WO2001067198A1

WO2001067198A1 - Konstantstromquelle

Info

Publication number: WO2001067198A1
Application number: PCT/CH2001/000125
Authority: WO
Inventors: Gaetano Scannapieco
Original assignee: Sate Safety Devices Technology Ag
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2001-09-13
Also published as: AU3355401A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle (1) mit mindestens einem Operationsverstärker, der an einer Versorgungsspannung UB betrieben wird, die an ihrem Ausgang einen vom daran angeschlossenen Lastwiderstand (RL) unabhängigen Strom liefert. Gemäß der Erfindung ist die Versorgungsspannung UB eine bipolare Versorgungsspannung mit einem positiven Pol (+UB) und einem gemeinsamen Nullpunkt (GND). Die Konstantstromquelle weist zwei Operationsverstärker (V1, V2) auf. Mittels einer an die Versorgungsspannung UB angeschlossenen Eingangsschaltung (R1, R2) ist eine Eingangsspannung (UE) erzeugbar, die dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (V1) zugeführt wird. Der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (V1) ist über einen Ausgangswiderstand (R3) mit dem Ausgang (OUT) verbunden ist, an den der Lastwiderstand (RL) anschließbar ist. Mittels eines Ausgangsspannungsteilers (R4, R5) und eines Rückkopplungs-Spannungsteilers (R6, R7) wird erreicht, daß am Ausgang (OUT) unabhängig von der Größe des Lastwiderstands (RL) ein konstanter Strom fließt. Die Konstantstromquelle (1) ist einfach aufgebaut und somit kostengünstig herstellbar. Sie ist in der Meßtechnik verwendbar.

Description

Konstantstromquelle

Die Erfindung bezieht sich auf eine Konstantstromquelle der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art

Solche Konstantstromquellen werden vorteilhaft in elektronischen Schaltungen verschiedener Art verwendet, wenn für einen Schaltungsteil ein konstanter Strom zur Verfügung gestellt werden muß Dies gilt vor allem in meßtechnischen Geraten, beispielsweise für linear anzeigende Ohmmeter Seit längerer Zeit werden solche Konstantstromquellen unter Verwendung von Operationsverstärkern realisiert In "Nuhrmann Operationsverstärker-Praxis" (Franzis- Verlag, 1977), ist ein einfaches Schaltungsbeispiel gezeigt, das mit einem einzigen Operationsverstärker auskommt, zu dessen Betrieb eine Spannungsversorgung notig ist, die aus einer gleich großen negativen und positiven Spannungsquelle, also zwei auf einen gemeinsamen Nullpunkt bezogenen Spannungsquellen, besteht Der Lastwiderstand, durch den der konstante Strom fließen soll, liegt zwischen dem Ausgang der Konstantstromquelle und der positiven Spannungsversorgung, liegt also nicht einseitig am gemeinsamen Nullpunkt Deshalb ist diese Schaltung für viele Anwendungen nicht brauchbar

Aus US-A-4,097 432 ist eine Konstantstromquelle mit zwei Operationsverstärkern bekannt Der Lastausgang liegt auch hier nicht einseitig am gemeinsamen Nullpunkt

Aus DE-Al-37 01 411 ist eine Verstarkerschaltung bekannt, in der Operationsverstärker Anwendung finden, die mit einer bipolaren Spannungsquelle betrieben werden

In "J G Graeme et al Operational Amplifiers - Design and Applications", "J G Graeme Applications of Operational Amplifiers", "J G Graeme Designing with Operational Amplifiers" und "Yu Jen Wong Function Circuits - Design and Applications", alle herausgegeben von McGraw-Hill Book Company, ist eine Vielzahl von verschiedenen Schaltungsvaπanten gezeigt Die meisten Schaltungen benotigen wie vorgenannt zwei Spannungsquellen Bei sehr vielen Schaltungen liegt die Last nicht einseitig am gemeinsamen Nullpunkt Auch ein bei steuerbaren Konstantstromquellen vorhandener Steuereingang, mit dem sich der Ausgangsstrom steuern laßt, hat vielfach keinen Bezug zum gemeinsamen Nullpunkt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Konstanstromquelle zu schaffen, die mit einer einfachen Spannungsversorgung betreibbar ist und deren Steuereingang und Lastausgang auf den Nullpunkt der Schaltung bezogen sind

