DE3543280C2 - Schaltung zur Erzeugung eines linear von einem langsam veränderlichen Eingangssignal abhängigen Pulspausensignals - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung gemäß dem einleitenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs.

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 Tem­ peratursignal 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.

Aus der EP-OS 119 281 ist bereits ein Verfahren zur Übertragung langsam veränderlicher relati­ ver Spannungssignale bekanntgeworden, bei dem aus einem Eingangssignal ein Pulspausen­ signal erzeugt wird, dessen Pulspausenverhältnis mit der relativen Höhe des Eingangssignals linear variabel ist. Am Ende der Übertragung wird die Höhe des Pulspausensignals in seinen Extremwerten begrenzt und anschließend integriert.

Weiterhin ist es aus NÜHRMANN "Operationsverstärker - Praxis", München 1980, Seiten 130 bis 133, bekannt, einen Rechteckgenerator mit veränderlicher Impulsbreite vorzuschlagen, wobei ein Verstärker vorgesehen ist, dessen Ausgang über zwei Widerstände mit seinen beiden Ein­ gängen verbunden ist, wobei der eine Eingang des Operationsverstärkers an einem an Betriebs­ spannung angeschlossenen Spannungsteiler liegt und wobei die Widerstände dieses Spannungsteilers gleich groß sind und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über einen Kondensator mit einem der beiden Pole der Betriebsspannung verbunden ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung anzugeben, mit der eine sehr hohe Genauigkeit der Spannungsbildung erreicht wird. Die Lösung der Aufgabe liegt in den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.

Besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Fig. 1 bis 3 der Zeichnung wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Erfindung,

Fig. 2 die Schaltung eines Oszillators und

Fig. 3 ein Diagramm.

In allen drei Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen je­ weils die gleichen Einzelheiten.

In der Fig. 1 ist eine Übertragungsstrecke 1 darge­ stellt, die aus einem Anfang 2 und einem Ende 3 besteht. Dem Anfang der Übertragungsstrecke 1 ist ein Spannungs­ teiler 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 Vorlauf­ temperaturfühler eines Kessels. Der Verbindungspunkt 7 der Widerstände 4 und 5 ist mit einer Leitung 8 verbun­ den, die den 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 temperaturab­ hängigen 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 hin­ gewiesen, daß das Pulspausenverhältnis dieser Impulsfolge 10 mit dem Verhältnis der Eingangsspannung UE am tempera­ turabhängigen Widerstand, bezogen auf die maximale Span­ nung UB1, variabel beziehungsweise identisch ist. Die Leitung 11 an dem Ausgang 11 des Oszillators schließt sich an die eigentliche Übertragungsstrecke 12 an, die im einfachsten Fall aus mehr oder weniger langen Drähten oder zum Beispiel einem optischen Kopplungselement be­ stehen kann. Am Ende dieser eigentlichen Übertragungs­ strecke steht auf der Leitung 11 wieder die Impuls­ spannung 10 mit dem gleichen Pulspausenverhältnis an. Diese Impulsspannung wird einem Verstärker 13 mit Begren­ zerverhalten zugeführt, der von einer zweiten Betriebs­ spannung 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 Begrenzerver­ stärkers steht wiederum diese Impulsfolge 10 an, die an­ schließend in einem Integrator 15 integriert wird. Wesentlich ist für die Wirkungsweise des Verstärkers, daß die Impulsspannung an seinem Ausgang eine in ihrem Minimal- und Maximalwert exakte begrenzte Höhe aufweist. Der Integrator 15 kann als einfaches RC-Glied ausgebildet werden, an dessen Ausgang 16 eine analoge Ausgangsspan­ nung UA ansteht, deren Verhältnis, bezogen auf UB2, iden­ tisch ist mit dem Verhältnis der Eingangsspannung UE, be­ zogen auf UB1.

Der Integrator 15 wird so bemessen, daß seine Zeitkon­ stante wesentlich größer ist als die Periodendauer der Impulsspannung 10, andererseits muß die Zeitkonstante klein genug sein, um Änderungen der Eingangsspannung UE Folge leisten zu können.

