DE4211980C1 - Current-voltage converter for measuring appts. - has parallel electronic circuit paths acting as voltage divider and regulated voltage divider with centre tap-offs providing positive and negative output voltage nodes - Google Patents
Current-voltage converter for measuring appts. - has parallel electronic circuit paths acting as voltage divider and regulated voltage divider with centre tap-offs providing positive and negative output voltage nodesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Bürdenstrom-belastbaren Strom/Spannungswandler ohne Hilfsenergieversorgung zum Wandeln von Signalströmen in dazu proportionale Signalspannungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention is based on a current / voltage converter which can be subjected to a load current without auxiliary power supply for converting signal currents into signal voltages proportional to the Preamble of claim 1.
In der Meßtechnik ist es gelegentlich erforderlich, Signalströme in dazu proportionale Signalspannungen unter Verschiebung des Signalspannungsbereiches um einen konstanten Offset zu wandeln. Letzteres bedeutet ganz allgemein, daß ein Signalstrom mit einem Signalbereich von z. B. 0 bis 10 mA in eine Signalspannung mit einem Signalbereich von z. B. -5 V bis +5 V gewandelt wird. Durch den konstanten Offset wird also beispielsweise ein unsymmetrisches Stromsignal in ein symmetrisches Spannungssignal gewandelt. Ein typischer Anwendungsfall ist die Wandlung von sogenannten Live-zero-Signalströmen in sogenannte Non-live-zero- Signalspannungen. Live-zero-Signalströme weisen einen Signalbereich von vorzugsweise 4 bis 20 mA auf. Bei deren Wandlung in Non-live-zero-Signalspannungen müssen diese Ströme in eine Spannung von 0 V bis beispielsweise 10 V gewandelt werden.In measurement technology, it is occasionally necessary to add signal currents proportional signal voltages while shifting the signal voltage range to convert a constant offset. The latter means in general that a signal stream with a signal range from Z. B. 0 to 10 mA in a signal voltage with a signal range from Z. B. -5 V to +5 V is converted. Due to the constant offset So, for example, an unbalanced current signal becomes a symmetrical one Voltage signal converted. A typical application is Conversion of so-called live zero signal streams into so-called non-live zero Signal voltages. Live zero signal streams have a signal area from preferably 4 to 20 mA. When converting them into non-live zero signal voltages these currents have to be in a voltage from 0 V to for example 10 V can be converted.
Weiterhin ist es in der Meßtechnik oftmals wünschenswert, Strom/Spannungswandler ohne Hilfsenergieversorgung zu realisieren, so daß sich der Verdrahtungsaufwand verringert. Weiterhin ist es für eine präzise Strom/Spannungswandlung notwendig, daß das ausgangsseitige Spannungssignal nicht durch eine Belastung des Spannungsausganges in Form eines Bürdenstromes verfälscht wird.Furthermore, it is often desirable in measurement technology to use current / voltage converters to realize without auxiliary power supply, so that the Wiring effort reduced. Furthermore, it is for a precise Current / voltage conversion necessary that the output voltage signal not by loading the voltage output in the form of a Burden current is falsified.
Die Erfindung basiert auf dem aus der DE 40 01 092 C1 bekannten Strom/ Spannungswandler ohne Hilfsenergieversorgung. Dieser ist nach Art einer Brückenschaltung mit zwei Parallelzweigen aufgebaut, deren erster ein Festspannungsteiler und deren zweiter ein geregelter Spannungsteiler ist. Der Festspannungsteiler besteht aus zwei in Reihe geschalteten Festwiderständen, der geregelte Spannungsteiler aus einem hilfsenergiefreien Regelbaustein und einem in Reihe dazu geschalteten Festwiderstand. Der Regelbaustein ist über eine stromlose Verbindungsleitung mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers im ersten Parallelzweig verbunden. Die Signalausgangsspannung, die dem über die Verzweigungsknoten der beiden Parallelzweige eingespeisten Signaleingangsstrom proportional ist, wird dabei im wesentlichen zwischen dem einspeisungsseitigen Verzweigungsknoten und dem Mittelabgriff des geregelten Spannungsteilers abgegriffen.The invention is based on the current known from DE 40 01 092 C1 / Voltage converter without auxiliary power supply. This is kind of Bridge circuit built with two parallel branches, the first one Fixed voltage divider and the second is a regulated voltage divider. The fixed voltage divider consists of two fixed resistors connected in series, the regulated voltage divider from an auxiliary power-free control module and a fixed resistor connected in series. The rule block is via a currentless connection line with the center tap connected to the voltage divider in the first parallel branch. The signal output voltage, that over the branch nodes of the two parallel branches fed signal input current is proportional essentially between the feed-side branch node and the center tap of the regulated voltage divider.
