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Dokumentenidentifikation DE102005009459A1 27.07.2006
Titel Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe an analogen Transmittern
Anmelder Ranft, Georg, Dr., 98716 Geraberg, DE
Erfinder Ranft, Georg, Dr., 98716 Geraberg, DE
Vertreter Patentanwälte Liedtke & Partner, 99096 Erfurt
DE-Anmeldedatum 02.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005009459
Offenlegungstag 27.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse G01D 5/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen Transmitter anzugeben, die es ermöglicht, verschiedene Ausgangssignale mit nur einer Geräteausführung zu erzeugen.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die Ausgänge zweier Operationsverstärker über eine erste Diode und eine zweite Diode anodenseitig mit der Basis eines Ausgangstransistors und eines ersten Widerstandes verbunden sind, der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers mit dem Emitter des Ausgangstransistors und einer ersten Anschlussklemme verbunden ist, der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Kollektor des Ausgangstransistors und einem zweiten Widerstand verbunden ist, der Ausgang eines Digital-Analog-Converters DAC der Sensorelektronik über einen Verstärker mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers und über einen dritten Widerstand mit dem Eingang einer spannungsgesteuerten Stromquelle verbunden ist, der Ausgang der Stromquelle an den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers und einen vierten Widerstand angeschlossen ist, wobei der erste Widerstand, der zweite Widerstand und der vierte Widerstand mit einer zweiten Anschlussklemme verbunden sind und zwischen der ersten Anschlussklemme und einer dritten Anschlussklemme eine Reihenschaltung, bestehend aus einem fünften Widerstand und einer dritten Diode, katodenseitig an der ersten Anschlussklemme angeordnet ist, und der ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe an analogen Transmittern einer Sensorelektronik.

Derartige Transmitter werden beispielsweise für Anordnungen zur Temperatur-, Feuchte-, Druck- oder Luftqualitätsmessung benötigt. Sie sind aber überall dort einsetzbar, wo analoge Ausgangssignale als Spannung, als Strom oder als Stromschleife zur Messsignalübertragung bereitgestellt werden müssen.

Zur analogen Signalübertragung ist es üblich, für unterschiedliche Anwendungsfälle, genormte Schnittstellen zu verwenden. Die zugehörigen Definitionen sind in der DIN IEC 381 aufgelistet. Für Spannungs-Schnittstellen und Stromschleifen sind 4- und 3-Draht-Meßumformer sowie 2-Draht-Meßumformer für Ströme von 4...20 mA bekannt. Derartige Schnittstellen sind beschrieben in WIKA-Handbuch: Druck- und Temperaturmesstechnik und Irrgang, Michalowsky: Temperaturmesspraxis mit Widerstandsthermometern und Thermoelementen, Vulkan-Verlag Essen.

Die unterschiedlichen Ausgangssignale werden in vielfältiger Weise in der Technik genutzt. In Tietze, Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Kapitel Sensorik, Springer- Verlag ist die Schaltungstechnik in den Ausgangsstufen der Transmitter getrennt nach Spannungs- oder Stromausgang dargestellt. Ferner sind aus den Datenblättern Burr Brown AD693, Analog Devices XTR 105, Stromschleifen-Transmitter als integrierter Schaltkreis bekannt.

Allen bekannten Transmittern ist gemeinsam, dass sie nur für eine eingeschränkte Wahl der Ausgangsart einsetzbar sind. Bei Transmittern, die nur für eine Ausgangsart benutzbar sind, ist es deshalb beim einem Wechsel der Ausgangsart erforderlich, einen anderen Transmittertyp zu benutzen.

