DE3448087C2

DE3448087C2 -

Info

Publication number: DE3448087C2
Application number: DE3448087A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Shimonoseki Yamaguchi Jp Nagano
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1984-03-27
Publication date: 1992-03-05
Anticipated expiration: 2004-03-28
Also published as: DE3411303C2; DE3411303A1; US4652764A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spannungs/Stromwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 2.

Aus Europa-Fachbuchreihe, Elektronik, 1. Teil Grundlagenelektronik, Verlag Europa-Lehrmittel Nourney, Volmer & Co., Wuppertal, 5. Auflage, 1969, Seiten 296 bis 298 ist ein Spannungs/Stromwandler bekannt, der einen Rückkopplungswiderstand zwischen Ausgang und einen Eingang eines Operationsverstärkers hat, dessen anderer Eingang mit dem Eingang bzw. Ausgang des Spannungs/ Stromwandlers verbunden ist.

Eine Kombination aus einem elektrooptischen Wandlerelement und einem photoelektrischen Wandlerelement wird allgemein als Optokoppler bezeichnet. Ein Äquivalentschaltbild eines solchen Optokopplers ist in Fig. 1A oder Fig. 1B dargestellt. Bei der Äquivalentschaltung nach Fig. 1A wird ein Eingangsstrom I_F durch eine Leuchtdiode LD in ein entsprechendes Lichtsignal umgewandelt, das von einer Photodiode PD abgenommen und wieder in ein Stromsignal umgesetzt wird. Das umgesetzte Stromsignal wird dann durch einen Transistor QA verstärkt. Ein von der Kollektor-Emitterstrecke abgegebener Ausgangsstrom Ic wird als Ausgangsstrom des Optokopplers benutzt. In der Äquivalentschaltung nach Fig. 1B wird ein Eingangsstrom I_F durch eine Leuchtdiode LD in ein entsprechendes Lichtsignal umgewandelt, das von einem Phototransistor QP abgenommen wird. Ein Ausgangsstrom Ic des Optokopplers ist von der Kollektor/- Emitterstrecke des Transistors QP abnehmbar. In diesem Fall bestimmt sich der Ausgangsstrom Ic nach folgender Gleichung:

Darin bedeuten: K=Proportionalitätsfaktor, I_F′= Eingangsstrom (Bezugseingangsstrom), wenn der Proportionalitätsfaktor K gemessen wird, und n=Neigung der Kennlinie I_F=Ic, wenn diese logarithmisch ausgedrückt wird.

Die Kennlinien I_F=Ic von drei im Handel erhältlichen Optokopplern sind in den Fig. 2A bis 2C dargestellt. Dabei sind auf der Abszisse ein Eingangsstrom I_F und auf der Ordinate ein Ausgangsstrom Ic aufgetragen. Wie aus den Kennlinien hervorgeht, ist der Index n nicht über den gesamten Bereich des Eingangsstroms I_F konstant; er beträgt etwa 2 im Bereich eines kleinen Stroms (I_F<5 mA) und etwa 1 im Bereich eines großen Stroms (I_F<10 mA). Dies zeigt an, daß das Stromübernahmeverhältnis nicht-linear ist. Ein nicht-lineares Stromübernahmeverhältnis ist aber problematisch, wenn die Optokopplerschaltung z. B. in eine lineare Schaltung als Stromquelle zur Lieferung eines Ausgangsstroms, der genau einer Eingangsspannung entspricht, einbezogen wird.

Es ist ein mit dem genannten Optokoppler versehener Spannungs/Stromwandler einer solchen Auslegung bekannt, daß dieser einen einer Eingangsspannung entsprechenden Strom liefert. Aufgrund der Verwendung eines nicht-linearen Optokopplers kann dieser Wandler keinen Ausgangsstrom liefern, welcher der Eingangsspannung genau proportional ist. Bei diesem Wandler hängt die Polarität des Ausgangsstroms ebenfalls von der Stromspiegelschaltung der Ausgangsstufe ab. Hierdurch wird, wie bei der Stromquellenschaltung, die Entwurfs- oder Konstruktionsfreiheit der Schaltung eingeschränkt.