Der Regelbaustein regelt die Mittelabgriffe der beiden Spannungsteiler auf gleiches Potential, wodurch der Teilstrom durch den geregelten Spannungsteiler auf einen festen Verhältniswert zum Teilstrom durch den Festspannungsteiler und damit auf einen festen Verhältniswert zum Eingangsstrom geregelt wird. Dies gilt für den Idealfall eines offsetfreien Regelbausteins. Durch die angegebene Stromregelung wird die Ausgangsspannung unabhängig von einer Belastung des Spannungsausgangs durch einen Bürdenstrom.The control module regulates the center taps of the two voltage dividers same potential, whereby the partial current through the regulated voltage divider to a fixed ratio to the partial flow through the fixed voltage divider and thus to a fixed ratio to the input current is regulated. This applies to the ideal case of an offset-free rule block. The output voltage is determined by the specified current regulation regardless of a load on the voltage output Burden current.
Dieser bekannte Strom/Spannungswandler ist aber nicht in der Lage, einen Signalstrom in eine dazu proportionale Signalspannung unter Verschiebung des Signalspannungsbereichs um einen konstanten Offset - also beispielsweise einen Live-zero-Signalstrom in eine Non-live- zero-Signalspannung - zu wandeln.However, this known current / voltage converter is not able to Signal current into a signal voltage proportional to it, shifting the signal voltage range by a constant Offset - for example a live zero signal stream in a non-live zero signal voltage - to convert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strom/Spannungswandler der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß unter Beibehaltung der Bürdenstrom-Belastbarkeit und Hilfsenergiefreiheit mit geringem schaltungstechnischen Aufwand eine Wandlung von Signalströmen in dazu proportionale Signalspannungen unter Verschiebung des Signalspannungsbereiches um einen konstanten Offset und insbesondere eine Wandlung von Live-zero-Signalströmen in Non-live-zero-Signalspannungen möglich ist.The invention has for its object a current / voltage converter the generic type in such a way that while maintaining the load current-carrying capacity and freedom from auxiliary energy with little circuitry effort a conversion of signal currents in addition proportional signal voltages while shifting the signal voltage range by a constant offset and in particular a conversion of live zero signal currents into non-live zero signal voltages is possible.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Besondere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved in the claim 1 specified features solved. Particular embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Durch das mit dem Mittelabgriff des ersten Parallelzweiges verbundene, ausleitungsseitige Referenzspannungselement mit konstantem, stromunabhängigen Spannungsabfall und durch die Regelung der Mittelabgriffe dieses ersten Parallelzweiges und des zweiten Parallelzweiges - also des geregelten Spannungsteilers - auf gleiches, also ebenfalls stromunabhängiges Potential wird eine Verschiebung des Signalspannungsbereiches um einen konstanten Offset möglich. Da die ausgangsseitige Signalspannung zwischen dem Mittelabgriff des dritten Parallelzweiges und dem Mittelabgriff des geregelten Spannungsteilers abgegriffen wird, entspricht diese dem Potentialunterschied zwischen den beiden Mittelabgriffen, deren Potential durch den Spannungsabfall an den ausleitungsseitigen Festwiderständen des zweiten und dritten Parallelzweiges bestimmt wird. Da durch den Festwiderstand des dritten Parallelzweiges ein Strom fließt, der in einem festen Verhältnis zum zu wandelnden Signalstrom steht, fällt an diesem Festwiderstand eine für den Signalstrom repräsentative Spannung ab, die den Mittelabgriff des dritten Parallelzweiges auf ein entsprechendes Potential einstellt. Zusammenfassend ergibt sich also die ausgangsseitige Signalspannung aus der Differenz des stromabhängigen Potentials des Mittelabgriffes des dritten Parallelzweiges und des stromunabhängigen Potentials des Mittelabgriffes des zweiten Parallelzweiges.With the center tap of the first parallel branch connected, output-side reference voltage element with constant, current-independent voltage drop and through the Regulation of the center taps of this first parallel branch and the second Parallel branch - i.e. the regulated voltage divider - to the same, So also a current-independent potential will shift the Signal voltage range around a constant offset possible. Since the output signal voltage between the center tap of the third Parallel branch and the center tap of the regulated voltage divider is tapped, this corresponds to the potential difference between the two center taps whose potential is due to the voltage drop at the discharge-side fixed resistors of the second and third parallel branches is determined. Because of the fixed resistance of the third parallel branch a current flows in a fixed relation to the one to be changed Signal current is present, one falls at this fixed resistor for the signal current representative voltage from the center tap of the third Sets the parallel branch to a corresponding potential. In summary the signal voltage on the output side results from the difference the current-dependent potential of the center tap of the third parallel branch and the current-independent potential of the center tap of the second parallel branch.
