DE69306947T2

DE69306947T2 - Verfahren und gerät zur steuerung eines stromgenerators

Info

Publication number: DE69306947T2
Application number: DE69306947T
Authority: DE
Inventors: Ole Hellqvist
Original assignee: Landis and Staefa AB
Current assignee: Landis and Staefa AB
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1993-10-07
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: EP0642681A1; DK0642681T3; JPH07503352A; SE9202975L; WO1994009415A1; DE69306947D1; SE9202975D0; EP0642681B1; SE500771C2; US5504380A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines Stromgenerators, wobei der Generator zwei Spannungseingänge und einen Stromeingang aufweist, der an eine Last angeschlossen ist und einen Strom am Ausgang erzeugt, der der Spannungsdifferenz zwischen den Spannungen an den Eingängen proportional ist. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung bzw. ein Gerät zur Verwendung im Rahmen des Verfahrens zum Betreiben des Geräts.
Bei vielen Geräten auf dem Gebiet der Steuertechnik, beispielsweise bei Reglern, Aktuatoren und Sensoren zur proportionalen Steuerung, werden die Ausgangswerte, d.h. die gewünschten Werte und die tatsächlichen Werte für beispielsweise Ventilstellungen und Temperaturen, allgemein durch die Spannung eines Analogsignals dargestellt, das im Bereich zwischen beispielsweise 0 Volt und 10 Volt liegen kann. Bei vielen anderen Geräten, die diese analogen Signale empfangen, wird erwartet, daß die genannten Werte in der Form eines Stromsignals vorliegen, beispielsweise zwischen 0 und 20 mA.
Dies stellt ein Problem dar, da nicht alle Geräte miteinander in Wechselwirkung treten können, weil die Ausgabe des einen Gerätes nicht der erwarteten Eingabe des anderen Gerätes entspricht. Bei bestimmten Geräten kann der Betriebsmodus, d.h. die Stromsteuerung oder die Spannungssteuerung, mit Hilfe eines beispielsweise Überbrückungsdrahtes, geschaltet werden, doch bedeutet dieses Schaltelement einen weiteren Montageschritt und kann außerdem zu einer falschen Installation führen. Auch führen zwei getrennte Lösungen, die eine für die Stromsteuerung und die andere für die Spannungssteuerung, zu höheren Kosten bei der elektronischen Beschaltung.
Es ist demgemäß das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Steuern der Ausgabe eines Stromgenerators zu schaffen, derart, daß diese Ausgabe automatisch an den bevorzugten Betriebsmodus des Empfangsgerätes angepaßt wird. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Feststellung, daß das o.g. Ziel unter Nutzung der Tatsache erreicht werden kann, daß ein stromgesteuerter Eingang eine viel kleinere Eingangsimpedanz besitzt als ein spannungsgesteuerter Eingang.
Gemäß der Erfindung wird das genannte Ziel durch ein Verfahren zum Steuern eines Stromgenerators erreicht, der zwei Spannungseingänge und einen an eine Last angeschlossenen Ausgang aufweist, wobei der Generator am Ausgang einen Strom erzeugt, der der Differenzspannung zwischen den Spannungen an den Eingängen proportional ist, so daß, im Falle, daß die Impedanz der Last kleiner als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist, der Stromgenerator rückkopplungsfrei gesteuert wird, um ein Signal am Ausgang des Generators zu erzeugen, wobei der Stromwert des Signals durch die genannte Eingangsspannung bestimmt wird, und daß im Falle, daß die Impedanz der Last größer als ein vorbestimmter zweiter Grenzwert ist, der größer als der erste Grenzwert ist, das Ausgangssignal des Stromgenerators negativ rückgekoppelt wird, um ein Signal am Ausgang des Generators zu erzeugen, wobei der Spannungswert des Signals durch die genannte Eingangsspannung bestimmt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Benutzung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Die Erfindung stellt eine Technik bereit, die die o.g. Probleme beseitigt, die mit der Anpassung der Betriebsmoden der miteinander verbundenen Geräte bzw. Vorrichtungen verbunden sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist ein allgemeines Schaltbild eines Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1b zeigt die Kennlinie eines in die Schaltung der Fig. 1 eingebauten Verstärkers; und
