssen, was zu einem komplizierten Schaltungsaufbau führt.

Im Hinblick auf die oben geschilderten Gegebenheiten liegt damit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vollweg-Gleichrichterschaltung zu schaffen, die einem weiten Anwendungsgebiet zugänglich ist und die ein genaues Ausgangssignal zu liefern vermag.

Im Zuge dieser Aufgabe bezweckt die Erfindung auch die Schaffung eines Funktionsgebers, der unter Vereinfachung des Schaltungsaufbaus verschiedene Eingangs/Ausgangskreissysteme mit verschiedenen Spannungsquellen anzusteuern vermag.

Gegenstand der Erfindung ist damit eine Vollweg-Gleichrichterschaltung, die gekennzeichnet ist durch einen Operationsverstärker, an dessen einer Eingangsklemme eine Bezugsspannung anliegt und an dessen andere Eingangsklemme eine Eingangswechselspannung anlegbar ist, zwei Elektrophoto-Wandlerelemente, die mit zueinander entgegengesetzter Polarität in einer Rückkopplungsschleife zwischen einer Ausgangsklemme und der anderen Eingangsklemme des Operationsverstärkers parallelgeschaltet sind, zwei optisch an die Elektrophoto-Wandler elemente angekoppelte und zueinander parallelgeschaltete photoelektrische Wandlerelemente und ein Lastelement, das den Ausgangsstrom der photoelektrischen Wandlerelemente in Spannung umwandelt.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Funktionsgeber, der gekennzeichnet ist durch mehrere Operationsverstärker, eine Bezugsspannungsgeneratorschaltung zum Anlegen je einer unterschiedlichen Bezugsspannung an eine Eingangsklemme jedes der verschiedenen Operationsverstärker, einen Widerstand, der zwischen die andere Eingangsklemme jedes der Operationsverstärker und die Eingangsklemme, an welcher eine Eingangsspannung anliegt, geschaltet ist, ein zwischen eine Ausgangsklemme der verschiedenen Operationsverstärker und die andere Eingangsklemme geschaltetes Elektrophoto-Wandlerelement, mehrere photoelektrische Wandlerelemente, die optisch an die Elektrophoto-Wandlerelemente angekoppelt sind und die wirksam werden, wenn das betreffende Elektrophoto-Wandlerelement arbeitet oder

wirksam ist, und dabei eine Stromstrecke zwischen der Stromquelle und der Schaltungs-Ausgangsklemme herstellen, und ein Lastelement zum Umwandeln des Ausgangsstroms der Anzahl von photoelektrischen Wandlerelementen in eine Spannung.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Vollweg-Gleichrichterschaltung gemäß einer Ausführungsform der

Erfindung,
15

Fig. 2 ein Schaltbild einer Vollweg-Gleichrichterschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

^O Fig. 3 ein Schaltbild einer Prüf- oder Versuchsschaltung zur Untersuchung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vollweg-Gleichrichterschaltung,

^ Fig. 4 eine graphische Darstellung der Eingangs/Aus-

gangsspannungs-Kennlinien bei der Schaltung nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Vollweg-Gleichrichterschaltung gemäß noch einer anderen Ausführungs

form der Erfindung,

Fig. 6A bis 9A Schaltbilder von Begrenzerkreisen, die Funktionsgeber gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung bilden,

Fig. 6B bis 9B graphische Darstellungen der Eingangs/-Ausgangsspannungs-Kennlinien der Begrenzerkreise gemäß den Fig. 6A bis 9A, 5

Fig. 10 ein Schaltbild eines Funktionsgeberε gemäß

einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. HA und HB graphische Darstellungen der Eingangsspannung/Ausgangsstrom-Kennlinien der

Prüf- oder Versuchsschaltung zur Bestätigung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 10,

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Eingangsspannung/Ausgangsstrom-Kennlinie der für die

Untersuchung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 10 gebauten Prüf- oder Versuchsschaltung,

Fig. 13 ein Schaltbild eines Funktionsgebers gemäß

noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Eingangsspannung/Ausgangsstrom-Kennlinien der zur Unter

suchung der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 13 gebauten Versuchsschaltung und

Fig. 15 eine graphische Darstellung der Eingangs/Ausgangsspannung-Kennlinie der zur Untersuchung

der Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 13 gebauten Versuchsschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vollweg-Gleichrichterschaltung enthält einen Operationsverstärker 11, dessen nicht-invertierende Eingangsklemme (+) mit einer Bezugsspannung, z.B. einer an Masse GND angeschlossenen

Klemme 12 verbunden ist und dessen invertierende Eingangsklemme (-) über einen Widerstand Rl an einer Schaltungs-Eingangsklemme 13 liegt, an welche die Eingangswechselspannung Vin angelegt ist. Zwischen der Ausgangsklemme und der invertierenden Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers 11 ist eine Rückkopplungsschleife vorgesehen, die gegenpolig parallelgeschaltete erste und zweite Photowandlerelemente 14, und 14» L &i

wie Leuchtdioden, enthält. Diese Anordnung bildet den Eingangskreis.