Wenn nun insbesondere eine Non-live-zero-Signalspannung aus einem Live-zero- Signalstrom erzeugt werden soll, so sind gemäß Anspruch 2 die Leitwerte der Festwiderstände in den drei Parallelzweigen derart aufeinander abzustimmen, daß bei minimalem Live-zero-Signalstrom der Spannungsabfall am ausleitungsseitigen Festwiderstand des dritten Parallelzweiges gleich dem stromunabhängigen Spannungsabfall am Referenzspannungselement des ersten Parallelzweiges ist. Da aufgrund der Stromregelung im zweiten Parallelzweig der Spannungsabfall an dessen ausleitungsseitigem Festwiderstand gleich dem am Referenzspannungselement des ersten Parallelzweiges ist, fallen an den Festwiderständen des zweiten und dritten Parallelzweiges die gleichen Spannungen ab. Damit liegen die beiden Mittelabgriffe des zweiten und dritten Parallelzweiges auf gleichem Potential, und es ergibt sich - wie gefordert - eine ausgangsseitige Signalspannung zwischen diesen beiden Mittelabgriffen von 0 Volt.If in particular a non-live zero signal voltage from a live zero Signal current is to be generated, so the conductance according to claim 2 the fixed resistors in the three parallel branches one on the other to coordinate that with a minimal live zero signal current the voltage drop at the discharge side fixed resistor of the third parallel branch equal to the current-independent voltage drop at the reference voltage element of the first parallel branch. Because of the current regulation in second parallel branch the voltage drop at the discharge side Fixed resistance equal to that on the reference voltage element of the first parallel branch is falling on the fixed resistors of the second and third Parallel branch from the same voltages. This places the two center taps the second and third parallel branches at the same potential, and there is - as required - an output signal voltage between these two taps of 0 volts.
Bei dem Strom/Spannungswandler gemäß Patentanspruch 1 bzw. bei dessen Weiterbildung gemäß Patentanspruch 2 ist weiterhin die Belastbarkeit des Spannungsausgangs durch einen über ihn fließenden Bürdenstrom hervorzuheben. Innerhalb bestimmter Grenzen verfälscht ein solcher Bürdenstrom nicht die Strom/Spannungswandlung. Dies beruht darauf, daß ein vom Mittelabgriff des dritten Parallelzweiges über den Spannungsauusgang fließender Bürdenstrom über den Festwiderstand im zweiten Parallelzweig abgeleitet wird. Damit erhöht sich der an diesem Festwiderstand entstehende Spannungsabfall, was zu einer Erhöhung des Potentials im Mittelabgriff des zweiten Parallelzweiges führen würde. Da aufgrund des Regelbausteins jedoch der Strom durch den zweiten Parallelzweig derart geregelt wird, daß der an seinem Festwiderstand entstehende Spannungsabfall gleich dem am Referenzspannungselement des ersten Parallelzweiges ist, erfolgt durch eine Reduzierung des durch den zweiten Parallelzweig fließenden Stromes eine Kompensation des Bürdenstromes derart, daß der Strom durch den Festwiderstand des dritten Parallelzweiges wieder den festen Verhältniswert zum zu wandelnden, eingangsseitigen Signalstrom annimmt. Entsprechend ist die ausgangsseitige Signalspannung Bürdenstrom- unabhängig. Innerhalb der Grenzen, die durch die Aussteuerbarkeit des Regelbausteins im zweiten Parallelzweig gesetzt sind, ist die Ausgangsimpedanz des Strom/Spannungswandlers im Idealfall gleich Null.In the current / voltage converter according to claim 1 or in the case Training according to claim 2 is still the resilience of To emphasize voltage output by a burden current flowing over it. Such a burden flow falsifies within certain limits not the current / voltage conversion. This is because one of the Center tap of the third parallel branch via the voltage output flowing burden current over the fixed resistor in the second parallel branch is derived. This increases the resulting resistance Voltage drop, which leads to an increase in the potential in the center tap of the second parallel branch would lead. Because of the rule block however, the current through the second parallel branch is regulated in this way is that the voltage drop occurring at its fixed resistor is equal to that on the reference voltage element of the first parallel branch, is done by reducing the through the second parallel branch flowing current compensation of the burden current such that the Current through the fixed resistance of the third parallel branch again Fixed ratio to the input signal current to be converted assumes. Accordingly, the signal voltage on the output side is independently. Within the limits of the controllability of the control module in the second parallel branch is the output impedance the current / voltage converter ideally zero.
Weiterhin ist beim Erfindungsgegenstand von Vorteil, daß sich der obere Grenzwert der Ausgangsspannung durch eine entsprechende Dimensionierung der Festwiderstände im ersten und dritten Parallelzweig verschieben läßt, da dieser Spannungsgrenzwert vom Leitwert der Parallelschaltung der genannten Festwiderstände abhängt. Damit ist auch der Proportionalitätsfaktor bei der Strom/Spannungswandlung entsprechend beeinflußbar. Another advantage of the subject matter of the invention is that the upper Limit value of the output voltage by appropriate dimensioning which can shift fixed resistors in the first and third parallel branches, since this voltage limit value from the conductance of the parallel connection of the above Fixed resistors depends. This is also the proportionality factor can be influenced accordingly in the current / voltage conversion.
Die im Patentanspruch 3 angegebene Abstimmungsvorschrift für die Leitwerte der Festwiderstände in den drei Parallelzweigen wirkt sich vorteilhaft auf die Belastbarkeit des Wandlers aus. Je höher nämlich der Strom durch den Festwiderstand des zweiten, die Bürdenstrom-Kompensation bewerkstelligenden Parallelzweigs bei ninimalem Signalstrom und insbesondere im unbelasteten Zustand ist, desto größer ist die Aussteuerbarkeit des Regelbausteins und damit die Bürdenstrom-Belastbarkeit des Wandlers.The voting rule specified in claim 3 for the guide values the fixed resistors in the three parallel branches has an advantageous effect on the resilience of the converter. The higher the Current through the fixed resistance of the second, the burden current compensation accomplishing parallel branch with minimum signal current and in particular is in the unloaded state, the greater the controllability of the control module and thus the load current carrying capacity of the converter.