Fig. 2 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform des Gerätes gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt neben einem Stromgenerator 1 einen hochverstärkenden Verstärker 3 mit im wesentlichen unendlich großer Eingangsimpedanz, wobei der Verstärker zwischen Erde und einer Spannung +V als Energieversorgung liegt. Das Ausgangssignal Uaus des Stromgenerators wird an den positiven Eingang 11 des Verstärkers 3 angelegt, und eine Eingangsspannung Uein wird an den negativen Eingang 12 des Verstärkers durch eine Eingangsspannungsklemme 2 angelegt, die mit dem negativen Eingang des Verstärkers verbunden ist, wobei das Eingangssignal beispielsweise einen gewünschten oder einen vorhandenen Wert darstellen kann. Der Ausgang des Verstärkers ist mit dem negativen Eingang 10 des Stromgenerators verbunden. Die Kennlinie des Verstärkers 3 ist in Fig. 1b dargestellt, welche die Ausgangsspannung U des Verstärkers als Funktion der Differenzspannung wiedergibt, die zwischen den Eingängen 11, 12 des Verstärkers liegt und im vorliegenden Falle die Größe Uaus - Uein besitzt.
Der Ausgang 13 des Stromverstärkers ist weiter über einen Anschluß mit einer zu steuernden Einheit 5 verbunden. Diese Einheit, die entweder eine stromgesteuerte oder eine spannungsgesteuerte Einheit ist, besitzt einen Eingangsimpedanzwert, der einem Lastwiderstand 6 entspricht, dessen Größe gewöhnlich für die Stromsteuerung klein ist, beispielsweise kleiner als 300 Ohm, aber für eine Spannungssteuerung groß ist, beispielsweise mehr als 10 Kiloohm.
Nachfolgend wird das Verfahren gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben. Das Eingangssignal Uein wird an den Eingang 2 geliefert, der am Ausgang 13 des Stromgenerators 1 einen Strom erzeugt, welcher seinerseits am Lastwiderstand 6 eine Spannung Uaus erzeugt. Da die Eingangsimpedanz des Verstärkers 3 im wesentlichen unendlich groß ist, entspricht der Ausgangsstrom des Stromgenerators im wesentlichen dem durch den Lastwiderstand 6 fließenden Strom. Das Gerät ist so ausgelegt, daß falls die Last stromgesteuert wird, die Ausgangsspannung Uaus nicht größer als die Eingangsspannung Uein ist. Der Verstärker 3 empfängt also eine negative Spannung Uaus - Uein zwischen den Eingängen 11, 12, was ihn veranlaßt, ein Ausgangssignal mit einer Spannung zu liefern, die im wesentlichen derjenigen zwischen Erde und negativem Eingang 10 des Stromgenerators entspricht, und zwar deswegen, weil der Verstärker als Energiezufuhr Anschlüsse zwischen Erde und eine Spannung +V geschaltet ist. Das ganze Gerät arbeitet dann als Stromgenerator, der einen Ausgangsstrom Uaus erzeugt.
Falls jedoch die Last spannungsgesteuert wird, d.h. falls der Wert des Lastwiderstandes 6 groß ist, wird die Ausgangsspannung Uaus größer als die Eingangsspannung Uein sein und der Verstärker weist dann eine positive Differenzspannung zwischen den Eingängen 11, 12 auf. Dies führt dazu, daß der Verstärker ein Signal an den negativen Eingang 10 des Stromgenerators liefert, das proportional der Differenzspannung zwischen der Ausgangsspannung Uaus und der Eingangsspannung Uein ist. Es kann leicht gezeigt werden, daß sich in diesem Falle die Ausgangsspannung Uaus, bei hoher Verstärkung des Verstärkers 3 und somit auch der Schleifenverstärkung, wegen der negativen Rückkopplung der Ausgangsspannung so einstellt, daß Uaus Uein ist. Das ganze Gerät arbeitet dann als Generator, der an seinem Ausgang eine Spannung erzeugt, die im wesentlichen der Eingangsspannung entspricht, d.h., daß das Gerät als Spannungsfolger arbeitet.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform entspricht in wesentlichen Teilen der Auslegung der oben beschriebenen Schaltung, so daß gleiche Bezugszeichen für entsprechende Teile verwendet werden. An jeden Widerstand ist der bei dieser spezifischen Ausführungsform benutzte Widerstandswert beschrieben.
