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Dokumentenidentifikation DE102004053031B4 26.04.2007
Titel Schaltungsanordnung mit einer Kurzschlußschutzschaltung
Anmelder Phoenix Contact GmbH & Co. KG, 32825 Blomberg, DE
Erfinder Meier, Heinz-Wilhelm, 32689 Kalletal, DE
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr & Eggert, 45128 Essen
DE-Anmeldedatum 30.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004053031
Offenlegungstag 04.05.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.04.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03F 1/52(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem ersten Eingangsanschluß und einem zweiten Eingangsanschluß, mit einem ersten Ausgangsanschluß und einem zweiten Ausgangsanschluß, mit einem Versorgungsspannungsanschluß sowie mit einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle, einer Ausgangsstufe und einer Kurzschlußschutzschaltung, wobei das Ausgangssignal von einer an die Eingangsanschlüsse angelegten Eingangsspannung über die spannungsgesteuerte Spannungsquelle und die Ausgangsstufe generiert wird. Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der DD 233 784 B1 bekannt.

Schaltungsanordnungen der hier in Rede stehenden Art sind in verschiedenen Ausführungsformen seit längerem bekannt und werden überall dort in der Schaltungstechnik eingesetzt, wo eine Eingangsspannung in ein Ausgangssignal umgesetzt werden soll, wobei die Schaltungsanordnung im Regelfall ausgangsseitig eine höhere Leistung zur Verfügung stellen kann als die Leistung, die eingangsseitig notwendig ist, um die Schaltungsanordnung anzusteuern. Typischerweise finden sich derartige Schaltungsanordnungen z. B. in Trennverstärkern, Signalwandlern und Leistungsmodulen. Ein verbreiteter Anwendungsfall für derartige Schaltungen besteht beispielsweise in der Umsetzung einer Spannung eines ersten Spannungsbereiches in eine Spannung eines zweiten Spannungsbereiches zur Anpassung der ersten Spannung an eine normierte Spannungsschnittstelle, die z. B. mit Spannungswerten im Bereich von 0 V bis 10 V arbeitet.

Grundsätzlich sollte beim Entwurf von Schaltungsanordnungen der hier in Rede stehenden Art aus Gründen der praktischen Handhabung, der Betriebssicherheit, aber auch der Zertifizierbarkeit unter relevante Normen berücksichtigt werden, wie sich die Schaltung im Fall eines ausgangsseitigen Kurzschlusses verhält, also wenn die Ausgangsanschlüsse sehr niederohmig miteinander verbunden werden. Wenn keine besonderen schaltungstechnischen Maßnahmen getroffen werden, so besteht im Kurzschlußfall die Gefahr, daß das ausgangsseitige Verhalten der Schaltungsanordnung eingangsseitig nicht mehr kontrollierbar ist, in der Schaltungsanordnung bzw. der Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung eine hohe Verlustleistung umgesetzt wird und die Schaltungsanordnung und/oder ausgangsseitig angeschlossene elektrische Geräte sogar zerstört wird.

Aus diesen Gründen werden Schaltungsanordnungen der hier in Rede stehenden Art ausgangsseitig häufig mit elektronischen Strombegrenzungen versehen, die im Kurzschlußfall zumindest eine Zerstörung der Schaltungsanordnung verhindern. Wenn die Ausgangsstufe beispielsweise über einen von der spannungsgesteuerten Spannungsquelle getriebenen Strom gesteuert wird, ist aus der Praxis und einschlägigen Literatur bekannt, den über die – kurzgeschlossenen – Ausgangsanschlüsse fließenden Last- bzw. Kurzschlußstrom zu messen und den die Ausgangsstufe steuernden Strom in Abhängigkeit von der Höhe des Laststroms an der Ausgangsstufe vorbeizuleiten. Eine derartige Kurzschlußschutzschaltung kann beispielsweise durch einen Bipolar-Transistor realisiert werden, der in Abhängigkeit von der an einem im Lastkreis angeordneten "Fühl"-Widerstand abfallenden Spannung aufgesteuert wird und der den die Ausgangsstufe steuernden Strom an dem Eingang der Ausgangsstufe vorbeileitet und so ein weiteres Ansteigen des Laststromes verhindert und damit den Kurzschlußstrom begrenzt (Tietze, U.; Schenk, Ch.: "Halbleiter-Schaltungstechnik", 12. Auflage, Springer-Verlag, 2002, Seiten 909–910).