Aus J. Marcus "Electronic Circuits Manual", USA, 1971, Seiten 319 und 527 sind ein Infrarot-Nachrichtensender und ein Empfänger hierzu bekannt. Beim Infrarot-Nachrichtensender ist ein Transistor vorgesehen, der mit einem Widerstand am Emitter verbunden ist. Ein elektrooptischer Wandler wandelt den durch den Widerstand gelieferten Strom in ein optisches Signal um. Ein opto- bzw. photoelektrischer Wandler wandelt das optische Signal in ein Stromsignal um und gibt einen Ausgangsstrom ab.

Weiterhin ist aus Tietze/Schenk: "Halbleiter-Schaltungstechik", Springer-Verlag, 1974, Seiten 102-105, 218, 219 und 668 bis 673, bekannt, daß bei einem in Kollektorschaltung betriebenen Transistor die Spannungsverstärkung gleich eins ist, so daß wegen des durch einen Widerstand bedingten linearen Zusammenhangs zwischen dem durch den Widerstand fließenden Strom und der Ausgangsspannung auch dieser vom Widerstand gelieferte Strom proportional zur Eingangsspannung ist. Auch ist die Leuchtdichte von Leuchtdioden über einen weiten Bereich zum Durchlaßstrom proportional, und auch ein Fototransistor stellt ein lineares Bauelement dar.

Aus der GB 15 33 072 ist die Rückkopplung der Ausgangssignale von optoelektrischen und elektrooptischen Wandlern bekannt.

Weiterhin ist aus Walcher, H.: "Erweiterung der Anwendbarkeit von Photowiderständen durch ein neuartiges Kompensationsverfahren", in: Internationale Elektronische Rundschau 1968, Nr. 4, Seiten 88 bis 92, bekannt, daß bei Schaltungen mit Photohalbleitern eine lineare Beziehung zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße besteht. Die bekannten Schaltungen haben einen einfachen Aufbau, und die Polarität des Ausgangsstrom ist infolge des potentialfreien Ausgangs ohne weiteres frei wählbar.

Schließlich ist aus K. Kock: "Photonengekoppelte Isolatoren" in "Internationale Elektronische Rundschau", 1968, Nr. 3, Seiten 74, 75 eine Schaltung mit einer sehr guten Linearität bekannt, bei der infolge eines vom Eingangspotential unabhängigen Ausgangspotentials die Polarität des Ausgangsstroms frei wählbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Spannungs/ Stromwandlers, bei dem eine lineare Beziehung zwischen der Eingangsspannung und dem Ausgangsstrom über einen weiten Betriebsbereich besteht, einen einfachen Aufbau besitzt und bei welchen die Polarität des Ausgangsstroms frei wählbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Spannungs/Stromwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teile enthaltenen Merkmale gelöst.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B Äquivalentschaltbilder bisheriger Optokopplerschaltungen,

Fig. 2A bis 2C graphische Darstellungen der Eingangs/ Ausgangsstrom-Kennlinien der Optokoppler,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Spannungs/Stromwandlers,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Teils der Schaltung nach Fig. 3,

Fig. 5 und 6 Schaltbilder von Abwandlungen der Schaltung nach Fig. 4 in der Weise, daß ein Ausgangsstrom abnehmbar ist,

Fig. 7 ein Schaltbild einer vereinfachten Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 3.

Fig. 8 und 9 Schaltbilder von Abwandlungen des Spannungs/ Stromwandlers nach Fig. 3 in der Weise, daß er eine Impulswandlerfunktion besitzt,

Fig. 10 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spannungs/Stromwandlers,

Fig. 11 ein Schaltbild einer Versuchsschaltungsanordnung für die Schaltung nach Fig. 10,

Fig. 12 eine graphische Darstellung einer Eingangs/- Ausgangsstrom-Kennlinie für die Versuchsschaltung nach Fig. 11 und