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemaß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung naher erläutert

Es zeigen Fig 1 ein Schaltschema der erfindungsgemaßen Konstantstromquelle,

Fig 2 eine Variante, bei der der Laststrom von der Versorgungsspannung unabhängig ist, und

Fig 3 eine verbesserte Losung

In der Figur 1 ist mit +U_B der positive Pol der Spannungsversorgung zum Betrieb einer Konstantstromquelle 1 bezeichnet, mit GND der gemeinsame Nullpunkt An +U_B und GND sind auch eingangs- und ausgangsseitig vorhandene weitere Schaltungsteile, nämlich eine allenfalls vorhandene, in der Figur nicht gezeigte, Steuerschaltung und eine Schaltung mit einer Last, die mit dem Konstantstrom betrieben werden soll, anschließbar Diese Last ist in der Figur mit dem Bezugszeichen R bezeichnet

Eine erfindungsgemaße Konstantstromquelle 1 enthalt zwei Operationsverstärker, nämlich einen ersten Operationsverstärker Vi und einen zweiten Operationsverstärker V₂ An den nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi, wie üblich in der Figur mit einem "+" gekennzeichnet, liegt ein aus zwei Widerstanden R_1? R₂ gebildeter Eingangsspannungsteiler, der eine der vorteilhaften Ausgestaltungen für eine Eingangsschaltung darstellt Dessen erster Widerstand Ri ist zwischen den nicht invertierenden Eingang und dem positive Pol +U_B der Spannungsversorgung geschaltet, wahrend ein zweiter Widerstand R₂ zwischen dem nicht invertierenden Eingang und dem Nullpunkt GND liegt An diese bipolare Spannungsquelle mit dem positiven Pol +U_B und dem Nullpunkt GND sind erfindungsgemaß auch die beiden Operationsverstärker Vi und V₂ mit ihren Versorgungsspannungs- Anschlüssen angeschlossen, was in den Figuren wie üblich nicht gezeichnet ist Am nicht invertierenden Eingang liegt somit eine Eingangsspannung UE an, die durch die Große der Versorgungsspannung U_B und die Widerstände Ri und R₂ bestimmt wird Am Ausgang des ersten Operationsverstärkers Vi, an dem die Ausgangsspannung U_OAI herrscht, ist ein Ausgangswiderstand R₃ angeschlossen, dessen anderer Anschluß an einem Ausgang OUT der Konstantstromquelle 1 liegt, an den, wie in der Figur gezeigt, der Lastwiderstand R_L anschließbar ist Der Ausgang OUT führt eine Ausgangsspannung U_L

Zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers Vi und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V₂ liegt ein weiterer Widerstand R₄ Zwischen dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V₂ und dem Nullpunkt GND liegt ein weiterer Widerstand R₅ Die beiden Widerstände R_* und R5 bilden somit einen weiteren Spannungsteiler, nämlich den für den nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V₂ Weil er aber andererseits als Spannungsteiler für die am Ausgang des ersten Operationsverstärkers Vi liegende Spannung U_3AI wirkt, wird er hier als Ausgangsspannungsteiler bezeichnet

Zwischen dem Ausgang OUT und dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V₂ liegt ein weiterer Widerstand Rβ und zwischen dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers V₂ und dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers V₂ liegt ein weiterer Widerstand R₇ Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers V₂, der die Spannung

fuhrt, ist unmittelbar mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi verbunden Die

Widerstände Rβ und R bilden wiederum einen Spannungsteiler Weil er die Ruckkopplung der Ausgangsspannung U auf die beiden Operationsverstärker Vi, V₂ bewirkt, wird er hier als Ruckkopplungs-Spannungsteiler bezeichnet