Weiter sind Transmitteranordnungen bekannt, bei denen durch Betätigen von Schaltern oder durch das Anbringen von Drahtbrücken in Verbindung mit einem veränderten Kabelanschluss jeweils eine von zwei Ausgangsvarianten ausgewählt werden kann. Derartige Anordnungen sind in Firmenunterlagen Wieland Electric GmbH sowie Phoenix contact GmbH beschrieben. Hersteller von Transmittern müssen, um die Standard- Ausgangssignale abzudecken, verschiedene Gerätevarianten anbieten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Schaltungsanordnung für einen Transmitter anzugeben, die es ermöglicht verschiedene Ausgangssignale mit nur einer Geräteausführung zu erzeugen.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung, welche die im Patentanspruch angegebenen Merkmale aufweist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ermöglicht einen Spannungsausgang oder einen Stromausgang als 3-Draht-Meßumformer oder einen Stromschleifenausgang als 2-Draht-Meßumformer, ohne dass dabei eine spezielle Einstellung oder Konfiguration vorgenommen werden muss. Dadurch werden eine Reduzierung des notwendigen Gerätesortiments und damit verbunden eine Kosteneinsparung erreicht.

Die Schaltungsanordnung stellt sich nach Kabelanschluss automatisch auf die erforderliche Betriebsart ein. Dabei wird automatisch zwischen einem Spannungsausgang, einem Stromausgang und einem Stromschleifenausgang unterschieden. Die erforderliche Betriebsart wird an Impedanz bzw. Bürde der angeschlossenen Ausgangsleitung erkannt.

Die Anordnung stellt eine integrationsfreundliche Schaltung mit Präzisionscharakter dar, die keine Einstellelemente und nur ein Minimum an Präzisionsbauteilen benötigt. Die Schaltungsstruktur ist so aufgebaut, dass sie mit einem Microcontroller einfach kombiniert werden kann. Die geringe Anzahl der erforderlichen Bauteile ermöglicht auch den Einsatz in Miniaturtransmittern.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 die Schaltungsanordnung der Grundausführung und

2 eine Mehrfachanordnung.

Die in 1 dargestellte Grundanordnung besteht aus den Operationsverstärkern 1 und 2, deren Ausgänge über die Dioden 3 und 4 anodenseitig mit der Basis des Ausgangstransistors 5 und dem Widerstand 6 verbunden sind. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 ist mit dem Emitter des Transistors 5 und der Anschlussklemme B verbunden, während der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 2 mit dem Kollektor des Transistors 5 und dem Widerstand 7 verbunden ist. Der Ausgang des Digital-Analog-Converters DAC der Sensorelektronik ist über den Verstärker 8 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 und über den Widerstand 9 mit dem Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 10 verbunden. Der Ausgang der Stromquelle 10 ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 2 und den Widerstand 11 angeschlossen. Die Widerstände 6, 7 und 11 sind mit der Anschlussklemme A verbunden. Zwischen den Anschlussklemmen B und C ist eine Reihenschaltung, bestehend aus dem Widerstand 12 und der Diode 13, katodenseitig an der Anschlussklemme B angeordnet. Der Verbindungspunkt zwischen Anode der Diode 13 und dem Widerstand 12 ist über den Widerstand 14 mit dem Eingang der Stromquelle 10 verbunden. An der Anschlussklemme B liegt der Eingang des invertierenden Schaltverstärkers 15.

Der Betriebsspannungsanschluss erfolgt durch die Anschlussklemme A. Die Anschlussklemme C stellt die allgemeine Masse dar. An der Anschlussklemme B wird das Ausgangssignal abgenommen.

Die Sensorelektronik beginnt nach dem Anlegen der Betriebsspannung zu arbeiten und liefert über den Digital-Analog-Converter DAC ein analoges Signal, das den Verstärker 8 durchläuft und den Operationsverstärker 1 erreicht. Da über den niederohmigen Widerstand 12 kein Strom fließt, wird die Eingangsspannung der Stromquelle 10 durch das Spannungsteilerverhältnis der hochohmigen Widerstände 9 und 14 bestimmt. Der Strom durch den Widerstand 11 wird damit nur von der Ausgangsspannung am Verstärker 8 beeinflusst.

Der Operationsverstärker 1 versucht nun den Transistor 5 so zu steuern, dass am Ausgang, also an der Anschlussklemme B die Spannung vom Verstärker 8 anliegt. Diese Betriebsart mit Spannungsausgang ergibt sich dann, wenn an der Anschlussklemme B ein geringer Strom fließt. Der Spannungsabfall am Widerstand 7 muss kleiner sein als der Spannungsabfall am Widerstand 11. Damit wird die Diode 4 gesperrt und die Diode 3 leitend.