Der Stromgenerator 1, der ein allgemeiner Typ ist, wie er beispielsweise im IC Op-Amp Cookbook, 3. Ausgabe, Roward W. Sams Co., ISBN-O-672- 22453-4 beschrieben ist, umfaßt zwei Eingangswiderstände 14, 15, die jeweils entsprechend an den negativen und den positiven Eingang eines ersten Operationsverstärkers 16 angeschlossen sind. Der Operationsverstärker kann herkömmlichen Typs sein, beispielsweise ein LM324. Zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers 16 sind drei Widerstände 17, 18 und 19 in Reihe geschaltet. Weil die beiden Eingänge des Operationsverstärkers 16 im wesentlichen das gleiche Potential aufweisen, nämlich das sog. virtuelle Erdpotential, bilden die drei Widerstände 17, 18 und 19 eine geschlossene Spannungsschleife, welche einen Strom am Ausgang 13 des Stromgenerators 1 erzeugt, der zwischen den Widerständen 18 und 19 plaziert ist, wobei der Strom der Differenzspannung zwischen den beiden Eingängen 10, 11 des Stromgenerators, d.h. zwischen den beiden Eingangswiderständen 14, 15 proportional ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind ein zweiter Operationsverstärker 20 und ein Widerstand 21 parallel zum Widerstand 18 vorgesehen, um das Treiber- bzw. Steuervermögen des Stromgenerators zu verbessern.
Der Ausgang des dritten Operationsverstärkers 22 ist an den negativen Eingang 10 des Stromgenerators angeschlossen, d.h. an den Eingangswiderstand 14. Der positive Eingang dieses Verstärkers ist an den Ausgang 13 des Stromgenerators angeschlossen, während der negative Eingang über einen Widerstand 23 an den Eingang 2 des Gerätes angeschlossen ist.
Widerstände 24 und 25 sind jeweils entsprechend zwischen die Ausgänge des ersten und des dritten Operationsverstärkers 16 bzw. 22 und Erde geschaltet, um das Treiber- bzw. Steuervermögen des Verstärkers gegen Erde zu verbessern. Eine Diode 4 ist zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang des dritten Verstärkers 22 aus Stabilitätsgründen sowie zu dem Zweck vorgesehen, um die Fähigkeit des Operationsverstärkers 16 zu verbessern, um seinen Ausgang auf den negativen Speiseeingang zu treiben bzw. rückzukoppeln. Der Lastwiderstand 6 ist mit dem Ausgang 7 des Gerätes verbunden. Wie weiter oben bemerkt, hängt sein Wert davon ab, ob die Last stromgesteuert oder spannungsgesteuert wird, wobei er im ersten Falle annähernd 200 Ohm betragen kann und im letztgenannten Falle annähernd 10 Kiloohm.
In der obigen Beschreibung wurde eine bevorzugte Ausführungsform eines Gerätes bzw. einer Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. Sie kann in mehrfacher Hinsicht im Rahmen der Ansprüche abgeändert werden. Beispielsweise können der zweite Operationsverstärker 20 und der Widerstand 21 fortgelassen werden, falls ein geringeres Treibervermögen des Stromgenerators 1 gefordert wird; und die Versorgungsspannungen der Operationsverstärker könnten eine positive Spannung und eine negative Spannung sein, so daß das Ausgangssignal sowohl ein positives, als auch ein negatives Signal sein könnte.
Ein Verfahren und ein Gerät wie das obige kann in vielen Anwendungen eingesetzt werden, wie etwa als Spannungsfolger in Reglern, als Ausgangsstufe für aktuelle Werte in Aktuatoren, oder als Ausgangsstufe anderer Art für physikalische Größen, wobei das Ausgangssignal die Geschwindigkeit, den Durchfluß, etc. darstellt.