Der Ausgangskreis enthält andererseits gleichpolig parallelgeschaltete erste und zweite Photowandlerelemente, wie Phototransistoren 15, und 15p, die mit den Leuchtdioden 14, bzw. 14₂ optisch gekoppelt sind. Die Kollektoren der Phototransistoren 15, und 15~ sind mit einer gemeinsamen positiven Stromquellenleitung (+)

verbunden, während ihre Emitter über einen Lastwideron
*^w stand R2 an gemeinsame Masse GND angeschlossen sind.

Der Schaltungsausgang 16 ist an die Emitter angeschlossen. Ein im folgenden einfach als Photokoppler bezeichneter optoelektronischer Koppler PCI ist aus der Leuchtdiode 14, und dem Phototransistor 15, gebil- *° det, während ein Photokoppler PC2 aus der Leuchtdiode 14₂ und dem Phototransistor 15₂ besteht.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend beschriebenen Gleichrichterschaltung erläutert. Der Potentialunterschied zwischen der invertierenden (-) und der nicht-invertierenden Eingangsklemme ( + ) eines Operationsverstärkers beträgt bekanntlich 0. Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 ist demzufolge das Potential der invertierenden Eingangsklemme dem Massepotential Vref gleich.

Wenn die Eingangswechselspannung Vin positiv ist, ist das Potential der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 11 negativ (in diesem Fall liegt der Knotenpunkt S zwischen dem Widerstand Rl und der invertierenden Eingangsklemme an Massepotential), so daß an der Leuchtdiode 14_ eine Vorwärts- bzw. Durchlaßvorspannung und an der Leuchtdiode 14., eine Rückwärts- oder Sperrvorspannung anliegt. Infolgedessen leuchtet die Leuchtdiode 14» auf. Dabei ist die Spannung an beiden Seiten des Widerstands Rl der Eingangsspannung Vin gleich, so daß in der Leuchtdiode 14„ ein Strom IF2 mit einer Größe der Eingangsspannung Vin, dividiert durch den Widerstand Rl, fließt. Das von der Leuchtdiode 14₂ erzeugte Lichtsignal wird vom Phototransistor 15- empfangen, wobei in letzterem ein diesem Signal entsprechender Emitterstrom 102 fließt. Dies bedeutet, daß das Lichtsignal durch den Phototransistor 15~ in einen Emitterstrom 102 einer entsprechenden Größe umgesetzt wird. Der Emitterstrom 102 des Phototransistors 15-fließt über den Widerstand R2 nach Masse und wird in das Spannungssignal umgesetzt. Sodann wird das Ausgangssignal Vout von der Ausgangsklemme 16 abgenommen.

Wenn dagegen die Eingangsspannung Vin negativ ist, ist das Potential der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 11 positiv (wobei der Knotenpunkt S an Massepotential liegt), so daß eine Durchlaßvorspannung an der Leuchtdiode 14.. und eine Sperrvorspannung an der Leuchtdiode 14_ anliegt. Infolgedessen leuchtet die Leuchtdiode 14.. auf. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung an beiden Seiten des Widerstands Rl der (negativen) Eingangsspannung Vin gleich, so daß ein Strom IFl mit einer Größe der Eingangsspannung Vin, dividiert durch den Widerstand Rl, in der Leuchtdiode 14, fließt. Das von der Leuchtdiode 14., erzeugte Lichtsignal wird vom Phototransistor 15. empfangen oder abgenommen,

wobei in letzterem ein diesem Signal entsprechender Emitterstrom 102 fließt. Dies bedeutet, daß das Lichtsignal durch den Phototransistor 15₂ in einen Emitterstrom 101 einer entsprechenden Größe umgesetzt wird. Der Emitterstrom 101 des Phototransistors 15, wird durch den Widerstand R2 in das Spannungssignal umgesetzt, und das Ausgangssignal Vout wird von der Ausgangsklemme 16 abgenommen.

Die vorstehend beschriebene Operation ist durch die folgenden mathematischen Gleichungen ausgedrückt, in denen Vos die Eingangsverschiebespannung (input offset voltage) und Kl, K2 die Umwandlungsverhältnisse der Photokoppler PCI bzw. PC2 bedeuten.