Wird dagegen der Ausgang an der Anschlusskemme B niederohmig abgeschlossen, versucht der Operationsverstärker 2 den Transistor 5 so zu steuern, dass die Spannungsabfälle an den Widerständen 7 und 11 gleich sind. Der Ausgang arbeitet im Strombetrieb mit der leitenden Diode 4 und der gesperrten Diode 3.

Die Umschaltung von Spannungs- auf Strombetrieb erfolgt automatisch. Dabei ist es zweckmäßig, einen Grenzlastwiderstand festzulegen, der sich aus der maximal möglichen Ausgangsspannung und dem maximal möglichen Ausgangsstrom mit Rg = Uamax/Iamax ergibt. Ist der Widerstand an der Anschlussklemme B größer als der Grenzlastwiderstand, ergibt sich Spannungsbetrieb. Der Strombetrieb ist dann eingeschaltet, wenn der Lastwiderstand kleiner als der Grenzlastwiderstand ist.

Der Ausgang ist damit auch vollständig gegen Leerlauf und Kurzschluss geschützt.

Wird auf den Masseanschluss an der Anschlussklemme C verzichtet und der Rückleiter an die Anschlussklemme B angeschlossen, stellt sich Stromschleifenbetrieb ein. Der Betriebsstrom für die Sensorelektronik fließt jetzt über den Widerstand 12 und die Diode 13. Der Ausgangsstrom an der Anschlussklemme B setzt sich jetzt aus dem Strom durch den Transistor 5, gemessen mit dem Spannungsabfall an Widerstand 7, und dem Strom durch den Widerstand 12 zusammen. Der Ausgangsstrom ist um den Betrag durch den Widerstand 12 größer und muss korrigiert werden.

Da der Spannungsabfall am Widerstand 12 gegenüber der Anschlussklemme C negativ ist, erhält der Eingang der Stromquelle über den Spannungsteiler mit den Widerständen 9 und 14 einen kleineren Spannungswert. Der Strom durch den Widerstand 11 wird bei präziser Widerstandsdimensionierung exakt um den Betrag des Spannungsabfalls von Widerstand 12 kleiner und es entsteht das gewünschte Ausgangsstromsignal.

Der Lastwiderstand in der Anschlussleitung an der Anschlussklemme B (Bürde) darf dabei nur so groß werden, dass die Spannung zwischen den Anschlussklemmen A und B noch für den Betrieb der Sensorelektronik ausreicht.

In der Betriebsart mit Stromschleife ist die Anschlussklemme B immer negativ gegenüber der Anschlussklemme C, so dass der angeschlossene Schaltverstärker 15 diesen Zustand erkennen kann und ein Signal an die Sensorelektronik zum Umschalten des Ausgangsstrombereiches abgibt.

In der beschriebenen Anordnung arbeitet der Operationsverstärker 1 als einfacher Spannungsfolger und der Operationsverstärker 2 als quasi p-Kanal Stromquelle. Der Transistor 5 und der Transistor in der Stromquelle 10 müssen eine hohe Stromverstärkung haben (Darlington- oder FET-Transistoren). Als Schaltverstärker 15 arbeitet im einfachsten Fall eine Transistorstufe mit vorgeschalteter Diode in Sperrrichtung.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es zum Beispiel möglich, einen Ausgangsspannungsbereich von 0...10 V, einen Ausgangsstrombereich von 0...20 mA und einen Strombereich mit Schleife von 4...20 mA zu realisieren. Eine Umdimensionierung auf andere Spannungs- und Strombereiche ist möglich.

Die Genauigkeit der Anordnung wird bei richtiger Dimensionierung durch die Genauigkeit und den Temperaturkoeffizienten der Widerstände bestimmt. Sie müssen je nach Messaufgabe Präzisionscharakter aufweisen. Unter der Voraussetzung, dass auch die Operationsverstärker hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen, sind insgesamt Signalausgaben mit großer Präzision bei geringer Bauelementeanzahl möglich.