Die Ansprüche 4 bis 6 betreffen Maßnahmen, mit deren Hilfe die Einflüsse von Exemplarstreuungen bei den Referenzspannungselementen der Schaltung abgeglichen werden können.Claims 4 to 6 relate to measures with the help of which the influences of sample variations in the reference voltage elements of the circuit can be compared.
Patentanspruch 7 kennzeichnet die vorteilhafte Ausgestaltung des Regelbausteins als Operationsverstärker, wie sie dem Grunde nach bereits aus DE 40 01 092 C1 bekannt ist. Der Operationsverstärker ist dabei so geschaltet, daß er die Spannungsdifferenz zwischen seinen beiden Eingängen auf Null regelt. Da die beiden Eingänge jeweils mit dem Mittelabgriff des ersten bzw. zweiten Parallelzweiges verbunden sind, liegen diese beiden Mittelabgriffe auf gleichem Potential. Die Regelung selbst erfolgt dabei über den Versorgungsstrom des Operationsverstärkers, der mit seinen Versorgungsanschlüssen in Reihe im zweiten Parallelzweig geschaltet und dessen Ausgang auf den einspeisungsseitigen Versorgungsanschluß rückgekoppelt ist. Aufgrund der in Anspruch 8 angegebenen Verschaltung des Operationsverstärkers zeigt dieser ein besonders stabiles Regelverhalten.Claim 7 characterizes the advantageous embodiment of the control module as an operational amplifier, as they basically already look DE 40 01 092 C1 is known. The operational amplifier is switched so that he has the voltage difference between his two inputs regulates to zero. Since the two inputs are each connected to the center tap of the are connected to the first or second parallel branch, these two Taps at the same potential. The regulation itself takes place on the supply current of the operational amplifier, with its supply connections connected in series in the second parallel branch and the output of which is fed back to the supply connection on the supply side is. Due to the interconnection specified in claim 8 Operational amplifier shows a particularly stable control behavior.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigtFurther details and advantages of the invention are as follows Description can be found in the exemplary embodiments of the subject matter of the invention explained in more detail with reference to the figures will. It shows
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Strom/Spannungswandlers in einer ersten Ausführungsform und Fig. 1 is a circuit diagram of a current / voltage converter according to the invention in a first embodiment and
Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Strom/Spannungswandlers in einer zweiten Ausführungsform. Fig. 2 is a circuit diagram of a current / voltage converter according to the invention in a second embodiment.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Strom/Spannuungswandler ohne Hilfsenergieversorgung zur Wandlung von Live-zero-Signalströmen mit einem Signalbereich von 4 bis 20 mA in Dead-zero-Signalspannungen mit einem Signalbereich von 0 bis 10 V dargestellt.In Figs. 1 and 2, a current / Spannuungswandler without auxiliary energy supply for the conversion of live-zero signal streams with a signal range from 4 to 20 mA in is dead-zero signal voltages shown with a signal range of 0 to 10 volts.
Anhand von Fig. 1 wird der grundsätzliche Aufbau der Wandler erläutert. Über den einspeisungsseitigen Stromanschluß 1 und den ausleitungsseitigen Stromanschluß 2 wird dem Wandler der Live-zero-Signalstrom IE aufgegeben. Der Wandler weist dabei drei Parallelzweige auf, nämlich einen ersten Parallelzweig 3, einen zweiten Parallelzweig 4 und einen dritten Parallelzweig 5, die über den einspeisungsseitigen bzw. ausleitungsseitigen Verzweigungsknoten 6, 7 mit den einspeisungsseitigen bzw. ausleitungsseitigen Stromanschlüssen 1, 2 verbunden sind.The basic structure of the converter is explained with reference to FIG. 1. The live zero signal current I E is applied to the converter via the feed-side current connection 1 and the discharge-side current connection 2 . The converter has three parallel branches, namely a first parallel branch 3 , a second parallel branch 4 and a third parallel branch 5 , which are connected via the feed-in or discharge-side branching nodes 6, 7 to the feed-side or discharge-side power connections 1, 2 .