Im Fall von Vin > 0 gilt:

IF2 = (Vin-Vos)/Rl ... (1)

102 = K2.IF2 ... (2)

Vout = K2(Vin-VosJ R2/R1 ... (3)

Im Fall von Vin< 0 gilt:

IFl = (Vin-Vos)/Rl ... (4)

101 = Kl-IFl ... (5)

Vout = Kl(Vin-Vos)R2/Rl ... (6)

Wie sich aus den Gleichungen (3) und (6) ergibt, wird die Ausgangsspannung Vout durch den Durchlaßspannungsabfall VF der Leuchtdiode nicht beeinflußt, während vielmehr nur die Eingangsverschiebespannung Vos des Operationsverstärkers 11 beeinflußt wird. Diese Eingangsverschiebespannung liegt normalerweise im vernachlässigbaren Bereich von einigen mV. Da außerdem die Eingangskreise durch die Photokoppler PCI und PC2 elektrisch (voneinander) getrennt sind, können die Eingangskreise mit verschiedenen Stromquellen betrieben werden, wodurch der Einsatzbereich für die Anordnung entsprechend vergrößert wird.

Fig. 2 veranschaulicht eine Vollweg-Gleichrichterschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dient der Opera-5

tionsverstärker 11 als invertierender Verstärker, während er bei der Ausführungsform nach Fig. 2 als nicht-invertierender Verstärker eingesetzt wird. Abgesehen von dieser Einzelheit entspricht der elektrische Aufbau demjenigen gemäß Fig. 1, so daß den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen beschrieben sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist insbesondere *° die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers 11 mit der Schaltungseingangsklemme 13 verbunden, während die invertierende Eingangsklemme (-) über einen Widerstand Rl an Masse liegt. Im Widerstand Rl fließt der durch folgende Gleichung (7) darstellbare Strom:

I = (Vin-Vos)/Rl ... (7)

Der Unterschied in der Arbeitsweise zwischen einer Gleichrichterschaltung mit dem vorstehend beschrie-

^zo benen Aufbau und derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 liegt lediglich darin, daß im Fall einer positiven oder negativen Eingangsspannung Vin die entsprechenden, Licftt emittierenden Leuchtdioden verschieden sind. Wenn nämlich bei der Gleichrichterschaltung gemäß Fig. 2 die Eingangsspannung Vin positiv ist, leuchtet die Leuchtdiode 14, auf, und der Photokoppler PCI arbeitet. Bei einer negativen Eingangsspannung Vin leuchtet die Leuchtdiode 14- auf, während der Photokoppler PC2 aktiviert ist. In jeder anderen Beziehung i_st die Arbeitsweise dieselbe wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Das gleiche gilt auch für die elektrische Wirkung dieser Ausführungsform.

Um die Arbeitsweise der Vollweg-Gleichrichterschaltung gemäß Fig. 1 zu belegen, wurde eine in Fig. 3 dargestellte Prüf- oder Versuchsschaltung gebaut, wobei die Ausgangscharakteristika bzw. -kennlinien gemessen wurden. Als Operationsverstärker 11 wurde eine handelsübliche Einheit (TA7504P der Firma Toshiba) verwendet, während als Photokoppler PCI und PC2 ebenfalls handelsübliche Einheiten (TLP521 der Firma Toshiba) eingesetzt wurden. Die Stromquelle VCC lieferte eine Spannung von 15 V; VEE betrug -15 V, der Widerstandswert der Widerstände Rl und R2 jeweils 10 kJl.

Das Untersuchungsergebnis ist durch die Vin-Vout-Kennlinie gemäß Fig. 4 für eine Änderung der Eingangsspannung Vin von -10 V bis +10 V dargestellt. Diese Kurve entspricht nahezu der absoluten Funktion der Eingangsspannung Vin. Die Eingangsspannung Vin verliert ihre Linearität bei Annäherung an 0 V. Dies be-■^UU deutet, daß der Umwandlungs- oder Umsetzwirkungsgrad des Photokopplers in einem weiten Strombereich linear ist und im kleinen Strombereich eine Quadratwurzelcharakteristik zeigt.

Fig. 5 veranschaulicht eine Vollweg-Gleichrichterschaltung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, mit welcher die genannte Charakteristik dieser Photokoppler im kleinen oder schmalen Strombereich kompensiert werden kann. In Fig. 5 sind den vorher

3® beschriebenen Teilen entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert. Die Kollektor-Emitterstrecke eines Phototransistors 17, eines Photokopplers (optoelektronischen Kopplers) PC3 sowie die Emitter-Kollektorstrecke eines Phototransistors 17₂ eines Photokopplers PC4 sind parallel zwischen die Ausgangsklemme und die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsver-