Fig. 13 ein Schaltbild eines Spannungs/Stromwandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 veranschaulicht einen Spannungs/Stromwandler, in welchen eine Schaltung mit Optokopplern einbezogen ist. Ein Eingangskreis aus einem Operationsverstärker OPin ist an der nichtinvertierenden Eingangsklemme (+) mit der Eingangsspannung Vin über die Schaltungseingangsklemme IN verbunden. Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers OPin ist mit der Basis eines Strom/Spannung-Wandler- NPN-Transistors QT in Emitterfolgerschaltung angeschlossen, bei dem der Emitter über einen Widerstand RT für Spannung/Strom-Umwandlung an Masse liegt. Der Emitter des Transistors QT ist auch an die invertierende Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers OPin angeschlossen. Der Kollektor des Transistors QT ist mit dem Potential +VC über eine Leuchtdiode LDO im Ausgangs- Optokoppler PCO verbunden. Die Leuchtdiode LDO ist an der Anode mit +VC und an der Kathode mit dem Kollektor des Transistors QT verbunden. Die Licht/Strom- Wandlerschaltung des Ausgangs-Optokopplers PCO umfaßt eine Photodiode PDO und einen NPN-Transistor QAO zur Stromverstärkung. Die Kathode der Photodiode PDO liegt an +VC, und ihre Anode ist mit der Basis des NPN- Transistors QAO verbunden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Emitter des NPN-Transistors QAO an die Klemme 12 angeschlossen. Sein Kollektor ist mit der Ausgangsklemme OUT verbunden. Der Ausgangsstrom Iout fließt zur Kollektor-Emitterstrecke des NPN-Transistors QAO. Tatsächlich ist jedoch der Emitter des NPN-Transistors QAO z. B. an Masse gelegt, während sein Kollektor über eine entsprechende Last mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden ist. Über diese Last fließt der Ausgangsstrom Iout zur Kollektor- Emitterstrecke des NPN-Transistors QAO.

Bei der obigen Schaltungsanordnung ist der Emitter des Transistors QT mit der invertierenden Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers OPin verbunden. Das Emitterpotential entspricht daher praktisch der Eingangsspannung Vin. Außerdem ist die Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers OPin sehr groß. Infolgedessen fließt ein äußerst kleiner bzw. vernachlässigbarer Strom zur Schaltungseingangsklemme IN. Der Emitterstrom des Transistors QT ist dem über den Widerstand RT fließenden Strom IRT gleich. Infolgedessen entspricht der Kollektorstrom Ic1 des Transistors QT:

Darin bedeuten: R_T=Widerstandswert des Widerstands RT, α=Basisschaltung-Stromverstärkungsfaktor und Vos= Verschiebespannung des Operationsverstärkers OPin. Im Idealfall gelten für die Schaltung gemäß Fig. 3 α=1, Vos=0, und der Kollektorstrom Ic1 entspricht:

Ic1=Vin/R_T (2)

Der Kollektorstrom Ic1 ist der Eingangsspannung Vin proportional.

Bei Betrachtung nur des Ausgangs-Optokopplers PCO in der Schaltung gemäß Fig. 3 bestimmt sich der Kollektorstrom des NPN-Transistors QAO durch:

In obiger Gleichung bedeuten: I_F=Eingangsstrom zur Leuchtdiode LDO als elektronisches Wandlerelement, K= Proportionalitätsfaktor und I_FO=Eingangsstrom (Bezugseingangsstrom) zur Leuchtdiode LDO, wenn der Faktor K gemessen wird; der Index n gibt die Neigung der Kennlinie I_F-Icp bei Auftragung derselben in einer logarithmischen Graphik an. Da die Schaltung gemäß Fig. 4 eine ideale Schaltung ist, gilt n=1 und K/I_FO=1. Hieraus ergibt sich:

Ic2=I_F (4)

Hierdurch wird aufgezeigt, daß ein Kollektorstrom Ic2, der dem zur Leuchtdiode LDO fließenden Eingangsstrom I_F gleich ist, an der Ausgangsklemme OUT des Ausgangs- Optokopplers PCO erscheint. In diesem Fall ergibt sich der Ausgangsstrom Iout bei der Schaltung gemäß Fig. 3 zu:

Diese Gleichung belegt, daß ein der Ausgangsspannung Vin proportionaler Ausgangsstrom Iout an der Ausgangsklemme OUT erscheint.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 ist die photoelektrische Wandlerschaltung als Ausgangssystem von der elektrooptischen Wandlerschaltung als Eingangssystem elektrisch getrennt. Dieses Merkmal erlaubt die Einstellung des Potentials des Ausgangsstroms auf eine beliebige gewünschte Größe.

