DE3635878C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine spannungsgesteuerte Strom­ quelle bestehend aus einem Operationsverstärker, dem die Steuerspannung für die Stromquelle über einen ersten Vor­ widerstand seinem nichtinvertierenden Eingang zugeführt wird und dessen invertierender Eingang über einen zweiten Vorwiderstand auf Bezugspotential gelegt ist und der einen Gegenkopplungskreis mit einem dritten Widerstand und einen Mitkopplungskreis mit der Serienschaltung eines vierten und fünften Widerstandes enthält, wobei der Verbindungspunkt des vierten und fünften Widerstandes eine Anschlußklemme für einen Verbraucher darstellt.

Eine derartige Stromquelle ist in dem Buch von U. Tietze und Ch. Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York (1980) Seiten 242 bis 254 im Abschnitt 12.3.2 beschrieben. Bei der bekannten Strom­ quelle, bei der die gesteuerten Ströme in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Steuerspannung ihre Richtung ändern können, ist der invertierende Eingang des Operationsver­ stärkers unmittelbar an seinen Ausgang geführt; gleiches gilt für den nichtinvertierenden Eingang und die Serien­ schaltung des vierten und fünften Widerstandes. Der Ver­ braucherwiderstand ist einseitig auf Bezugspotential gelegt.

Mit gewöhnlichen Operationsverstärkern liegen die ge­ steuerten Ströme bei der bekannten Schaltung maximal in der Größenordnung einiger mA. Verwendet man Leistungs­ operationsverstärker, können die gesteuerten Ströme er­ heblich größere Werte annehmen, allerdings benötigen derartige Operationsverstärker hohe Versorgungsspannungen (10 V und mehr) und haben eine relativ große Verlust­ leistung.

Auf Seite 250 der oben zitierten Literaturstelle wird eine steuerbare Stromquelle für größere Ströme angegeben, die zwei Operationsverstärker enthält. Die Operationsver­ stärker steuern zwei Fets an, deren Drain-Source-Strecken in Serie geschaltet sind. Werden Leistungstransistoren verwendet, dürfen die gesteuerten Ströme einige A betra­ gen. Jedoch hat eine solche Schaltungsanordnung (vgl. Seite 251 l.c.) eine schlechte Nullpunktstabilität, weil sich der Ausgangsstrom als Differenz großer Ströme ergibt und diese Ströme noch von den (ungeregelten) Versorgungs­ spannungen der Operationsverstärker und der Transistoren abhängen.

Eine verbessere Stromquelle, bei der die erwähnten Nach­ teile vermieden werden, enthält nach der zitierten Literaturstelle (vgl. Seite 251 l.c.) mindestens drei Operationsverstärker, zwei Zenerdioden und mehrere Wider­ stände.

In einem Artikel der DE-Z Elektronik 10 (1986) Seite 102 ist ein präziser Spannungs-Strom-Wandler beschrieben; er enthält drei Operationsverstärker, von denen einer als Impedanzwandler, ein zweiter als Summierer und ein dritter als Inverter arbeitet. Der Ausgang des Inverters ist an die Basen zweier Transistoren unter­ schiedlichen Leitfähigkeitstypes geführt, und die seriell miteinander verbundenen Kollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren liegen zwischen den Polen einer Ver­ sorgungsspannungsquelle. Der Verbindungspunkt der Kollek­ tor-Emitter-Strecken der Transistoren ist mit einem Aus­ gangswiderstand verbunden, durch den der Ausgangsstrom der Schaltung fließt und über dem eine Spannung abfällt, die ebenso groß ist wie die Eingangsspanung des Span­ nungs-Strom-Wandlers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verlust­ arme Stromquelle zum präzisen Steuern großer Ströme für einen einseitig geerdeten Verbraucher anzugeben, mit der sich eine gute von Betriebsspannungsschwankungen unab­ hängige Nullpunktstabilität erreichen läßt und die gegen­ über bekannten Stromquellen mit vergleichbaren Eigen­ schaften einen geringeren Schaltungsaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird - ausgehend von einer Stromquelle der eingangs genannten Art - dadurch gelöst, daß der Ausgang des Operationsverstärkers an die Basen zweier Transisto­ ren unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps geführt ist, daß die seriell miteinander verbundenen Kollektor-Emitter- Strecken der beiden Transistoren zwischen den Polen einer Versorgungsspannungsquelle liegen und daß der Verbin­ dungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken der Transisto­ ren mit einem Anschluß des dritten Widerstandes und einem Anschluß des fünften Widerstandes verbunden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispie­ les soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Stromquelle mit einer Zusatz­ schaltung für einen potentialfreien Verbraucher.

