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Verfahren zur Ubertragung langsam veränderlicher re-
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nativer Spannungssi gnale und Schaltung zur Durchführung des Verfahrens
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Obertragen langsam
veränderlicher relativer Spannungssignale und auf eine Schaltung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Bei der Regelung brennstoffbeheizter Wärmequellen werden in der Regel
Temperatursignale mit temperaturvariablen Widerständen erzeugt, die über einen Spannungsteiler
an einer bestimmten Bezugsspannung liegen, zum Beispiel einer Brückenspannung. Hierbei
bezieht sich das mit der Temperatur variable Spannungssignal auf die Höhe der Speisespannung.
Soll nun dieses Temperatursignal auch anderen Auswerteschaltungen zugeführt werden,
die an einer
von dieser Speisespannung abweichenden Speisespannung
liegen, so muß ein dem Verhältnis der beiden Spannungen entsprechendes Signal übertragen
werden.
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Aus diesem Grund besteht die Aufgabe, ausgehend von einem am Eingang
der Schaltung erzeugten Spannungsverhältnis, dieses auf eine beliebige Vielzahl
anderer Bezugsspannungen übertragen zu können.
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Die Lösung der Aufgabe liegt verfahrensmäßig in den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Anhand der Figuren 1 bis 3 der Zeichnung wird nun ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild der Erfindung, Figur 2 die
Schaltung eines Oszillators und Figur 3 ein Diagramm.
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In allen drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen
Einzelheiten.
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In der Figur 1 ist eine Obertragungsstrecke 1 dargestellt,
die
aus einem Anfang 2 und einem Ende 3 besteht.
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Dem Anfang der übertragungsstrecke 1 ist ein Spannungsteiler 4 zugeordnet,
der aus einem mit einer Temperatur variablen NTC-Widerstand 5 und einem dazu in
Serie liegenden Festwertwiderstand 6 besteht, die beide an den beiden Polen einer
ersten Betriebsspannung UB1 und Masse liegen. Der Widerstand 5 sei beispielsweise
ein Vorlauftemperaturfühler eines Kessels. Der Verbindungspunkt 7 der Widerstände
4 und 5 ist mit einer Leitung 8 verbunden, diesen Eingang eines Oszillators 9 bildet,
der an der gleichen Betriebsspannung UB1 liegt. Der Oszillator 9, der im folgenden
noch näher beschrieben werden wird, formt aus der analogen Spannung, die an dem
temperaturabhängigen Widerstand 5 abfällt, beziehungsweise genauer aus dem Spannungsverhältnis
zwischen dieser Spannung und der Spannung UB1 eine Impulsspannung 10, die am Ausgang
11 des Oszillators 9 ansteht. Es sei schon hier darauf hingewiesen, daß das Pulspausenverhältnis
dieser Impulsfolge 10 mit dem Verhältnis der Eingangsspannung UE am temperaturabhängigen
Widerstand, bezogen auf die maximale Spannung UB1, variabel beziehungsweise identisch
ist. Die Leitung 11 an dem Ausgang 11 des Oszillators schließt sich an die eigentliche
Obertragungsstrecke 12 an, die im einfachsten Fall aus mehr oder weniger langen
Drähten oder zum Beispiel einem optischen Kopplungselement bestehen
kann.
Am Ende dieser eigentlichen Obertragungsstrecke steht auf der Leitung 11 wieder
die Impulsspannung 10 mit dem gleichen Pulspausenverhältnis an.
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Diese Impulsspannung wird einem Verstärker 13 mit Begrenzerverhalten
zugeführt, der von einer zweiten Betriebsspannung UB2 gespeist wird. Diese Spannung
UB2 kann die gleiche sein wie die Spannung UB1, sie wird in der Regel aber hiervon
abweichen. Am Ausgang 14 des Begrenzerverstärkers steht wiederum diese Impulsfolge
10 an, die anschließend in einem Integrator 15 integriert wird.
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Wesentlich ist für die Wirkungsweise des Verstärkers, daß die Impulsspannung
an seinem Ausgang eine in ihrem Minimal- und Maximalwert exakte begrenzte Höhe aufweist.
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Der Integrator 15 kann als einfaches RC-Glied ausgebildet werden,
an dessen Ausgang 16 eine analoge Ausgangsspannung UA ansteht, deren Verhältnis,
bezogen auf UB2, identisch ist mit dem Verhältnis der Eingangsspannung UE, bezogen
auf UB1.
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Der Integrator 15 wird so bemessen, daß seine Zeitkonstante wesentlich
größer ist als die Periodendauer der Impulsspannung 10, andererseits muß die Zeitkonstante
klein genug sein, um Anderungen der Eingangsspannung UE Folge leisten zu können.