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines Stromgenerators mit Hilfe einer Eingangs- Spannung, wobei der Generator zwei Spannungseingänge und einen an eine Last angeschlossenen Ausgang aufweist, wobei der Generator am Ausgang einen Strom erzeugt, der der Differenzspannung zwischen den Spannungen am ersten positiven Eingang und am zweiten negativen Eingang proportional ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

im Falle, daß die Impedanz der Last kleiner als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist, der Stromgenerator rückkopplungsfrei gesteuert wird, um ein Signal am Ausgang des Generators zu erzeugen, wobei der Stromwert des Signals durch die genannte Eingangsspannung bestimmt wird, und

daß im Falle, daß die Impedanz der Last höher als ein vorbestimmter zweiter Grenzwert ist, der größer als der erste Grenzwert ist, das Ausgangssignal des Stromgenerators negativ rückgekoppelt wird, um ein Signal am Ausgang des Generators zu erzeugen, wobei der Spannungswert des Signals durch die genannte Eingangsspannung bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Rückkopplung durch Anlegen der Eingangsspannung an den positiven Eingang des Generators geliefert wird, und

daß die Eingangsspannung Uin mit dem Spannungswert des Ausgangssignals des Generators, Uout, verglichen wird, wobei

im Falle das Uout≤Uin ist, der negative Eingang des Generators mit einem Signal beschickt wird, das im wesentlichen dem Erdpotential entspricht, und daß im Falle, daß Uout≥Uin ist, der negative Eingang des Generators mit einem Signal beschickt wird, das der Differenz zwischen dem Spannungswert Uout und der Eingangsspannung Uin proportional ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich mit Hilfe eines Operationsverstärkers durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator bei negativer Rückkopplung ein Signal an seinem Ausgang erzeugt, dessen Spannungswert im wesentlichen der Eingangsspannung entspricht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste untere Grenzwert auf 300 Ohm eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite höhere Grenzwert auf 10 KOhm eingestellt wird.

7. Vorrichtung zum Steuern eines Stromgenerators mit Hilfe einer Eingangsspannung, wobei der Generator zwei Spannungseingänge und einen an eine Last angeschlossenen Ausgang aufweist, wobei der Generator am Ausgang einen Strom erzeugt, der der Differenzspannung zwischen den Spannungen am ersten positiven Eingang und am zweiten negativen Eingang proportional ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung einen Eingangsspannungseingang (2) aufweist, der mit dem positiven Eingang (9) des Stromgenerators verbunden ist, und daß sie eine negative Rückkopplungsschleife (8) aufweist, die zwischen dem Ausgang (13) und dem negativen Eingang (10) des Stromgenerators vorgesehen ist, wobei die Schleife so ausgebildet ist, daß im Falle, daß die Impedanz (6) der Last kleiner als ein vorbestimmter erster unterer Grenzwert ist, die Schleife (8) geöffnet ist, wodurch ein dem Erdpotential im wesentlichen gleiches Signal an den negativen Eingang (10) des Stromgenerators geliefert wird, und

daß im Falle, daß die Impedanz (6) der Last höher als ein vorbestimmter zweiter Grenzwert ist, welcher größer als der erste Grenzwert ist, die Schleife (8) geschlossen ist, so daß ein Signal proportional zur Differenz zwischen der Ausgangsspannung Uout und der Eingangsspannung Uin an den negativen Eingang (10) des Stromgenerators geliefert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (8) einen Operationsverstärker (3) umfaßt, der einen positiven Eingang (11), welcher an den Ausgang (13) des Stromgenerators (1) angeschlossen ist, einen negativen Eingang (12), welcher an den Eingangsspannungseingang (2) angeschlossen ist, und einen Ausgang aufweist, der an den negativen Eingang (10) des Stromgenerators angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannungen des Operationsverstärkers (3) Erdpotential und eine Spannung umfassen, die höher als das höchstmögliche Spannungspotential für die Spannung des Eingangsspannungseingangs (2) ist.