Der erste Parallelzweig 3 ist nach Art einer Spannungsteileranordnung aufgebaut und weist einspeisungsseitig einen ohmschen Festwiderstand R1 mit einem Wert von 1,25 kOhm und in Reihe dazu geschaltet das ausleitungsseitige Referenzspannungselement Ref1 auf. Letzteres ist konstruktionsbedingt so ausgelegt, daß bei Stromfluß durch den ersten Parallelzweig 3 am Referenzspannungselement Ref1 eine stromunabhängige Spannung URef1 von 1,25 V abfällt. Zwischen dem Festwiderstand R1 und dem Referenzspannungselement Ref1 liegt der Mittelabgriff 9 des ersten Parallelzweigs 3.The first parallel branch 3 is constructed in the manner of a voltage divider arrangement and has an ohmic fixed resistor R1 with a value of 1.25 kOhm on the supply side and, connected in series with it, the reference voltage element Ref1 on the output side. The latter is designed by design so that when current flows through the first parallel branch 3 at the reference voltage element Ref1, a current-independent voltage U Ref1 of 1.25 V drops. Between the fixed resistor R1 and the reference voltage Ref1 of the center tap element is 9 of the first parallel branch. 3
Der zweite Parallelzweig 4 stellt einen geregelten Spannungsteiler dar, der aus einem einspeisungsseitigen, hilfsenergiefreien Regelbaustein 8 (strichliert dargestellt) und einem ausleitungsseitigen Festwiderstand R3 mit einem Wert von 625 Ohm besteht. Der Regelbaustein 8 ist dabei durch einen Operationsverstärker OP1 realisiert, dessen Versorgungsanschlüsse in Reihe im zweiten Parallelzweig 4 liegen. Der positive Versorgungsanschluß ist dabei mit dem einspeisungsseitigen Verzweigungsknoten 6 und der negative Versorgungsanschluß mit dem Mittelabgriff 10 des zweiten Parallelzweiges 4 verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist über eine stromlose Leitung 13 mit dem Mittelabgriff 9 des ersten Parallelzweiges 3 verbunden. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 ist mit dem Mittelabgriff 10 des zweiten Parallelzweiges 4 verbunden. Sein Ausgang ist auf den positiven Versorgungsanschluß rückgekoppelt.The second parallel branch 4 represents a regulated voltage divider, which consists of a supply-side, auxiliary power-free control module 8 (shown in dashed lines) and a discharge-side fixed resistor R3 with a value of 625 ohms. The control module 8 is implemented by an operational amplifier OP1, the supply connections of which are in series in the second parallel branch 4 . The positive supply connection is connected to the feed-in junction node 6 and the negative supply connection to the center tap 10 of the second parallel branch 4 . The inverting input of the operational amplifier OP1 is connected via an electroless line 13 connected to the center 9 of the first parallel branch. 3 The non-inverting input of the operational amplifier OP1 is connected to the center tap 10 of the second parallel branch 4 . Its output is fed back to the positive supply connection.
Der dritte Parallelzweig 5 ist ebenfalls nach Art einer Spannungsteileranordnung aufgebaut und weist einspeisungsseitig ein Referenzspannungselement Ref2 und ausleitungsseitig einen ohmschen Festwiderstand R2 mit einem Wert von 1,25 kOhm auf. Auch das Referenzspannungselement Ref2 ist so ausgelegt, daß bei Stromfluß durch den dritten Parallelzweig 5 am Referenzspannungselement Ref2 eine stromunabhängige Spannung URef2 von 1,25 V abfällt. Zwischen dem Referenzspannungselement Ref2 und dem Festwiderstand R2 liegt der Mittelabgriff 11 des dritten Parallelzweiges 5.The third parallel branch 5 is also constructed in the manner of a voltage divider arrangement and has a reference voltage element Ref2 on the feed side and an ohmic fixed resistor R2 with a value of 1.25 kOhm on the discharge side. The reference voltage element Ref2 is also designed such that a current-independent voltage U Ref2 of 1.25 V drops at the reference voltage element Ref2 when current flows through the third parallel branch 5 . Between the reference voltage Ref2 element and the fixed resistor R2 is the center tap 11 of the third parallel branch. 5
Die am Spannungsausgang 12 ausgegebene Signalspannung UA wird zwischen dem Mittelabgriff 11 des dritten Parallelzweiges 5 und dem Mittelabgriff 10 des zweiten Parallelzweiges 4 abgegriffen.The signal voltage U A output at the voltage output 12 is tapped between the center tap 11 of the third parallel branch 5 and the center tap 10 of the second parallel branch 4 .
Die Referenzspannungselemente Ref1 bzw. Ref2 können auf unterschiedliche Weise realisiert werden. So können hierfür beispielsweise "Micropower Voltage Reference"-Dioden des Typs LM 385-1.2 von National Semiconductor, eine REF-01-Schaltuung von Precision Monolythics Inc. oder eine TL 431, A-Schaltung von Motorola verwendet werden.The reference voltage elements Ref1 and Ref2 can be different Way to be realized. For example, "Micropower National Semiconductor's LM 385-1.2 Voltage Reference "diodes, a REF-01 circuit from Precision Monolythics Inc. or a TL 431, A circuit from Motorola can be used.
Der in Fig. 1 dargestellte Strom/Spannungswandler arbeitet wie folgt, wobei zur Vereinfachung der Schaltungs- und Funktionsdarstellung von einer symmetrischen Dimensionierung der Parallelzweige 3 und 5 ausgegangen wird. In praxi wird man die Festwiderstände R1 und R2 jedoch unsymmetrisch derart dimensionieren, daß durch den ersten Parallelzweig bei minimalem Signalstrom IE gerade noch ein solcher Teilstrom I₁ fließt, daß die Funktion des Referenzspannungselementes Ref1 mit ausreichender Sicherheit gewährleistet ist.The current / voltage converter shown in FIG. 1 operates as follows, with the symmetrical dimensioning of the parallel branches 3 and 5 being assumed to simplify the circuit and functional representation. In practice, one will dimension the fixed resistors R1 and R2 asymmetrically such that through the first parallel branch with a minimal signal current I E just such a partial current I 1 flows that the function of the reference voltage element Ref1 is guaranteed with sufficient security.