Bei der zuvor beschriebenen erfindungsgemaßen Schaltung berechnet sich der Verstärkungsfaktor G_V2 des zweiten Operationsverstärker V₂ unter der Bedingung, daß die Widerstände R₅ und R₇ einerseits und die Widerstände Rt und R5 andererseits gleich groß sind, gemäß der folgenden Formel FI

Sind nun auch die Widerstände t und R₅ gleich groß, so hat der Verstärkungsfaktor G_V2 des zweiten Operationsverstärker V₂ den Wert 1

Die Ausgangsspannung UOAI des zweiten Operationsverstärkers V₂ ergibt sich nach der Formel F2

U_aA1 = {U_aΛλ - U_L) * G_v2 (F2)

Die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers Vi ergibt sich nach der Formel F3

^, = (f _t -^)* G_κl (F3)

Bei der erfindungsgemaßen Schaltung ist der Verstärkungsfaktor G_Vι sehr groß, was zur Folge hat, daß eine sehr kleine Differenz der Eingangsspannung U_E und der

Ausgangsspannung U__A2 des zweiten Operationsverstärkers V₂ zu einer sehr großen Ausgangsspannung U_OAI des ersten Operationsverstärkers Vi fuhrt Sie wurde an sich großer als die Eingangsspannung U_E Weil dann aber die Ausgangsspannung U_{a 2} großer als die Eingangsspannung U wäre, ergäbe sich nach der Formel F3 eine negativer Wert Ein Gleichgewicht ergibt sich damit, wenn die Eingangsspannung U_E und die

Ausgangsspannung U___A2 gleich groß sind Daraus folgt unter Berücksichtigung der Formel F2, daß (UOA, - U_L) = U_E I G_V2 gilt Außerdem gilt, daß I_L * R₃ gleich U_OAI - U_L ist, so daß das Produkt von Ausgangsstrom 1_L und Widerstand R₃ gleich dem Quotienten aus Eingangsspannung U_E und Verstärkungsfaktor Gv₂ ist Daraus ergibt sich der Laststrom I nach der Formel F4 als

I_L = ^UE (F4)

Damit wird erfindungsgemaß erreicht, daß der Laststrom I_L nicht von der Große des Lastwiderstands R_L abhangt

Wenn die Versorgungsspannung U_B den Wert 12 Volt aufweist, der Widerstand Ri den Wert 10 kOhm und der Widerstand R₂ den Wert 2 kOhm besitzt, so betragt die Spannung U_t gemäß der Formel F5

2 Volt

Der Laststrom I_L berechnet sich nach

U E

G *R

Hat der Widerstand R^ den Wert 100 Ohm, so betragt der Laststrom 20 mA Dieser Strom fließt auch durch den Lastwiderstand R_L und zwar auch dann, wenn der Lastwiderstand den Wert Null hatte Der maximale Wert des Lastwiderstands darf etwa 300 Ohm betragen Dann nämlich betragt die Ausgangsspannung UO_AI des ersten Operationsverstärkers Vi gemäß der Formel

8 Volt, ein Wert, der bei einer Versorgungsspannung von 12 Volt noch tragbar ist

Die Widerstände t, R₅, R_Ö und R₇ weisen vorteilhaft je den Wert von 100 kOhm auf Als Operationsverstärker Vi, V₂ werden vorteilhaft die preisgünstigen Typen LM324 oder LM358 verwendet

In der Figur 2 ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel gezeigt Die Schaltung nach der Figur 2 weicht nur in einem Punkt vom zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel ab Anstelle des Widerstands R₂ ist hier eine Zenerdiode vorhanden Diese Variante hat den Vorteil, daß der konstante Strom I_L von der Hohe der Versorgungsspannung U_B unabhängig ist Beim zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel ist der Strom I gemäß Formel F4 von der Spannung U_E abhangig und diese wiederum gemäß Formel F5 von der Versorgungsspannung U_B