stärkers 11 geschaltet. Außerdem ist eine negative Stromquellenleitung (-) an die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 11 über die Anoden-Kathodenstrecke der Leuchtdiode 14. des Photokopplers PCI, die Anoden-Kathodenstrecke einer Leuchtdiode 18. des Photokopplers PC3 und die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors 19., die mit dem Emitter des Phototransistors 17. verbunden ist, angeschlossen.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 bilden die Photokoppler PCI und PC3 sowie die Photokoppler PC2 und PC4 jeweils Paare, und sie kompensieren die quadratische oder Quadratwurzelcharakteristik in den (genannten) schmalen Strombereichen. Wenn nämlich die Eingangswechselspannung Vin positiv ist, erhält das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 11 ein negatives Potential, so daß ein Basisstrom von der Eingangsklemme 13 über den Widerstand Rl zum Transistor 19₂ geliefert wird. Wenn dann der Transistor 19₂ durchschaltet (während der Transistor 19. sperrt), fließt ein Durchlaßvorspannungsstrom in den bzw. über die Leuchtdioden 18,, 14_ , die daraufhin Licht emittieren. Das Licht von der Leuchtdiode 18~ wird vom Phototransistor 17 ₂ abgenommen, wobei in dessen Kollektor-Emitterstrecke ein dem Lichtsignal von der Leuchtdiode 18„ entsprechender Strom fließt. Dabei wird der Basisstrom des Transistors 19„ geteilt, der Leitwiderstand (conductive resistance) wird variiert oder geändert, und der den Leuchtdioden 18₂ und 14₂ zugeführte Strom wird ebenfalls variiert bzw. geändert. Wenn die Charakteristika oder Kennlinien der Photokoppler PC2 und PC4 gleich sind, wird der Strom entsprechend der Quadratwurzelcharakteristik im schmalen oder engen Strombereich der Leuchtdiode 14₂ als Kollektor-Emitterstreckenstrom des Phototransistors 17₂ dividiert oder geteilt, so daß er kompensiert werden kann. Im Phototransistor 17₂ fließt

JNAOHQEREICHTJ

nämlich ein Durchlaßvorspannungsstrom der Leuchtdiode 18₂, so daß ein Strom fließt, welcher dem Eingangsstrom (Iin = Vin/Rl) gleich ist. Derselbe, in der bzw. über die Leuchtdiode 18« fließende Durchlaßvorspannstrom fließt auch in der Leuchtdiode 14„, so daß der Strom in der Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15_ sich dem Eingangsstrom Iin stärker annähert. Mit dieser Operation wird die Quadratwurzelcharakteristik des Phototransistors kompensiert.

Wenn andererseits die Eingangswechselspannung Vin negativ ist, schaltet der Transistor 19, durch (während der Transistor 19J sperrt). Dabei besitzt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 11 ein positives Potential, so daß ein Strom in der negativen Stromquellenleitung (-) über die Leuchtdioden 14,, 18, und den Transistor 19, von der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 11 fließt und die Leuchtdioden

14,, 18, Licht emittieren bzw. leuchten. Der Phototransistor 17. nimmt das Licht ab, wobei ein Strom entsprechend dem Lichtsignal der Leuchtdiode 18, in der Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors M fließt. Hierdurch wird dann der vom Operations-

^° verstärker 11 zu den Leuchtdioden 14,, 18, gelieferte Strom geteilt. Wenn die Charakteristika der Photokoppler PCI, PC3 gleich sind, wird der Strom entsprechend der Quadratwurzelcharakteristik im schmalen Strombereich der Leuchtdiode 14, an der Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 17, geteilt und damit kompensiert.

Dies bedeutet, daß ein Durchlaßstrom in der Leuchtdiode 18- fließt, so daß im Phototransistor 17» ein Strom fließt, welcher dem Eingangsstrom (Iin = Vin/Rl) gleich ist. Da über die Leuchtdiode 18₂ derselbe Durch-

NACHGEREIOHT

laßstrom fließt wie über die Leuchtdiode 14 _, nähert sich der Strom in der Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15„ dem Eingangsstrom Iin. Mit dieser ^Δ

Operation wird die Quadratwurzelcharakteristik kompensiert.

Vorstehend ist eine Schaltung beschrieben, bei welcher der Operationsverstärker 11 als invertierender Verstärker benutzt wird und eine Quadratwurzel-Kompensationsfunktion besitzt. Es ist jedoch auch möglich, eine Eingangswechselspannung Vin unmittelbar an die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers 11 anzulegen und die invertierende Klemme (-) über den Widerstand Rl an Masse GND anzuschalten, um damit den Operationsverstärker 11 zu einem nichtinvertierenden Verstärker zu machen (vgl. Fig. 2); in diesem Fall wird ebenfalls die Quadratwurzelcharakteristik der Photokoppler PCI und PC2 kompensiert.