Bei Einspeisung eines Signalstromes IE von 4 bis 20 mA in die Schaltung regelt der Operationsverstärker OP1 den Strom I₃ im zweiten Parallelzweig 4 so ein, daß am Festwiderstand R3 eine Spannung U3 abfällt, die dem Spannungsabfall URef1 am Referenzspannungselement Ref1 im ersten Parallelzweig 3 entspricht. Dies, da der Mittelabgriff 10 des zweiten Parallelzweiges 4 auf das gleiche Potential wie der Mittelabgriff 9 des ersten Parallelzweiges 3 geregelt wird. Der Strom I₃ durch den zweiten Parallelzweig 4 berechnet sich daher zuWhen a signal current I E of 4 to 20 mA is fed into the circuit, the operational amplifier OP1 regulates the current I₃ in the second parallel branch 4 so that a voltage U3 drops at the fixed resistor R3, which corresponds to the voltage drop U Ref1 at the reference voltage element Ref1 in the first parallel branch 3 . This is because the center tap 10 of the second parallel branch 4 is regulated to the same potential as the center tap 9 of the first parallel branch 3 . The current I₃ through the second parallel branch 4 is therefore calculated
I₃ = U₃/R3 = URef1/R3 = 2 mA.I₃ = U₃ / R3 = U Ref1 / R3 = 2 mA.
Dieser Strom bleibt bei unbelastetem Spannungsausgang 12 unabhängig von der Größe des Eingangsstromes IE konstant.When the voltage output 12 is not loaded, this current remains constant regardless of the size of the input current I E.
Bei einem minimalen Eingangsstrom IE=4 mA verbleibt für die beiden Ströme I1 bzw. I2 ein Reststrom von 2 mA. Wenn die beiden Parallelzweige 3, 5 symmetrisch aufgebaut sind, ergibt sich I1=I2=1 mA.With a minimum input current I E = 4 mA, a residual current of 2 mA remains for the two currents I1 and I2. If the two parallel branches 3, 5 are constructed symmetrically, I1 = I2 = 1 mA results.
Der Strom I2 ruft am Festwiderstand R2 des dritten Parallelzweiges 5 einen Spannungsabfall von 1,25 Volt hervor. Da die Signalspannung UA zwischen den Mittelabgriffen 10, 11 des zweiten und dritten Parallelzweiges 4, 5 abgegriffen wird und diese beiden Mittelabgriffe 10, 11 gegenüber dem ausleitungsseitigen Verzweigungsknoten 7 beide gleichermaßen auf einem um 1,25 Volt erhöhten Potential liegen, ist zwischen den beiden Mittelabgriffen 10, 11 keine Potentialdifferenz vorhanden, so daß - wie gefordert - die ausgangsseitige Signalspannung UA=0 V beträgt.The current I2 causes a voltage drop of 1.25 volts at the fixed resistor R2 of the third parallel branch 5 . Since the signal voltage U A between the center taps 10, 11 of the second and third parallel branches 4, 5 is tapped and these two center taps 10, 11 are both equally at a potential increased by 1.25 volts compared to the branching node 7 on the outgoing side, is between the two Center taps 10, 11 no potential difference available, so that - as required - the output-side signal voltage U A = 0 V.
Für einen maximalen Signalstrom von IE=20 mA betragen die beiden Teilströme I₁, I₂ jeweils 9 mA, da I₃ konstant bei 2 mA liegt. Der Mittelabgriff 11 des dritten Parallelzweiges 5 liegt daher auf einem Potential U₂=I₂×R2=11,25 V. Da der Mittelabgriff 10 des zweiten Parallelzweiges nach wie vor konstant auf einem Potential U₃ von 1,25 V liegt, resultiert am Spannungsausgang 12 eine - wie ebenfalls gefordert - Signalspannung von UA=10 V.For a maximum signal current of I E = 20 mA, the two partial currents I₁, I₂ are 9 mA each, since I₃ is constant at 2 mA. The center tap 11 of the third parallel branch 5 is therefore at a potential U₂ = I₂ × R2 = 11.25 V. Since the center tap 10 of the second parallel branch is still constantly at a potential U₃ of 1.25 V, a voltage output 12 results - as also required - signal voltage of U A = 10 V.
Zusammenfassend wird also ein Signalstrom IE=4 bis 20 mA in eine Signalspannung UA=0 bis 10 V gewandelt. In summary, a signal current I E = 4 to 20 mA is converted into a signal voltage U A = 0 to 10 V.