Die Schaltungen gemäß Fig. 5 und 6 entsprechen den Optokopplern gemäß Fig. 3 und 4, die so abgewandelt sind, daß sie tatsächlich den Ausgangsstrom Iout (Ic2) liefern. Gemäß Fig. 5 ist der Kollektor des Transistors QAD über einen Lastwiderstand RL mit dem Potential +VC verbunden, während sein Emitter an Masse liegt. Bei der Schaltung gemäß Fig. 6 liegt der Kollektor des Transistors QAD an Masse, während sein Emitter über den Lastwiderstand RL mit dem Potential -VE verbunden ist.

Bei der Schaltung nach Fig. 5 fließt der Ausgangsstrom Iout von +VC zu Masse. Bei der Schaltung nach Fig. 6 ist der Strom von Masse zu -VE gerichtet. Bei den Schaltungen nach Fig. 5 und 6 besitzen die Ausgangsströme Iout einander entgegengesetzte Polarität.

Fig. 7 veranschaulicht eine Abwandlung des Spannungs/- Stromwandlers gemäß Fig. 3. Dabei ist der in der Schaltung nach Fig. 3 verwendete Operationsverstärker OPin zur Vereinfachung des Schaltungsaufbaus weggelassen. Die Eingangsspannung Vin wird an die Basis des Transistors QT angelegt. Bei dieser Schaltung beträgt das Emitterpotential des Transistors QT für Spannung/Strom-Umwandlung Vin-VBE, mit VBE=Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors QT. Der Kollektorstrom Ic1 des Transistors QT entspricht somit:

Wenn die Spannung VBE wesentlich kleiner ist als die Eingangsspannung Vin, und wenn der Basisschaltung- Stromverstärkungsfaktor α=1 oder ungefähr 1 ist, läßt sich Gleichung (6) umschreiben zu:

Die obige Gleichung (7) entspricht der Gleichung (2). Von allen hier bisher beschriebenen Spannungs/Stromwandlern besitzt diese Schaltung den einfachsten Aufbau. Der mit der Basis des Transistors QT verbundene Eingangskreis läßt sich je nach seinem Anwendungszweck vielseitig auslegen. Beispielsweise kann er ein Operationsverstärker wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sein. Wahlweise kann der Operationsverstärker weggelassen und die Eingangsspannung Vin, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7, an die Basis des Transistors QT angelegt werden.

Fig. 8 ist eine Anwandlung des Wandlers gemäß Fig. 7. Diese Abwandlung besitzt eine Impedanzwandlerfunktion. In dieser Schaltungsanordnung ist der Emitter des NPN-Transistors QAO mit Masse verbunden, während sein Kollektor (der Schaltungsausgang OUT bei der Schaltung nach Fig. 7) an die Basis des Transistors QT (d. h. die Schaltungseingangsklemme IN) angeschlossen ist.

Wenn beim Ausgangs-Optokoppler PCO der Schaltung gemäß Fig. 7 in Gleichung (3) n≃1 und K≠1 gilt, bestimmt sich der Strom Ic2, als Ausgangsstrom Iout, der zum Kollektor des NPN-Transistors QAO im Ausgangssystem fließt, durch:

Ic2=KI_F

Wenn der über den Widerstand RT fließende elektrische Strom mit IRT bezeichnet wird und der Basisstrom über den Transistors QT vernachlässigbar ist, bestimmt sich der Strom Ic2 zu:

Ic2=KI_RT

Bei der Schaltung gemäß Fig. 8 beträgt der Emitterstrom IRC des Transistors QT Vin/RT, und der zur Schaltungseingangsklemme IN fließende Strom Iin ist ungefähr gleich dem Kollektorstrom Ic2 des NPN-Transistors QAO im Ausgangs-Optokoppler PCO. In diesem Fall ergibt sich:

Wenn die Ausgangsklemme OUT bei der Schaltung nach Fig. 7 an die Basis des Transistors QT, d. h. die Schaltungseingangsklemme IN, angeschlossen ist, der zur Ausgangsklemme fließende Strom zur Schaltungseingangsklemme IN rückgekoppelt wird und der Emitter des Transistors QT als Ausgangsklemme OUT benutzt wird, beträgt die Eingangsimpedanz Zin der Schaltung nach Fig. 8:

Wie aus Gleichung (7) hervorgeht, hängt die Eingangsimpedanz Zin vom Widerstandswert des Widerstands RT und vom Proportionalitätsfaktor K des Ausgangs-Optokopplers PCO ab.