Das Verfahren basiert demgemäß darauf, daß aus einem Ein­ gangsspannungssignal, das an einen temperaturabhängigen Widerstand oder dergleichen abfällt, ein Verhältnis be­ züglich einer Bezugsspannung, hier UB1, gebildet wird, daß aus diesem Spannungsverhältnis eine Pulspausenspan­ nung gebildet wird, deren Pulspausenverhältnis mit der Größe des Eingangsspannungsverhältnisses variabel ist, daß diese Impulsspannung auf die eigentliche Übertra­ gungsstrecke gegeben wird, daß am Ende der Übertragungs­ strecke die Minimum- und Maximumwerte der Impulse be­ grenzt 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 ent­ spricht. Hierbei ist allerdings Voraussetzung, daß der Minimumwert der begrenzten Impulsspannung Null ist. Diese Verhältnisse können auch anders gestaltet werden.

Die Ausbildung des Oszillators 9 geht aus der Fig. 2 hervor.

Ausgehend von der Leitung 8 in Fig. 2 ist in ihr ein re­ lativ 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 Verzweigungs­ punkt 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 Festwert­ widerständen 28 und 29, an Masse gelegt ist. Der Verbin­ dungspunkt 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 be­ zieht.

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.

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 Pulspausenverhältnis­ ses. Zwischen der Leitung 26 und der mit Masse verbun­ denen Leitung 35 ist ein weiterer Spannungsteiler 36 geschaltet, der aus der Serienschaltung zweier Festwert­ widerstände 37 und 38 besteht, deren Verbindungspunkt 39 mit dem einen Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 40 verbunden ist, dessen Ausgang mit einem weiteren Ver­ zweigungspunkt 41 verbunden ist. Von diesem Verzweigungs­ punkt 41 führt ein relativ hochohmiger Widerstand 42 zum Eingang des Operationsverstärkers 40 als Mitkoppelwider­ stand 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 Ver­ zweigungspunkt 41 bildet den Ausgang des Oszillators und mithin die Leitung 11.

Der Widerstand 43 ist in seiner Größe gleich dem Wider­ stand 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 anderer­ seits gleich. Die Paare können unterschiedlich groß sein. Der Widerstand 42 ist wesentlich größer als der Wider­ stand 37 beziehungsweise Widerstand 38.

Für die Funktion des Oszillators gemäß Fig. 2 wird vor­ ausgesetzt, daß im Moment der Betrachtung die Eingangs­ spannung UE1 = UB1/2 ist. Damit ergibt sich als Impuls­ spannung U11 eine Rechteckspannung, deren Amplitude UB1 entspricht und deren Pulspausenverhältnis 1 : 1 beträgt. 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 Mitkoppel­ widerstand 42 und den als Innenwiderstand wirkenden Wi­ derständen 37 und 38 der Punkt 39 schlagartig erhöht, während die Spannung im Punkt 24 hiergegen nahezu kon­ stant 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 Ent­ laden 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 + ΔU gewandert. Diese Spannungserhöhung wird durch den Stromfluß durch den Widerstand 42 bewirkt. In dem Moment, in dem der Punkt 24 diesen Spannungswert er­ reicht, 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 - ΔU fallen. Gleichermaßen geht die Spannung am Punkt 24 langsam zu­ rück, und zwar von dem Wert 0,5 UB1 + ΔU auf den Wert 0,5 UB - ΔU. In dem Moment, in dem wieder Spannungs­ gleichheit zwischen den Punkten 24 und 39 herrscht, kippt der Operationsverstärker in den erstbeschriebenen Zustand wieder zurück.

Dieses Kippen des Oszillators ist konstant, wenn sich die Spannung UE auf der Leitung 8 nicht ändert. Ändert sich jedoch diese Spannung, so wandert das Potential der Lei­ tung 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 verstärk­ ten Entladen des Kondensators 33 und zu einem verstärkten Laden des Kondensators 34 führt. Damit nimmt das Puls­ pausenverhältnis der Spannung im Punkt 41 ab.