Bei einer Belastung des Spannungsausganges 12 durch einen Bürdenstrom fließt dieser vom Mittelabgriff 11 des dritten Parallelzweiges 5 über den Spannungsausgang 12 zum Mittelabgriff 10 des zweiten Parallelzweiges 4 und addiert sich zum Strom I₃ durch den zweiten Parallelzweig 4. Dies würde zu einer Erhöhung der am Festwiderstand R3 abfallenden Spannung U₃ führen. Da der Operationsverstärker OP1 das Potential des Mittelabgriffes 10 jedoch bestimmungsgemäß auf das Potential des Mittelabgriffes 9 des ersten Parallelzweiges regelt, wird der Strom I₃ so reduziert, daß U₃=URef1 bleibt. Die Bürdenstrom-bedingte Erhöhung des Stromes I₂ erfährt also eine Kompensation durch eine entspreechende Verringerung des Stromes I₃. Damit fällt über dem Festwiderstand R2 auch bei einer Belastung durch einen Bürdenstrom die "richtige" Spannung U₂ ab, um somit eine Verfälschung der Ausgangsspannung UA zu vermeiden.When the voltage output 12 is loaded by a burden current, it flows from the center tap 11 of the third parallel branch 5 via the voltage output 12 to the center tap 10 of the second parallel branch 4 and is added to the current I 3 through the second parallel branch 4 . This would lead to an increase in the voltage drop across the fixed resistor R3 U₃. However, since the operational amplifier OP1 regulates the potential of the center tap 10 as intended to the potential of the center tap 9 of the first parallel branch, the current I₃ is reduced so that U₃ = U Ref1 remains. The increase in the current I₂ due to the burden of current is thus compensated for by a corresponding reduction in the current I₃. Thus, the "correct" voltage U₂ drops across the fixed resistor R2 even when loaded by a burden current, in order to avoid falsifying the output voltage U A.
Das Bürdenstrom-unabhängige Verhalten der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist gewährleistet, solange der Operationsverstärker OP1 nicht in Übersteuerung gerät. Der Bürdenstrom muß also geringer bleiben als die Differenz zwischen dem Strom I₃ durch den zweiten Parallelzweig 4 im unbelasteten Zustand des Spannungsausgangs 12 und dem Eigenverbrauch des Operationsverstärkers OP1.The behavior independent of the load current of the circuit shown in FIG. 1 is ensured as long as the operational amplifier OP1 does not become overdriven. The burden current must remain less than the difference between the current I₃ through the second parallel branch 4 in the unloaded state of the voltage output 12 and the self-consumption of the operational amplifier OP1.
Der in Fig. 2 gezeigte Strom/Spannungswandler weist zusätzlich einen hochohmigen, einstellbaren Spannungsteiler parallel zum Referenzspannungselement Ref1 des ersten Parallelzweiges 3 auf. Dieser Spannungsteiler besteht aus einem relativ niederohmigen, einstellbaren Widerstand R4 - etwa in Form eines Potentiometers - und einem in Reihe dazu geschalteten, hochohmigen Festwiderstand R5. Der Wert des einstellbaren Widerstandes R4 beträgt beispielsweise 100 kOhm, der hochohmige Festwiderstand R5 hat einen Wert von 2 MOhm.The current / voltage converter shown in FIG. 2 additionally has a high-resistance, adjustable voltage divider parallel to the reference voltage element Ref1 of the first parallel branch 3 . This voltage divider consists of a relatively low-resistance, adjustable resistor R4 - for example in the form of a potentiometer - and a high-resistance fixed resistor R5 connected in series with it. The value of the adjustable resistor R4 is, for example, 100 kOhm, the high-resistance resistor R5 has a value of 2 MOhm.
In Abwandlung zur Schaltung nach Fig. 1 ist die zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 führende stromlose Leitung 13 am Abgriff des einstellbaren Widerstandes R4 angeschlossen. Durch eine entsprechende Abstimmung des einstellbaren Widerstandes R4 können Exemplarstreuungen beim Referenzspannungselement Ref1 ausgeglichen werden, da der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP1 nunmehr auf das veränderbare Potential des Abgriffs von R4 zugreift. Da der Widerstandswert des einstellbaren Spannungsteilers R4, R5 um mehrere Größenordnungen über dem Widerstandswert des Widerstandes R1 im ersten Parallelzweig 3 liegt, ist der durch diesen Spannungsteiler fließende Strom sehr gering und damit praktisch vernachlässigbar.In a modification of the circuit of FIG. 1, the leading to the inverting input of the operational amplifier OP1 electroless line 13 is connected to the tap of the variable resistor R4. By appropriate adjustment of the adjustable resistor R4, sample variations in the reference voltage element Ref1 can be compensated, since the inverting input of the operational amplifier OP1 now accesses the changeable potential of the tap of R4. Since the resistance value of the adjustable voltage divider R4, R5 is several orders of magnitude above the resistance value of the resistor R1 in the first parallel branch 3 , the current flowing through this voltage divider is very low and thus practically negligible.
Ansonsten unterscheidet sich die Schaltung gemäß Fig. 2 in Aufbau und Funktion nicht von der gemäß Fig. 1. Gleiche Bauteile sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Beschreibung kann daher auf die Beschreibung zu Fig. 1 zurückgegriffen werden.Otherwise, the circuit according to FIG. 2 does not differ in structure and function from that according to FIG. 1. The same components are therefore provided with the same reference numerals. The description of FIG. 1 can therefore be used for the description.