Fig. 9 veranschaulicht eine Abwandlung der Schaltung gemäß Fig. 8, bei welcher ein zusätzlicher Optokoppler vorgesehen ist. Wie dargestellt ist, sind zwei Leuchtdioden LDO1 und LDO2 zwischen dem Kollektor des Transistors QT und dem Potential +VC angeordnet. Eine photoelektrische Wandlerschaltung aus einer Photodiode PDO1 und einem NPN-Transistor QAO1 sowie eine photoelektrische Wandlerschaltung aus einer Photodiode PDO2 und einem NPN-Transistor QAO2 sind parallel zwischen Eingangsklemme und Masse geschaltet. Bei dieser Anordnung wird der Kollektorstrom des Transistors QT über ein Paar Optokoppler rückgekoppelt. Diese Schaltung dient als Impedanzwandlerschaltung, bei welcher die Eingangsimpedanz RT/2K und die Ausgangsimpedanz RC betragen.

Bei den Schaltungen gemäß Fig. 3 bis 9 ist die Kennlinie des Optokopplers im wesentlichen linear und ideal. Tatsächlich, d. h. in der Praxis, ist jedoch die Kennlinie des Optokopplers nicht-linear. Insbesondere beträgt der Index n in der eingangs angegebenen Gleichung ungefähr 2 in dem Bereich, in welchem der Eingangsstrom I_F klein, üblicherweise kleiner als 5 mA ist. Der Index n beträgt etwa 1 in dem Bereich, in welchem der Eingangsstrom I_F groß ist und üblicherweise 10 mA beträgt.

Die Schaltung gemäß Fig. 10 entspricht dem Spannung/Stromwandler gemäß Fig. 6 mit der Abwandlung, daß sie eine nicht-lineare Kompensierfunktion besitzt. Gemäß Fig. 10 sind zwei Optokoppler gleicher Kennlinien zum Kompensieren der Nicht-Linearität vorgesehen.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 10 ist der Kollektor des Transistors QT über den photoelektrischen Wandlerkreis des Stromsteuer-Optokopplers PCC, d. h. ein Schaltkreis aus Photodiode PDC und NPN-Transistor QAC mit dem Potential +VC verbunden. Außerdem ist dieser Kollektor an die Basis des NPN-Transistors QC angeschlossen. Der Emitter des Transistors QT liegt über den Widerstand RT an Masse. Die Eingangsspannung Vin wird über die Schaltungseingangsklemme IN an die Basis des Transistors QT angelegt. Der Kollektor des Transistors QC ist mit dem Potential -VE verbunden, während sein Emitter über den Widerstand RC, die Leuchtdiode LDO im Ausgangs-Optokoppler PCO und die Leuchtdiode LDC des Steuer-Optokopplers PCC am Potential +VC liegt. Der Ausgangsstrom Iout wird vom Ausgangstransistor QAO aus der Photodiode PDO und dem Transistor QAO im photoelektrischen Wandlerkreis des Ausgangs-Optokopplers PCO abgenommen.

Bei dieser Schaltung bildet ein den Steuer-Optokoppler PCC und den NPN-Transistor QC enthaltender Schaltungsblock einen nicht-linearen Kompensierkreis zum Ausgleichen der Nicht-Linearität des Ausgangs-Optokopplers PCO. Dieser, eine Rückkopplungsschleife bildende Kompensierkreis wirkt in der Weise, daß der Ausgangsstrom Iout des Ausgangs- Optokopplers PCO gleich dem über die Kollektor-Emitterstrecke des NPN-Transistors QAC fließenden Strom wird. Es sei angenommen, daß bei den Optokopplern PCO und PCC bei Zufuhr des Bezugsstroms I_FO zu ihren Leuchtdioden LDO und LDC die Proportionalitätsfaktoren und die Indizes K11 bzw. K12 und n11 bzw. n12 sind. Die über die Ausgangstransistoren QAO und QAC der Optokoppler PCO und PCC fließenden Ströme Ic11 und Ic12 sind folgende:

In obigen Gleichungen stehen IF11 und IF12 für die in den elektronischen Wandlerelementen LDC bzw. LDO fließenden Ströme. Diese Ströme sind gleich groß und entsprechen damit der Beziehung:

I_F11=I_F12 (9)

Durch Umordnung der Gleichungen (8) unter dieser Bedingung ergibt sich:

Weiterhin gilt:

Ic12=Vin/R_T
Ic11=Iout (11)

Wenn die Optokoppler PCO und PCC praktisch gleiche Charakteristika besitzen, d. h. n11=n12 und K11=K12, läßt sich Gleichung (10) umschreiben zu:

Ic11=Ic12

Der Ausgangsstrom Iout entspricht daher folgender Beziehung:

Iout=Vin/R_T (12)

Wie aus Gleichung (12) hervorgeht, kann die Schaltung gemäß Fig. 10 unabhängig von den Kennlinien der Optokoppler PCO und PCC einen Ausgangsstrom Iout liefern, welcher der Eingangsspannung Vin proportional ist.

Fig. 11 veranschaulicht eine Versuchsschaltung für die Schaltung gemäß Fig. 10. Für die Optokoppler PCO und PCC wurde dabei ein Bauelement verwendet, bei dem ein Optokopplerpaar in einer einzigen Packung eingegossen ist. Der Transistor QC ist ein NPN-Transistor. Die Widerstände RT und RC besitzen Werte von 1 Kiloohm bzw. 100 Ohm. Der Ausgangstransistor QAO des Optokopplers PCE ist über ein Amperemeter AM mit einer zweiten Stromquellenspannung VCC3 verbunden. Die Potentiale +VC und -VE betragen +15 V bzw. -15 V. In der graphischen Darstellung von Fig. 12 gibt die ausgezogene Linie die Eingangs/Ausgangsstrom- Kennlinie für eine Änderung der Eingangsspannung Vin von 0 V auf 10 V an. Die gestrichelte Linie steht für die ideale Kennlinie. Ein maximaler Fehler innerhalb des Meßbereiches beträgt etwa 8% in der Nähe von Vin=5 V. Dieser Wert zeigt an, daß die Nicht- Linearität des Optokopplers bei der Schaltung gemäß Fig. 10 im wesentlichen korrigiert ist.