In der Figur 3 ist ein nochmals verbessertes Ausführungsbeispiel gezeigt Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 besteht die Änderung darin, daß an die Stelle des aus den Widerstanden Ri und R₂ gebildeten Eingangsspannungsteilers ein Schaltungsteil mit einer einstellbaren Spannung tritt Dieses Schaltungsteil wird gebildet von einem Festwiderstand R_F, einem veränderbaren Widerstand Rv und einem integrierten Spannungsregler Reg Der Spannungsregler Reg ist einerseits an die Versorgungsspannung U_B angeschlossen, andererseits über den veränderbaren Widerstand R an den gemeinsamen Nullpunkt GND Vom Verbindungspunkt des veränderbaren Widerstands Rv am Spannungsregler Reg führt der Festwiderstand R_F zum Ausgang A des Spannungsreglers Reg und dieser ist mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi verbunden Die am nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers Vi anliegende Spannung U_E ist sehr stabil, solange die Versorgungsspannung U_B mindestens 3 Volt hoher ist als diese Mit Hilfe des veränderbaren Widerstands Rv ist die gewünschte Spannung und damit, wie zuvor gezeigt, der Strom I_L einstellbar Der integrierte Spannungsregler Reg ist vorteilhaft ein Baustein des Typs LM317

Claims

Patentanspruche

1 Konstantstromquelle mit mindestens einem Operationsverstärker, der an einer Versorgungsspannung U_B betrieben wird, die an ihrem Ausgang einen vom daran angeschlossenen Lastwiderstand unabhängigen Strom liefert, dadurch gekennzeichnet, - daß die Versorgungsspannung U_B eine bipolare Versorgungsspannung mit einem positiven Pol (+U_B) und einem gemeinsamen Nullpunkt (GND) ist,

- daß sie neben einem ersten Operationsverstärker (Vi) einen zweiten Operationsverstärker (V₂) aufweist,

- daß mittels einer an die Versorgungsspannung U_B angeschlossenen Eingangsschaltung (Ri, R₂, Ri, Z, Reg, R_F, Rv) eine Eingangsspannung (U_E) erzeugbar ist, die dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Vi) zuführgeführt wird,

- daß der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (Vi) über einen Ausgangswiderstand (R₃) mit dem Ausgang (OUT) verbunden ist, an den der Lastwiderstand (R_L) anschließbar ist,

- daß der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (Vi) über einen Ausgangsspannungsteiler, der aus weiteren Widerstanden (R_t, R₅) gebildet ist, mit dem gemeinsamen Nullpunkt (GND) verbunden ist, wobei der Schaltungspunkt zwischen dessen beiden Widerstanden (R₄, R₅) an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (V₂) angeschlossen ist,

- daß der Ausgang (OUT) der Konstantstromquelle (1) über einen Ruckkopp lungs- Spannungsteiler, der aus weiteren Widerstanden (R^, R₇) gebildet ist, mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (V₂) verbunden ist, wobei der Schaltungspunkt zwischen dessen beiden Widerstanden (Rό, R₇) an den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (V₂) angeschlossen ist, und

- daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (V₂) direkt mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Vi) verbunden ist

2. Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung aus einem aus einem ersten Widerstand (Ri) und einem zweiten Widerstand (R₂) gebildeten Eingangsspannungsteiler besteht, wobei der Verbindungspunkt der beiden Widerstände (Ri, R₂) mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Vi) verbunden ist

3. Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsschaltung besteht aus einem ersten Widerstand (Ri) und einer Zenerdiode (Z), wobei der Verbindungspunkt des Widerstands (Ri) und der Zenerdiode (Z) mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (Vi) verbunden ist.

4. Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Eingangsschaltung besteht aus einem integrierten Spannungsregler (Reg), der mit einem Festwiderstand (R_F) und einem veränderbaren Widerstands (R_v) beschaltet ist.

5. Konstantstromquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (Vi, V₂) integrierte Bausteine des Typs LM324 sind.

6. Konstantstromquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsverstärker (Vi, V₂) integrierte Bausteine des Typs LM358 sind.