An einer Eingangsklemme wird in der Schaltung nach der Figur eine Steuerspannung UE angelegt; UE ist das Symbol für die Spannung zwischen der angesprochenen Klemme und einem Punkt mit Bezugspotential. Entsprechendes gilt für die weiteren Spannungssymbole V 1, V 2 und UA in der Figur.

Über einen Widerstand R 1 ist die Steuerspannung UE an den nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 01 gelegt. Der invertierende Eingang des Operationsver­ stärkers 01 ist über einen weiteren Vorwiderstand R 2 auf Bezugspotential gelegt. Der Ausgang des Operationsver­ stärkers 01 ist sowohl mit der Basis eines ersten Tran­ sistors T 1 als auch mit der Basis eines zweiten Tran­ sistors T 2 verbunden. Der erste Transistor ist ein npn-Transistor und der zweite ein pnp-Transistor. Die Kollektor-Emitter-Strecken beider Transistoren sind in Reihe geschaltet, und zwar so, daß der Emitter des Tran­ sistors T 1 mit dem Emitter des Transistors T 2 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T 1 ist an den positi­ ven Pol V⁺ und der Kollektor des Transistors T 2 an den negativen Pol V⁻ einer Versorgungsspannungsquelle ge­ führt. Der Verbindungspunkt der beiden Kollektor-Emitter­ strecken ist einerseits über einen Widerstand R 3 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 01 ver­ bunden (Gegenkopplungskreis) und über die Serienschaltung eines Widerstandes R 5 und eines Widerstandes R 4 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 01 verbunden (Mitkopplungskreis). Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R 4 und R 5 ist gleichzeitig eine Anschlußklemme für einen Verbraucher RL. An dieser An­ schlußklemme liegt die Spannung UA an. Kann der Ver­ braucher einseitig geerdet werden, so ist der andere Anschluß des Verbrauchers auf Bezugspotential zu legen.

Die Widerstandswerte der Widerstände R 1, R 3 und R 4 sind gleich groß gewählt; sie liegen in der Größenordnung von 10 kOhm. Der Widerstandswert des Widerstandes R 5 liegt bei 0,1 Ohm. Wird der Widerstandswert des Widerstandes R 2 so bemessen, daß er sich als Quotient aus dem Quadrat des Widerstandswertes des Widerstandes R 1 und der Summe der Widerstandswerte der Widerstände R 1 und R 5 ergibt, so ist der Strom durch den Verbraucherwiderstand RL unabhängig von der Verbraucherspannung UA und hängt nur linear von der Steuerspannung UE ab.

Wird der Strom durch den Verbraucher aufgrund der ver­ schwindenden Steuerspannung zu Null gemacht, so nimmt auch die Spannung UA den Wert Null an. Es ist unmittelbar einsichtig, daß in diesem Fall auch die Spannung V 1 am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers den Wert Null haben muß. Wegen der Wirkungsweise des Opera­ tionsverstärkers, der dafür sorgt, daß die Spannungen an seinen beiden Eingängen immer den gleichen Wert haben, ist dann auch die Spannung am invertierenden Eingang Null. Das gleiche gilt für die Spannung V 2 am Verbin­ dungspunkt der beiden Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T 1 und T 2. Da in diesem Fall auch die Aus­ gangsspannung des Operationsverstärkers 01 den Wert Null annimmt, sind beiden Transistoren T 1 und T 2 gesperrt, weil keine Spannungsdifferenz zwischen ihren Basen und Emittern besteht. Der Umstand, daß bei verschwindender Steuerspannung UE in der gesamten Schaltungsanordnung keine Ströme fließen, belegt die gute Nullpunktstabilität und die geringe Verlustleistung einer Anordnung nach der Figur.