Bei dem weiteren Spannungs/Stromwandler gemäß Fig. 13 sind zwei Schaltungen der Art gemäß Fig. 10 symmetrisch zusammengeschaltet. In Abhängigkeit von einer Differenzeingangsspannung ΔVin liefert diese Schaltung Ausgangsströme +i und -i. In den beiden Spannungs/ Strom-Wandlersystemen bei dieser Schaltung sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, im einen System jedoch mit einem angehängten Indexstrich. Da diese Systeme jeweils in genau gleicher Weise arbeiten, braucht nur eines dieser Systeme beschrieben zu werden. Im Spannungs/Strom- Wandlersystem ist ein Operationsverstärker OPin (OPin′) als Eingangskreis vorgesehen. Über eine Schaltungseingangsklemme IN (IN′) wird eine Spannung Vin⁺ (Vin^-) an die nicht-invertierende Eingangsklemme (+) des Operationsverstärkers OPin (OPin′) angelegt. Die invertierende Eingangsklemme (-) des Operationsverstärkers OPin (OPin′) ist an den Emitter des Transistors QT (QT′) angeschlossen. Die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers OPin (OPin′) ist mit der Basis des Transistors QT (QT′) verbunden. Eine einen Strom I liefernde Konstantstromquelle CS1 (CS1′) ist zwischen den Emitter des Transistors QT (QT′) und die negative Versorgungsspannung -VE geschaltet. Eine weitere Konstantstromquelle CS2 (CS2′) zur Lieferung des Stroms I ist zwischen dem Transistor QAO (QAO′) und einem Potential -VE angeordnet. Ein Widerstand RT für Spannungs/Strom-Umwandlung ist zwischen die Emitter der Transistoren QT und QT′ geschaltet. Ein Optokoppler PCC (PCC′), ein Transistor QC (QC′) zur Begrenzung des Stroms bilden im Zusammenwirken miteinander einen Schaltkreis zum Kompensieren der Nicht-Linearität des Ausgangs- Optokopplers PCO (PCO′). Der Schaltungs-Ausgangsstrom Iout (Iout′) wird vom Emitter des Transistors QAO (QAO′) über die Ausgangsklemme OUT (OUT′) abgenommen. Spannungen Vin⁺ und Vin^- werden differentiell an die nicht- invertierenden Eingangsklemmen der Operationsverstärker OPin bzw. OPin′ angelegt. Die Potentiale an den invertierenden Eingangsklemmen (-) der Operationsverstärker OPin und OPin′ werden daher jeweils gleich Vin⁺ bzw. Vin^-. Demzufolge fließt ein noch zu beschreibender Strom i in den Widerstand RT für Spannung/Strom-Umwandlung. Ein Strom (I+i) ((I-i)), mit I=Strom der Konstantstromquelle CS1 (CS1′), fließt über den Kollektor des Transistors QT (QT′). Der Strom (I+i) ((I-i)) wird zur Kollektor- Emitterstrecker des Transistors QAO (QAO′) über den elektrooptischen Wandlerkreis und dem photoelektrischen Wandlerkreis in den Optokopplern PCC und PCO (PCC′ und PCO′) übertragen. Der Strom (I+i) fließt im Nebenschluß zur Ausgangsklemme OUT und zur Seite der Konstantstromquelle CS2. Der Strom +i wird an der Ausgangsklemme OUT ausgegeben. Auf ähnliche Weise fließt der Strom (I-i) zur Ausgangsklemme OUT′ und zur Konstantstromquelle CS2′. Der Schaltungs-Ausgangsstrom -i wird an der Ausgangsklemme OUT′ ausgegeben. Auf diese Weise liefert die Schaltung gemäß Fig. 13 zwei Ströme +i und -i entgegengesetzter Polarität.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, wird mit der Erfindung ein Spannungs/Stromwandler, bei welchem Eingangs- und Ausgangsstrom proportional aufeinander bezogen sind, oder bei welchem die Polarität des Ausgangsstroms beliebig gewählt werden kann, geschaffen.

Claims

1. Spannungs/Stromwandler mit:

- einer ersten Spannungs/Stromwandlerschaltung mit einem ersten Transistor (QT), dessen Basis mit einer Eingangsspannung beaufschlagt ist, und einem ersten Widerstand (RT), der zwischen dem Emitter des ersten Transistors (QT) und einem Bezugspotential liegt und durch den ein elektrischer Strom proportional zu der Eingangsspannung fließt,

gekennzeichnet durch:

- eine zweite Spannungs/Stromwandlerschaltung mit einem zweiten Transistor (QC), dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors (QT) und dessen Kollektor einer negativen Spannungsquelle verbunden sind, und einem zweiten Widerstand (RC), dessen einer Anschluß an den Emitter des zweiten Transistors (QC) angeschlossen ist,
- eine elektrooptische Umwandlereinrichtung (LDc, LDo), die zwischen einer positiven Spannungsquelle und dem anderen Anschluß des zweiten Widerstandes (RC) liegt, um einen durch den zweiten Widerstand (RC) fließenden elektrischen Strom in ein optisches Signal umzusetzen,
- eine erste optoelektrische Umwandlereinrichtung (PDo, QAo) zum Umsetzen des optischen Signales der elektrooptischen Umwandlereinrichtung (LDc, LDo) in ein elektrisches Signal und zum Ausgeben des umgesetzten elektrischen Signales und
- eine zweite optoelektrische Umwandlereinrichtung (PDc, QAc), die zwischen der positiven Spannungsquelle und dem Kollektor des ersten Transistors (QT) liegt, um das optische Signal der elektrooptischen Umwandlereinrichtung in ein elektrisches Signal umzusetzen und um zusammen mit der zweiten Spannungs/Stromumwandlereinrichtung eine Kompensationsschaltung zum Kompensieren der Nichtlinearität der ersten optoelektrischen Umwandlereinrichtung (PDo, QAo) zu bilden (Fig. 10).