Claims (8)
- - der erste Parallelzweig (3) nach Art einer Spannungsteileranordnung ausugebildet ist,
- - der zweite Parallelzweig (4) als gergelter Spannungsteiler bestehend aus einem einspeisungsseitigen, hilfsenergiefreien Regelbaustein (8) und einem ausleitungsseitigen Festwiderstand (R3) ausgebildet ist, und
- - der Regelbaustein (8) über eine Verbindungsleitung (13) mit einem Mittelabgriff (9) des ersten Parallelzweiges (3) verbunden ist und den Strom (I₃) durch den zweiten Parallelzweig (4) derart regelt, daß die Mittelabgriffe (9, 10) des ersten Parallelzweiges (3) und des zweien Parallelzweiges (4) auf gleichem Potential liegen,
- - The first parallel branch ( 3 ) is designed in the manner of a voltage divider arrangement,
- - The second parallel branch ( 4 ) is designed as a regulated voltage divider consisting of a supply-side, auxiliary energy-free control module ( 8 ) and a discharge-side fixed resistor (R3), and
- - The control module ( 8 ) via a connecting line ( 13 ) with a center tap ( 9 ) of the first parallel branch ( 3 ) and the current (I₃) through the second parallel branch ( 4 ) controls such that the center taps ( 9, 10 ) the first parallel branch ( 3 ) and the two parallel branch ( 4 ) are at the same potential,
- - der erste Parallelzweig (3) aus einem einspeisungsseitigen Festwiderstand (R1) und einem ausleitungsseitigen Referenzspannungselement (Ref1) mit konstantem, stromunabhängigem Spannungsabfallfeld (URef1) besteht, daß
- - ein nach Art einer Spannungsteileranordnung ausgebildeter dritter Parallelzweig (5) zwischen den Verzweigungsknoten (6, 7) angeordnet ist, der ein einspeisungsseitiges Referenzspannungselement (Ref2) mit konstantem, stromabhängigem Spannungsabfall und einen ausleitungsseitigen Festwiderstand (R2) auufweist und daß
- - die Signalspannung UA zwischen dem Mittelabgriff (11) des dritten Parallelzweiges (5) und dem Mittelabgriff (10) des geregelten Spannungsteilers im zweiten Parallelzweig (4) abgegriffen wird.
- - The first parallel branch ( 3 ) consists of a supply-side fixed resistor (R1) and a discharge-side reference voltage element (Ref1) with a constant, current-independent voltage drop field (U Ref1 ) that
- - A third parallel branch ( 5 ) designed in the manner of a voltage divider arrangement is arranged between the branching nodes ( 6, 7 ) and has a feed-side reference voltage element (Ref2) with constant, current-dependent voltage drop and a discharge-side fixed resistor (R2) and that
- - The signal voltage U A between the center tap ( 11 ) of the third parallel branch ( 5 ) and the center tap ( 10 ) of the regulated voltage divider in the second parallel branch ( 4 ) is tapped.
- - dessen invertierender Eingang über die Verbindungsleitung (13) mit dem Mittelabgriff (9) des ersten Parallelzweiges (3) bzw. dem Abgriff des hochohmigen, einstellbaren Spannungsteilers verbunden ist, daß
- - dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Mittelabgriff (10) des zweiten Parallelzweiges (4) verbunden ist, daß
- - der mit seinen Versorgungsanschlüssen in Reihe im zweiten Parallelzweig (4) geschaltet ist und daß
- - dessen Ausgang auf den einspeisungsseitigen Versorgungsanschluß rückgekoppelt ist.
- - Its inverting input is connected via the connecting line ( 13 ) to the center tap ( 9 ) of the first parallel branch ( 3 ) or the tap of the high-resistance, adjustable voltage divider that
- - Its non-inverting input is connected to the center tap ( 10 ) of the second parallel branch ( 4 ) that
- - Which is connected with its supply connections in series in the second parallel branch ( 4 ) and that
- - whose output is fed back to the supply connection on the supply side.
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| DE19924211980 DE4211980C1 (en) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | Current-voltage converter for measuring appts. - has parallel electronic circuit paths acting as voltage divider and regulated voltage divider with centre tap-offs providing positive and negative output voltage nodes |
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| DE19924211980 DE4211980C1 (en) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | Current-voltage converter for measuring appts. - has parallel electronic circuit paths acting as voltage divider and regulated voltage divider with centre tap-offs providing positive and negative output voltage nodes |
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| DE19924211980 Expired - Fee Related DE4211980C1 (en) | 1992-04-09 | 1992-04-09 | Current-voltage converter for measuring appts. - has parallel electronic circuit paths acting as voltage divider and regulated voltage divider with centre tap-offs providing positive and negative output voltage nodes |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19517492B4 (en) * | 1995-05-12 | 2004-04-29 | Bosch Rexroth Ag | Analog current interface |
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-
1992
- 1992-04-09 DE DE19924211980 patent/DE4211980C1/en not_active Expired - Fee Related
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