Um den Einfluß des Innenwiderstandes der Steuerspannungs­ quelle auszuschließen, wird die Steuerspannung UE über einen (in der Figur nicht gezeigten) Impedanzwandler an den Widerstand R 1 gelegt.

Für den Fall, daß sich bei dem Verbraucher um einen soge­ nannten schwimmenden Verbraucher oder auch potential­ freien Verbraucher handelt, ist ein dritter Transistor T 3 und ein vierter Transistor T 4 vorgesehen. Die Transisto­ ren T 3 und T 4 sind vom gleichen Typ, in der gleichen Weise zusammengeschaltet und in der gleichen Weise zwischen die Anschlüsse einer Versorgungsspannungsquelle V⁺, V⁻ gelegt wie die Transistoren T 1 und T 2. Der Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers 02 ist an die Basen der beiden Transistoren T 3 und T 4 geführt. Der nichtin­ vertierende Eingang des Operationsverstärkers 02 ist auf Bezugspotential gelegt, während der invertierende Eingang über einen Widerstand R 7 mit dem Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T 1 und T 2 verbunden ist. Außerdem ist der invertierende Eingang über einen Widerstand R 6 mit dem Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken des ersten Transistorpaares T 3, T 4 verbunden. Der Wert des Widerstandes R 6 ist eben­ so groß wie der Wert des Widerstandes R 7; dadurch wird die Spannung V 2 invertiert und an den Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken der Tranistoren T 3 und T 4 ge­ legt. Dieser Verbindungspunkt stellt gleichzeitig den zweiten Anschluß für einen schwimmenden Verbraucher RL dar.

Claims (4)

1. Spannungsgesteuerte Stromquelle bestehend aus einem Operationsverstärker, dem die Steuerspannung für die Stromquelle über einen ersten Vorwiderstand seinem nicht­ invertierenden Eingang zugeführt wird und dessen inver­ tierender Eingang über einen zweiten Vorwiderstand auf Bezugspotential gelegt ist und der einen Gegenkopplungs­ kreis mit einem dritten Widerstand und einen Mitkopp­ lungskreis mit der Serienschaltung eines vierten und fünften Widerstandes enthält, wobei der Verbindungspunkt des vierten und fünften Widerstandes eine Anschlußklemme für einen Verbraucher darstellt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang des Operationsverstärkers (01) an die Basen zweier Transistoren (T 1, T 2) unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps geführt ist, daß die seriell miteinan­ der verbundenen Kollektor-Emitter-Strecken der beiden Transistoren (T 1, T 2) zwischen den Polen (V⁺, V⁻) einer Versorgungsspannungsquelle liegen und
daß der Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren (T 1, T 2) mit einem Anschluß des dritten Widerstandes (R 3) und einem Anschluß des fünften Wider­ standes (R 5) verbunden ist.

2. Spannungsgesteuerte Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Transistoren (T 1, T 2) um Darlington-Transistoren handelt.

3. Spannungsgesteuerte Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung über einen Impedanzwandler und über den ersten Vorwider­ stand (R 1) dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (01) zugeführt wird.

4. Spannungsgesteuerte Stromquelle nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für einen schwimmen­ den Verbraucher ein zweites Transistorpaar (T 3, T 4) vor­ gesehen ist, das in gleicher Weise zusammengeschaltet ist und zwischen den Polen (V⁺, V⁻) einer Versorgungsspan­ nungsquelle liegt wie das erste Transistorpaar (T 1, T 2), daß der Ausgang eines zweiten Operationsverstärkers (02) an die Basen der Transistoren des zweiten Transistor­ paares (T 3, T 4) geführt ist, daß der Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken des ersten Transistorpaares (T 1, T 2) über die Serienschaltung eines sechsten (R 6) und siebten (R 7) Widerstandes mit dem Verbindungspunkt der Kollektor-Emitter-Strecken des zweiten Transistorpaares (T 3, T 4) verbunden ist, der gleichzeitig eine zweite Anschluß­ klemme für den schwimmenden Verbraucher darstellt, und daß der Ver­ bindungspunkt des sechsten und siebten Widerstandes (R 6, R 7) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Opera­ tionsverstärkers (02) verbunden ist, dessen nichtinver­ tierender Eingang auf Bezugspotential gelegt ist.