Die Fig. 6A bis 9A veranschaulichen die einzelnen, einen Funktionsgeber bildenden Begrenzerkreise. Die Fig. 6B bis 9B veranschaulichen die Eingangs/Ausgangs-

OC

charakteristika oder -kennlinien dieser Begrenzerkreise. Gemäß den Fig. 6A und 7A ist die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers 11 mit der Klemme 12 verbunden, die eine Bezugsspannung Vref, wie Massepotential, liefert oder anlegt, während

SQ die invertierende Eingangsklemme (-) an die Klemme 13 angeschlossen ist, so daß die Eingangsspannung Vin über den Widerstand R angelegt wird. Eine Leuchtdiode 14 ist als photoelektrisches Wandlerelement zwischen die Ausgangsklemme und die invertierende Eingangsklemme

(-) des Operationsverstärkers 11 geschaltet. Gemäß Fig, 6A und 8A sind Anode und Kathode der Leuchtdiode 14 jeweils mit der invertierenden Eingangsklemme

(-) bzw. der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 11 verbunden, während

in den Fig. 7A und 9A der Anoden- und Kathodenanschluß ° umgekehrt ist. Gemäß den Fig. 8A und 9A ist die die

Eingangsspannung Vin liefernde Klemme 13 mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers 11 verbunden, während die die Bezugsspannung Vref liefernde Klemme 12 über den Widerstand R an die *0 invertierende Eingangsklemme (-) angeschlossen ist.

Ein Phototransistor 15 ist als photoelektrisches Wandlerelement optisch an die Leuchtdiode 14 angekoppelt. Die Leuchtdiode 14 und der Phototransistor 15 bilden

einen Photokoppler (optoelektronischen Koppler) PC. 15

Wie in Fig. 6B gezeigt, fließt bei der Schaltung gemäß Fig. 6A der Ausgangsstrom Io (Kollektorstrom des Phototransistors 15) nur dann, wenn die Eingangsspannung Vin größer ist als die Bezugsspannung Vref. Diese Be-Ziehung läßt sich durch die folgende Gleichung (8) ausdrücken:
Für Vin < Vref:

I₀ = 0 ... (8)

Für Vin > Vref:

i_o = K(Vin-Vref)/R

In obiger Gleichung bedeutet K das Leitwertübertragungsverhältnis (conductivity transmission ratio) des Photokopplers PC.
30

Bei der Schaltung gemäß Fig. 7A fließt andererseits auf die in Fig. 7B gezeigte Weise der Ausgangsstrom Io nur dann, wenn die Eingangsspannung Vin größer ist als die Bezugsspannung Vref. Diese Beziehung läßt sich durch folgende Gleichung (9) ausdrücken: Für Vin < Vref:

I₀ = K(Vin-Vref)/R ... (9)

Für Vin £ Vref:

¹O ^: °

Wie sich aus Fig. 8B ergibt, besitzt die Schaltung ° gemäß Fig. 8A dieselbe Charakteristik bzw. Kennlinie wie die Schaltung gemäß Fig. 7A; die Schalturo nach Fig. 9A besitzt auf die in Fig. 9B gezeigte Weise dieselbe Kennlinie wie die Schaltung gemäß Fig. 6A.

*-Q Fig. 10 veranschaulicht einen aus den Begrenzerkreisen gemäß Fig. 6A und 7A gebildeten Funktionsgeber. Die die Eingangsspannung Vin liefernde Eingangsklemme 21 ist mit der invertierenden Eingangsklemme (-) jedes Operationsverstärkers 11, - 11, über Widerstände RlI R14 verbunden. Die Operationsverstärker 11, und 11« besitzen den Aufbau gemäß Fig. 6A, während die Operationsverstärker 11- und 11. die Anordnung nach Fig. 7A besitzen. Die Bezugsspannungen Vref, - Vref. , die von einer Bezugsspannungsgeneratorschaltung 22 aus zwischen positive und negative Stromquellen in Reihe geschalteten Widerständen R15 - R18 erzeugt werden, werden an die nicht-invertierenden Eingangsklemmen (+) der Operationsverstärker H₁ - H₄ angelegt. Das Potential steigt dabei von Vref, - Vref. an. Das Massepotential GND liegt an einem Knotenpunkt zwischen Widerständen R16 und R17, die mit den nicht-invertierenden Eingangsklemmen (+) der Operationsverstärker 11_ bzw. 11~ verbunden sind. Die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers 11, ist mit dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen R15 und R16 verbunden, während die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers 11. zwischen Widerstände R17 und R18 geschaltet ist. Die Anoden-Kathodenstrecke der Leuchtdiode 14, des Photokopplers PCI ist zwischen die invertierende Eingangsklemme (-) und die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 11. geschaltet; die Anoden-Kathodenstrecke der Leuchtdiode 14_ des Photokopplers

PC2 liegt zwischen den betreffenden Klemmen des Operationsverstärkers 11-; die Kathoden-Anodenstrecke der Leuchtdiode 14, des Photokopplers PC3 ist zwischen die betreffenden Klemmen des Operationsverstärkers 11, geschaltet; die Kathoden-Anodenstrecke der Leuchtdiode