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Das Verfahren basiert demgemäß darauf, daß aus einem Eingangsspannungssignal,
das
an einen temperaturabhängigen Widerstand oder dergleichen abfällt, ein Verhältnis
bezüglich einer Bezugsspannung, hier UB1, gebildet wird, daß aus diesem Spannungsverhältnis
eine Pulspausenspannung gebildet wird, deren Pulspausenverhältnis mit der Größe
des Eingangsspannungsverhältnisses variabel ist, daß diese Impulsspannung auf die
eigentliche Ubertragungsstrecke gegeben wird, daß am Ende der Ubertragungsstrecke
die Minimum- und Maximumwerte der Impulse begrenzt werden und daß anschließend die
dann geformten Impulse integriert werden, wobei nach der Integration die Spannung
des Ausgangs, bezogen auf den Maximumwert der begrenzten Impulsspannung, dem Verhältnis
UE:UB1 entspricht. Hierbei ist allerdings Voraussetzung, daß der Minimumwert der
begrenzten Impulsspannung Null ist. Diese Verhältnisse können auch anders gestaltet
werden.
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Die Ausbildung des Oszillators 9 geht aus der Figur 2 hervor.
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Ausgehend von der Leitung 8 in Figur 2 ist in ihr ein relativ hochohmiger
Widerstand 20 vorgesehen, an dessen Eingang die Spannung UE anliegt. Der Widerstand
ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 21 verbunden, dessen
Ausgang mit einer Leitung 22 verbunden ist, die über einen Widerstand 23 zu einem
Verzweigungspunkt
24 führt. Die Leitung 22 ist über einen Widerstand
25 mit dem invertierenden Eingang gegengekoppelt. Vom Pol der Spannungsquelle UB1
geht eine Leitung 26 ab, die über einen Spannungsteiler 27, bestehend aus zwei Festwertwiderständen
28 und 29, an Masse gelegt ist. Der Verbindungspunkt 30 der beiden Widerstände ist
auf den anderen Eingang des Operationsverstärkers 21 gelegt, der seine Spannungsversorgung
über Leitungen 31 und 32 gleichfalls von UB1 bezieht. Der Operationsverstärker 21
samt seiner Widerstandsbeschaltung wirkt als Inverter, wenn man die Eingangsspannung
auf die halbe Betriebsspannung UB1 bezieht.
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Der Betrag, um den die Spannung UE über die Spannung UB1/2 hinausgeht,
liegt an der Leitung 22 in der Form an, daß dieser Betrag von der Spannung UB1/2
abgezogen wird. Damit ist dieser Betrag die Differenz zwischen UB1 und UE.
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Der Punkt 24 ist über zwei Kondensatoren 33 und 34 mit UB1 beziehungsweise
Masse verbunden. Die Kondensatoren sind gleich groß. Die Kapazitäten der Kondensatoren
33 und 34 bestimmen die Frequenz des Pulspausenverhältnisses. Zwischen der Leitung
26 und der mit Masse verbundenen Leitung 35 ist ein weiterer Spannungsteiler 36
geschaltet, der aus der Serienschaltung zweier Festwertwiderstände
37
und 38 besteht, deren Verbindungspunkt 39 mit dem einen Eingang eines weiteren Operationsverstärkers
40 verbunden ist, dessen Ausgang mit einem weiteren Verzweigungspunkt 41 verbunden
ist. Von diesem Verzweigungspunkt 41 führt ein relativ hochohmiger Widerstand 42
zum Eingang des Operationsverstärkers 40 als Mitkoppelwiderstand zurück. Ein anderer
Widerstand 43 verbindet den Verzweigungspunkt 41 mit dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers 40 und mit dem Verzweigungspunkt 24. Der Operationsverstärker
40 liegt über Leitungen 44 und 45 an der gleichen Betriebsspannung UB1. Der Verzweigungspunkt
41 bildet den Ausgang des Oszillators und mithin die Leitung 11.
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Der Widerstand 43 ist in seiner Größe gleich dem Widerstand 23 gewählt,
genau wie der Widerstand 37 in seiner Größe dem Widerstand 38 entspricht. Weiterhin
sind die Widerstände 28 und 29 einerseits und 20 und 25 andererseits gleich. Die
Paare können unterschiedlich groß sein.
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Der Widerstand 42 ist wesentlich größer als der Widerstand 37 beziehungsweise
Widerstand 38.
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Für die Funktion des Oszillators gemäß Figur 2 wird vorausgesetzt,
daß im Moment der Betrachtung die Eingangsspannung UE1 = UB1/2 ist. Damit ergibt
sich als Impulsspannung U11 eine Rechteckspannung, deren Amplitude UB1
entspricht
und deren Pulspausenverhältnis 1:1 beträgt.
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Die erste Flanke 46 entspricht dem Zustand, wenn der Punkt 41 gerade
auf den Wert UB1 gesprungen ist. Bei diesem Spannungssprung aufwärts wird über den
Mitkoppelwiderstand 42 und den als Innenwiderstand wirkenden Widerständen 37 und
38 der Punkt 39 schlagartig erhöht, während die Spannung im Punkt 24 hiergegen nahezu
konstant bleibt. Sie kann sich nicht sprunghaft ändern im Hinblick auf die Kondensatoren
33 und 34. Die Spannung UB1, die.im Punkt 41 herrscht, führt über den Widerstand
43 zu einem Aufladen des Kondensators 34 und einem Entladen des Kondensators 33.