Die Verbindung des Verstärkers 8 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 kann über eine direkte Leitung erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass anstelle dieser direkten Leitung eine Leitung vom Emitter der Stromquelle 10 zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 führt.

In 2 ist eine Mehrfachanordnung der Schaltung dargestellt. Diese Ausführung kann verwendet werden, wenn die Sensorelektronik Signale für mehrere Messgrößen liefern muss. Im dargestellten Beispiel sind zwei Anordnungen parallel geschaltet.

Die Anschlussklemmen A und B werden dabei für alle Ausgangsstufen gemeinsam genutzt. Die erste Anschlussklemme B ist entsprechend der Anzahl der Ausgangsstufen mehrfach vorhanden. Beim Betrieb mit Spannungs- oder Stromausgang arbeiten die Ausgangsstufen unabhängig voneinander. Über die Anschlussklemmen A und B sind sie an eine gemeinsame Betriebsspannung angeschlossen. Ein mehrfacher Stromschleifenbetieb über die Anschlussklemmen A und B ist ebenfalls möglich. Der Betriebsstrom der Sensorelektronik, der über den Widerstand 12 und die Diode 13 fließt, wird dabei von der Ausgangsstufe mit dem niedrigsten Ausgangspotenzial – hervorgerufen durch das Ausgangssignal und die Bürde – übernommen. Der gesamte Betriebsstrom muss kleiner als der minimale Ausgangsstrom einer Ausgangsstufe sein.

1, 2Operationsverstärker 3erste Diode 4zweite Diode 5Ausgangstransistor 6erster Widerstand 7zweiter Widerstand 8Verstärker 9dritter Widerstand 10Stromquelle 11vierter Widerstand 12fünfter Widerstand 13dritte Diode 14sechster Widerstand 15invertierender Schaltverstärker Azweite Anschlussklemme Berste Anschlussklemme Cdritte Anschlussklemme DACDigital-Analog-Converter

Anspruch[de]
  1. Schaltungsanordnung für eine Ausgangsstufe an analogen Transmittern einer Sensorelektronik, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge zweier Operationsverstärker (1, 2) über eine erste Diode (3) und eine zweite Diode (4) anodenseitig mit der Basis eines Ausgangstransistors (5) und eines ersten Widerstandes (6) verbunden sind, der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) mit dem Emitter des Ausgangstransistors (5) und einer ersten Anschlussklemme (B) verbunden ist, der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (2) mit dem Kollektor des Ausgangstransistors (5) und einem zweiten Widerstand (7) verbunden ist, der Ausgang eines Digital-Analog-Converters DAC der Sensorelektronik über einen Verstärker (8) mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) und über einen dritten Widerstand (9) mit dem Eingang einer spannungsgesteuerten Stromquelle (10) verbunden ist, der Ausgang der Stromquelle (10) an den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (2) und einen vierten Widerstand (11) angeschlossen ist, wobei der erste Widerstand (6), der zweite Widerstand (7) und der vierte Widerstand (11) mit einer zweiten Anschlussklemme (A) verbunden sind und zwischen der ersten Anschlussklemme (B) und einer dritten Anschlussklemme (C) eine Reihenschaltung bestehend aus einem fünften Widerstand (12) und einer dritten Diode (13) katodenseitig an der ersten Anschlussklemme (B) angeordnet ist, und der Verbindungspunkt zwischen Anode der dritten Diode (13) und dem fünften Widerstand (12) ist über den sechsten Widerstand (14) mit dem Eingang der Stromquelle (10) verbunden und an der zweiten Anschlussklemme (B) der Eingang eines invertierenden Schaltverstärkers (15) liegt.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Verstärkers (8) mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) über eine direkte Leitung erfolgt.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Verstärkers (8) mit dem nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) über den dritten Widerstand (9) und die Stromquelle (10) erfolgt, wobei eine Leitung vom Emitter der Stromquelle (10) zum nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (1) führt.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anordnungen parallel geschaltet sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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