14. des Photokopplers PC4 liegt zwischen den betreffenden Klemmen des Operationsverstärkers H₄- Die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15, des Photokopplers PCI ist zwischen die negative Stromquelle und die Ausgangsklemme geschaltet, die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15_ des Photokopplers PC2 liegt zwischen der Ausgangsklemme 23 und der positiven Stromquelle, die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15, des Photokopplers PC3 liegt zwischen der Ausgangsklemme 23 und der negativen Stromquelle, und die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors

15. des Photokopplers PC4 ist zwischen die Ausgangsklemme 23 und die positive Stromquelle geschaltet. Die Ausgangsklemme 23 ist über einen Lastwiderstand Rl an Masse GND angeschlossen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise einer Anordnung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau erläutert. Wenn die Eingangsspannung Vin, die an der Eingangsklemme 21 liegt, positiv ist, arbeiten die Operationsverstärker 11, und H₄, während bei negativer Eingangsspannung Vin die Operationsverstärker H₂ und 11, arbeiten. Wenn dabei die Übertragungs- oder Durchlaßverhältnisse (transmission ratios) der Photokoppler PCI - PC4 mit 'K, - K₄ vorausgesetzt werden, lassen sich die Ausgangsströme I_Q, - I₀₄ der Phototransistoren 15, - 15. durch folgende Gleichungen (10-1) - (13-2) ausdrücken:

Für lin < Vref:

I₀₁ = K₁ (Vref ^ViTi)ZR_n ·.· (10-1)

10

15

Für Vin> Vref, :

¹01 ⁼⁰ Für Iin<Vref₂:

1₀₂ = K₂(Vref₂-Vin)/R₁₂ Für Vin > Vref_:

¹0₂ ⁼ ° Für Vin <C Vref.,:

¹0₃ = ° Für Vin.> Vref^:

1₀₃ = K₃(Vin-Vref₃)/R_l3 Für Vin< Vref .:

¹0₄ = °

Für Vin > Vref.:

I₀4 ⁼ K₄(Vin-Vref₄)/R₁₄

... (10-2)

... (11-1)

... (12-1)

... (12-2)

... (13-1)

... (13-2)

20

Der an der Ausgangsklemme 23 gewonnene oder erhaltene Ausgangsstrom In stellt die Summe aus den Ausgangs

strömen I

Ol

der Phototransistoren

15, - 15. dar, so daß folgendes gilt:

¹O "¹Ol

02

(14)

25

30

35

Um die Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 10 zu belegen, wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem die Widerstände RIl und Rl₄ auf 2,5 kil, die Widerstände R12 und R13 auf 5 kjfl, die Bezugsspannung Vref, auf -5 V, die Bezugs spannungen Vref _ und Vref., auf 0 V und die Bezugsspannung Vref₄ auf 5 V eingestellt waren. Als Operationsverstärker 11, - 11. wurden handelsübliche Vorrichtungen (TA75902P der Firma Toshiba) verwendet, während die Photokoppler PCI - PC4 ebenfalls aus handelsüblichen Einheiten (TLP621 derselben Firma, mit Stromübertragungsverhältnissen von nahezu 1) bestanden.

Fig. HA veranschaulicht die Ausgangsströme I

(theoretische Größen) der Phototransistoren 15, des Funktionsgebers gemäß Fig. 10. In diesem Fall wird der Ausgangsstrom von der Ausgangsklemme 23 zur Last als in positiver Richtung, der Eingangsstrom als in negativer Richtung verlaufend vorausgesetzt. Fig. 11B veranschaulicht die Wellenform des Ausgangsstroms I₀, der aus den Strömen I₀, - I₀. gemäß Fig. HA zusammen-

gesetzt ist. Wie aus Fig. HB hervorgeht, zeigt die Dreieckswellenform einen sequentiellen Anstieg und Abfall. Durch zweckmäßige Einstellung der Pegel oder Größen der Bezugsspannungen Vref, - Vref. kann der Änderungspunkt der Wellenform auf eine vorbestimmte Stelle festgelegt werden, und durch zweckmäßige Einstellung der Widerstandswerte der Widerstände Rl - R4 kann das Wellengefälle der Ausgangswellenform auf eine vorbestimmte Größe eingestellt werden. Unter Heranziehung dieser beiden Charakteristika oder Kennlinien kann somit jede beliebige Funktion erzielt werden.

Bei dieser Aufbauart ist es möglich, Eingangskreise und Ausgangskreise mittels Photokopplern (optoelektronischen Kopplern) PCI - PC4 elektrisch (voneinander) zu trennen, so daß diese Kreise mit verschiedenen Spannungen betrieben werden können, was zu einer Vereinfachung der Schaltungsauslegung führt.