2. Spannungs/Stromwandler mit:

- einem ersten Verstärker (OPin), dessen nichtinvertierender Eingangsanschluß mit einer ersten Eingangsspannung einer Polarität beaufschlagt ist,
- einer ersten Spannungs/Stromwandlerschaltung mit einem ersten Transistor (QT), dessen Basis an einen Ausgangsanschluß des ersten Verstärkers (OPin) angeschlossen ist und dessen Emitter an einen invertierenden Eingangsanschluß des ersten Verstärkers (OPin) und an eine negative Spannungsquelle über eine erste Stromquelle angeschlossen ist, und einem ersten Widerstand (RT), dessen einer Anschluß mit dem Emitter des ersten Transistors (QT) verbunden ist,
- einem zweiten Verstärker (OPin′), dessen nichtinvertierender Eingangsanschluß mit einer zweiten Eingangsspannung einer zur Polarität der ersten Eingangsspannung entgegengesetzten Polarität beaufschlagt ist, und
- einer zweiten Spannungs/Stromwandlerschaltung mit einem zweiten Transistor (QT′), dessen Basis mit einem Ausgangsanschluß des zweiten Verstärkers (OPin′) verbunden ist und dessen Emitter an einen invertierenden Eingangsanschluß des zweiten Verstärkers (OPin′), an eine negative Spannungsquelle über eine zweite Stromquelle und an den anderen Anschluß des ersten Widerstandes (RT) angeschlossen ist,

gekennzeichnet durch

- eine dritte Spannungs/Stromwandlerschaltung mit einem dritten Transistor (Qc), dessen Basis an den Kollektor des ersten Transistors QT) und dessen Kollektor an eine negative Spannungsquelle angeschlossen sind, und einem zweiten Widerstand (Rc), dessen einer Anschluß mit dem Emitter des dritten Transistors (Qc) verbunden ist,
- eine erste elektrooptische Umwandlereinrichtung (LDo), die zwischen einer positiven Spannungsquelle und dem anderen Anschluß des zweiten Widerstandes (Rc) liegt, um einen durch den zweiten Widerstand (Rc) fließenden elektrischen Strom in ein optisches Signal umzusetzen,
- eine erste optoelektrische Umwandlerschaltung (PCo), die zwischen der negativen und der positiven Spannungsquelle liegt, um das optische Signal der ersten elektrooptischen Umwandlereinrichtung in ein elektrisches Signal umzusetzen und das umgesetzte elektrische Signal abzugeben,
- eine zweite optoelektrische Umwandlerschaltung (PCc), die zwischen der positiven Spannungsquelle und dem Kollektor des ersten Transistors (QT) liegt, um das optische Signal der ersten elektrooptischen Umwandlereinrichtung in ein elektrisches Signal umzusetzen und um zusammen mit der dritten Spannungs/Stromwandlereinrichtung eine Kompensationsschaltung zum Kompensieren der Nichtlinearität der ersten optoelektrischen Umwandlereinrichtung (PCo) zu bilden,
- eine vierte Spannungs/Stromwandlerschaltung mit einem vierten Transistor (Qc′), dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors (QT′) und dessen Kollektor mit der negativen Spannungsquelle verbunden sind, und einem dritten Widerstand (Rc′), dessen einer Anschluß an einen Emitter des vierten Transistors (Qc′) angeschlossen ist,
- einer zweiten elektrooptischen Umwandlereinrichtung (LDo′), die zwischen der positiven Spannungsquelle und dem anderen Anschluß des dritten Widerstandes liegt, um einen durch den dritten Widerstand fließenden elektrischen Strom in ein optisches Signal umzusetzen,
- eine dritte optoelektrische Umwandlerschaltung (PCo′), die zwischen der negativen und der positiven Spannungsquelle liegt, um das optische Signal der zweiten elektrooptischen Umwandlereinrichtung in ein elektrisches Signal umzusetzen und das umgesetzte elektrische Signal auszugeben, und
- eine vierte optoelektrische Umwandlerschaltung (PCc′), die zwischen der positiven Spannungsquelle und dem Kollektor des zweiten Transistors liegt, um das optische Signal der zweiten elekttrooptischen Umwandlereinrichtung in ein elektrisches Signal umzusetzen und um zusammen mit der vierten Spannungs/Stromwandlereinrichtung eine Kompensationsschaltung zum Kompensieren der Nichtlinearität der dritten optoelektrischen Umwandlereinrichtung (PCo′) zu bilden (Fig. 13).