Der Spannungswert des Punktes 24 gleicht sich dem des Punktes 39 an. Dieser Vorgang
geht relativ langsam und entspricht der Linie 48. Nach dem Einschalten, das heißt,
nachdem der Punkt 41 auf dem Potential UB1 liegt, ist der Punkt 39 auf das Potential
UB1/2 + b U gewandert. Diese Spannungserhöhung wird durch den Stromfluß durch den
Widerstand 42 bewirkt. In dem Moment, in dem der Punkt 24 diesen Spannungswert erreicht,
kippt der Operationsverstärker 40 zurück, so daß in seinem Ausgang 41 nunmehr der
Spannungswert Null herrscht. Dies entspricht der Flanke 47. Damit wird die Spannung
im Punkt 39 auf den Wert UB1/2 - a U fallen.
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Gleiehermaßen geht die Spannung am Punkt 24 langsam zurück, und zwar
von dem Wert 0,5 UB1 + ß U auf den Wert
0,5 UB - t U. In dem Moment,
in dem wieder Spannungsgleichheit zwischen den Punkten 24 und 39 herrscht, kippt
der Operationsverstärker in den erstbeschriebenen Zustand wieder zurück.
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Dieses Kippen des Oszillators ist konstant, wenn sich die Spannung
UE auf der Leitung 8 nicht ändert. Anders sich jedoch diese Spannung, so wandert
das Potential der Leitung 22 vom Wert UB1/2 weg, so wird zum Beispiel bei sich vergrößerndem
Wert von UE der Spannungswert auf der Leitung 22 kleiner als UB1/2 werden. Da der
Punkt 24 auf dem Wert UB1/2 nahezu festgehalten wird, fließt ein Strom durch den
Widerstand 23, was zu einem verstärkten Entladen des Kondensators 33 und zu einem
verstärkten Laden des Kondensators 34 führt. Damit nimmt das Pulspausenverhältnis
der Spannung im Punkt 41 ab.
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Wesentlich ist, daß der Entladevorgang bei einem Wert von UE kleiner
als UB1/2 sowohl in der Entladephase des Kondensators als auch in der Ladephase
wirksam ist. In der Entladephase addieren sich somit die Entladevorgänge, während
in der Ladephase die Vorgänge gegeneinanderlaufen, wobei der Ladevorgang in seinem
Einfluß größer sein muß als der Entladevorgang. Der Ladestrom wird lediglich durch
den Widerstand 43 bestimmt, und er ist betragsmäßig größer als der Entladestrom
durch den Widerstand 23. Der
Strom durch den Widerstand 43 entspricht
immer der halben Betriebsspannung UB1, der entgegengesetzt wirkende Strom durch
den Widerstand 23 ist aber regelmäßig kleiner, da der Betrag der am Widerstand 23
anliegenden Spannung stets kleiner als UB1/2 ist.
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Wesentlich ist, daß die Größe des Widerstandes 42 die Größe der Spannung
a U bestimmt. Macht man n U und damit den Widerstand 42 relativ groß und damit A
U relativ klein, so wird eine relativ große Genauigkeit der Spannungsbildung erreicht.
Das führt dazu, daß man mit kleiner werdenden Werten von A U bei vorgegebener Frequenz
die Kondensatoren 33 und 34 immer größer machen muß.
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Hierbei soll angemerkt werden, daß die Frequenz des Pulspausenverhältnisses
nicht konstant ist, bei einem Wert von UE, der gegen Null oder gegen UB1 geht, wird
die Frequenz Null, das Frequenzmaximum ist demgemäß bei einem Wert von UB1/2 vorhanden.
Es kommt aber nicht auf die Frequenz an, sondern lediglich auf das Pulspausenverhältnis.
Die Frequenz spielt insoweit eine Rolle, als bei Wahl einer zu kleinen Frequenz
das Integrieren im Integrator 15 schwierig wird und daß bei zu großer Frequenz die
Anforderungen an die Obertragungsstrecke zu groß werden. Das bedeutet, daß man für
Werte von UE gegen Null oder gegen UB1 die Schaltung nicht sinnvoll einsetzen sollte.
Diese Probleme kann man aber durch Wahl der
Widerstandswerte des
Spannungsteilers 4 in den Griff bekommen.
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Die Kondensatoren 33 und 34 können bevorzugt noch dazu verwendet werden,
eine Brummüberlagerung der Betriebsspannung UB1 und dementsprechend auch der Eingangsspannung
UE zu kompensieren, da der Punkt 24 aufgrund der Gleichheit der Kondensatoren stets
auf Spannungsmitte liegt.
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Für den Fall, daß der Operationsverstärker 40 nicht die exakten Werte
von 0 Volt und UB1 an seinem Ausgang 41 erreicht, ist es notwendig, dem Ausgang
des Operationsverstärkers einen Transistorverstärker nachzuschalten, der dies bewerkstelligt.
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