Fig. 12 veranschaulicht die beim oben beschriebenen Versuch ermittelte Beziehung zwischen Eingangsspannung Vin und Ausgangsspannung Vout. Ersichtlicherweise kann dabei eine Wellenform erzielt werden, die nahezu der theoretischen Größe gemäß Fig. HB entspricht. Zur Umwandlung des Ausgangsstroms I_Q in die Spannung Vout wurde ein Lastwiderstand RL von 1 kilvorgesehen.

Fig. 13 veranschaulicht einen Funktionsgeber gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zum Funktionsgeber gemäß Fig. 10 kann durch Ein-Stellung der Bezugsspannungen Vref, - Vref. und Änderung der Anschlüsse der als Ausgangstransistoren wirkenden Phototransistoren 15, - 15. eine Konstruktion geschaffen werden, die verschiedene Funktionen bietet. Die vom Funktionsgeber gemäß Fig. 13 gelieferte Funktion ist in Fig. 14 dargestellt. Dieser Funktionsgeber umfaßt vier Begrenzerschaltungen der in Fig. 6A dargestellten Art. In Fig. 13 sind den Teilen von Fig. 10 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen beschrieben.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 13 ist die Kathoden-Anodenstrecke der Leuchtdiode 14₂ zwischen die Ausgangsklemme und die invertierende Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers 11, geschaltet, während die Kathoden-Anodenstrecke der Leuchtdiode 14_ zwischen die Ausgangsklemme und die invertierende Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers 11_ geschaltet ist. In der Bezugsspannungsgeneratorschaltung 22 sind ein Widerstand R19 zwischen Masse und den Knotenpunkt zwischen der nicht-invertierenden Eingangsklemme ( + ) des Operationsverstärkers 11« und dem Widerstand R16 und ein Widerstand R20 zwischen Masse und den Knotenpunkt zwischen der nicht-invertierenden Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers H₃ und dem Widerstand R17 eingeschaltet. Die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15, des Photokopplers PCI ist zwischen die positive Stromquelle und die Ausgangsklemme geschaltet, während die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistor IS₂ des Photokopplers PC2 zwischen die negative Stromquelle und die Ausgangsklemme 23 geschaltet ist. Weiterhin sind die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15, des Photokopplers PC3 zwischen die Ausgangsklemme 23 und die positive Stromquelle und die Kollektor-Emitterstrecke des Phototransistors 15. des Photokopplers PC4

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zwischen die Ausgangsklemme 23 und die negative Stromquelle geschaltet.

Die Arbeitsweise dieser Anordnung entspricht· im wesentlichen derjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 10, und sie gewährleistet dieselbe Wirkung.

Um die Arbeitsweise dieser Schaltung zu belegen, wurden die Widerstände RlI und R14 mit 5 kXL und die Widerstände R12, R13 mit 2,5 kXL gewählt, während die Widerstände R15 - R20 äquivalente Widerstandswerte erhielten. Es wurden eine positive Stromquelle VCC von 15 V und eine negative Stromquelle VEE von -15 V angewandt; die Bezugsspannungen Vref, , Vref₂ , Vref, und Vref. wurden auf -10 V, -5 V, 5 V bzw. 10 V eingestellt. Die Operationsverstärker 11, - 11. sowie die Photokoppler PCI PC4 waren dieselben, wie sie beim Versuch bezüglich der Schaltung gemäß Fig. 10 verwendet worden waren.

*^ Das Untersuchungsergebnis war eine Wellenform der Ausgangsspannung Vout in Beziehung zu Änderungen der Eingangsspannung Vin, wie sie in Fig. 15 dargestellt ist. Wenn hierbei die Eingangsspannung unter -10 V liegt, kann der Eingangsstrom auf In = 0 (Ausgangsspannung Vout = 0 V) eingestellt werden, während bei einer Eingangsspannung Vin von über 10 V die Größe I_n nicht gleich 0 ist. Der Grund hierfür ist folgender: Wenn nämlich die Eingangsspannung Vin im Bereich von -10 V < Vin< 10 V liegt, schalten die Phototransistoren 15, 15 in Durchlaßrichtung durch. Wenn die Eingangsspannung Vin über 10 V liegt, werden die Toleranzen aller Operationsverstärker H₁ - H₄ addiert und ausgegeben. Wenn jedoch die Eingangsspannung Vin gemäß Fig. 15 im Bereich von -5 V < Vin <5 V liegt, besitzt die Schaltung einen negativen Widerstand.

In Verbindung mit den Ausführungsformen gemäß Fig. und Fig. 13 sind nur die Fälle beschrieben, in denen

diese Ausführungsformen aus einer Kombination der Be-5

grenzerkreise gemäß Fig. 6A und 7A oder lediglich dem Begrenzerkreis gemäß Fig. 6A gebildet sind. In Abhängigkeit von der zu erzeugenden oder zu liefernden Ausgangsfunktion kann diese Kombination jedoch zweckmäßig aus den entsprechenden Kreisen gemäß Fig. 6A bis 9A gewählt werden.