Wesentlich ist, daß der Entladevorgang bei einem Wert von UE kleiner als UB1/2 sowohl in der Entladephase des Kon­ densators als auch in der Ladephase wirksam ist. In der Entladephase addieren sich somit die Entladevorgänge, während in der Ladephase die Vorgänge gegeneinanderlau­ fen, 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.

Wesentlich ist, daß die Größe des Widerstandes 42 die Größe der Spannung ΔU bestimmt. Macht man ΔU und damit den Widerstand 42 relativ groß und damit ΔU relativ klein, so wird eine relativ große Genauigkeit der Span­ nungsbildung erreicht. Das führt dazu, daß man mit klei­ ner werdenden Werten von ΔU bei vorgegebener Frequenz die Kondensatoren 33 und 34 immer größer machen muß. Hierbei soll angemerkt werden, daß die Frequenz des Puls­ pausenverhältnisses nicht konstant ist, bei einem Wert von UE, der gegen Null oder gegen UB1 geht, wird die Fre­ quenz Null, das Frequenzmaximum ist demgemäß bei einem Wert von UB1/2 vorhanden. Es kommt aber nicht auf die Frequenz an, sondern lediglich auf das Pulspausenverhält­ nis. Die Frequenz spielt insoweit eine Rolle, als bei Wahl einer zu kleinen Frequenz das Integrieren im Inte­ grator 15 schwierig wird und daß bei zu großer Frequenz die Anforderungen an die Übertragungsstrecke zu groß wer­ den. 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.

Die Kondensatoren 33 und 34 können bevorzugt noch dazu verwendet werden, eine Brummüberlagerung der Betriebs­ spannung UB1 und dementsprechend auch der Eingangsspan­ nung UE zu kompensieren, da der Punkt 24 aufgrund der Gleichheit der Kondensatoren stets auf Spannungsmitte liegt.

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 Operations­ verstärkers einen Transistorverstärker nachzuschalten, der dies bewerkstelligt.

Claims (4)

1. Schaltung zur Erzeugung eines linear von einem langsam veränderlichen Eingangssignal (UE) abhängigen Pulspausensignals (11) mit einem als Spannungsinverter für das Eingangssignal (UE) geschalteten ersten Opera­ tionsverstärker (21) und mit einem Oszillator (9), der aus einem zweiten Operationsverstärker (40) besteht, dessen Ausgang (41) über zwei Wider­ stände (42 und 43) mit seinen beiden Eingängen verbunden ist, wobei der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (40) an ei­ nem an Betriebsspannung (UB1) angeschlossenen ersten Spannungsteiler (36) liegt, dessen Widerstände (37, 38) gleich groß sind und der invertie­ rende Eingang dieses Operationsverstärkers (40) über einen Kondensator (33 oder 34) mit einem der beiden Pole der Betriebsspannung (UB1) und über einen Widerstand (23) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstär­ kers (21) verbunden ist, wobei der Widerstandswert des den Ausgang (41) mit dem nicht invertierenden Eingang verbindenden Widerstands (42) wesentlich hochohmiger als der des ersten Spannungstei­ lers (36) ist und das Produkt aus der Kapazität des masseseitigen Kondensators (34) des zweiten Spannungsteilers und dem Widerstandswert des masse­ seitigen Widerstands (38) des ersten Spannungsteilers (36) gleich dem Pro­ dukt aus den entsprechenden Größen der betriebsspannungsseitigen Bau­ elemente (33 und 37) des ersten und des zweiten Spannungsteilers ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (40) an einen aus zwei Konden­ satoren (33, 34) gebildeten Spannungsteiler angeschlossen ist, der seiner­ seits an Betriebsspannung UB1 liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, bei der die Kondensato­ ren 33 und 34 gleich groß sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (40) ein Transistorschalt­ verstärker nachgeschaltet ist.