Claims

Patentansprüche

3U0854

Vollweg-GleichrichterSchaltung, gekennzeichnet durch einen Operationsverstärker (11), an dessen einer Eingangsklemme eine Bezugsspannung anliegt und an dessen andere Eingangsklemme eine Eingangswechselspannung anlegbar ist,

zwei Elektrophoto-Wandlerelemente (14-,, 14_), die mit zueinander entgegengesetzter Polarität in einer Rückkopplungsschleife zwischen einer Ausgangsklemme und der anderen Eingangsklemme des Operationsverstärkers parallelgeschaltet sind, zwei optisch an die Elektrophoto-Wandlerelemente angekoppelte und zueinander parallelgeschaltete photoelektrische Wandlerelemente (15,, 15„) und

ein Lastelement (R2), das den Ausgangsstrom der photoelektrischen Wandlerelemente in Spannung um*- wandelt.
2. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

ein drittes und ein viertes photoelektrisches Wandlerelement (17., 17₂)f äie zwischen der Ausgangsklemme und der anderen Eingangsklemme des Operationsverstärkers parallelgeschaltet sind, ein drittes Elektrophoto-Wandlerelement (18.) und einen Transistor (19.), die zwischen dem ersten Elektrophoto-Wandlerelement (14.) und einer ersten Stromquelle in Reihe geschaltet sind, wobei das dritte Elektrophoto-Wandlerelement (18..) und das dritte photoelektrieche Wandlerelement (17.) optisch aneinander angekoppelt sind, und

ein viertes Elektrophoto-Wandlerelement (18_) und einen Transistor (19-), die zwischen dem zweiten Elektrophoto-Wandlerelement (14„) und einer zweiten Stromquelle in Reihe geschaltet sind, wobei das vierte Elektrophoto-Wandlerelement (18~) und das vierte photoelektrische Wandlerelement (17_) optisch aneinander angekoppelt sind.
3. Funktionsgeber, gekennzeichnet durch

mehrere Operationsverstärker (H₁ - H₄), eine Bezugsspannungsgeneratorschaltung (22) zum Anlegen je einer unterschiedlichen Bezugsspannung an eine Eingangsklemme jedes der verschiedenen Opera-

1® tionsverstärker,

mehrere Widerstände (RH - R14), die zwischen die andere Eingangsklemme jedes der Operationsverstärker und die Eingangsklemme, an welcher eine Eingangsspannung anliegt, geschaltet sind,

mehrere zwischen eine Ausgangsklemme der verschiedenen Operationsverstärker und die andere Eingangsklemme geschaltete Elektrophoto-Wandlerelemente (14., - 14₄), mehrere photoelektrische Wandlerelemente (15, - 15.), die optisch an die Elektrophoto-Wandlerelemente (14.-14.) angekoppelt sind und die wirksam werden, wenn das betreffende Elektrophoto-Wandlerelement (14 - 14.) arbeitet oder wirksam ist, und dabei eine Stromstrecke zwischen der Stromquelle und der Schaltungs-Ausgangsklemme herstellen, und

ein Lastelement (RL) zum Umwandeln des Ausgangsstroms der Anzahl von photoelektrischen Wandlerelementen (15-, - 15.) in eine Spannung.
4. Funktionsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierende Eingangsklemme (-)

des Operationsverstärkers mit der eine Eingangsspannung führenden Eingangsklemme verbunden ist, seine nicht-invertierende Eingangsklemme mit der Bezugsspannung verbunden ist, die Anode des Elektrophoto-Wandlerelements an die invertiei^nde Eingangsklemme des Operationsverstärkers angeschlossen ist und seine Kathode mit der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers verbunden ist.
5. Funktionsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die invertierende Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers mit der eine Eingangsspannung führenden Eingangsklemme verbunden ist,

seine nicht-invertierende Eingangsklemme an die Bezugsspannung angeschlossen ist, die Kathode des Elektrophoto-Wandlerelements an der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers liegt und seine Anode mit der Ausgangsklemme des Operations-Verstärkers verbunden ist.
6. Funktionsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers mit der eine

Eingangsspannung führenden Eingangsklemme verbunden

ist, seine invertierende Eingangsklemme (-) an die Bezugsspannung angeschlossen ist, die Anode des Elektrophoto-Wandlerelements mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers verbunden ^ö ist und seine Kathode an die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers angeschlossen ist.
7. Funktionsgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-invertierende Eingangs-

^⁵ klemme (+) des Operationsverstärkers mit der eine Eingangsspannung führenden Eingangsklemme verbunden

ist, seine invertierende Eingangsklemme (-) an die Bezugsspannung angeschlossen ist, die Kathode des Elektrophoto-Wandlerelements mit der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers verbunden ist und seine Anode an die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers angeschlossen ist.