Nachteilig bei derartigen Kurzschlußschutzschaltungen, die über einen "Fühl"-Widerstand im Laststrompfad die Höhe des Laststromes und letztendlich auch den Kurzschlußstrom detektieren, ist, daß der laststromabhängige Spannungsabfall über diesen Widerstand das Ausgangssignal, also beispielsweise eine an den Ausgangsanschlüssen anliegende Spannung, im Normalbetrieb beeinflußt sowie eine ständige Verlustleistung verursacht. Nachteilig bei der Verwendung von einfachen, ungeregelten Halbleiter-Bauelementen, wie z. B. Bipolar-Transistoren in der Kurzschlußschutzschaltung ist ferner, daß die Höhe des die Schutzschaltung auslösenden Kurzschlußstromes temperaturabhängig ist aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Halbleiterbauelemente. Im Falle der oben genannten Bipolar-Transistoren ist dies z. B. die Temperaturabhängigkeit der Flußspannung der in Durchlaßrichtung betriebenen Dioden innerhalb der Bipolar-Transistoren. Bei Verwendung eines über die Basis-Emitter-Strecke gesteuerten bipolaren Silizium-Transistors beträgt die Temperaturabhängigkeit der Flußspannung der Basis-Emitter-Diode etwa – 2 mV/K.

Aus der DE 100 61 371 A1 ist eine Schaltungsanordnung mit einer steuerbaren Strombegrenzungsschaltung zur Ansteuerung einer Last bekannt, wobei zur Steuerung der Strombegrenzung das Ausgangssignal eines Temperatursensors verwendet wird.

Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle, mit einer Ausgangsstufe und mit einer Kurzschlußschutzschaltung so auszugestalten und weiterzubilden, daß die oben genannten Nachteile, insbesondere die Temperaturabhängigkeit des Kurzschlußstromes und/oder die Beeinflussung des Ausgangssignals durch den Laststrom – zumindest teilweise – vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, bei der die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Problemstellung gelöst ist, ist zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß zu der Kurzschlußschutzschaltung eine Spannungsfolgerschaltung und ein der Spannungsfolgerschaltung parallel geschaltete Ableitwiderstand gehören und daß die Parallelschaltung aus der Spannungsfolgerschaltung und dem Ableitwiderstand einerseits mit dem zweiten Ausgangsanschluß und andererseits mit dem zweiten Eingangsanschluß verbunden ist. Durch die besondere erfindungsgemäße Realisierung der Kurzschlußschutzschaltung wird ein direkter Eingriff in den Pfad des Laststromes, d. h. in die Verbindung der Ausgangsstufe mit den Ausgangsanschlüssen vermieden, so daß das über die Ausgangsanschlüsse ausgegebene Ausgangssignal auch nicht durch den Laststrom selbst beeinflußt werden kann.

Durch die Verbindung der Spannungsfolgerschaltung und des parallel geschalteten Ableitwiderstandes mit dem zweiten Eingangsanschluß der Schaltungsanordnung wird ein gemeinsames Bezugspotential der genannten Schaltungsteile gewährleistet; dabei kann es sich um ein schaltungsweit verwendetes Bezugspotential, wie z. B. das Masse-Potential handeln, aber auch um ein beliebig anderes geeignetes elektrisches Potential.

Die Spannungsfolgerschaltung ist erfindungsgemäß so orientiert, daß sie eingangsseitig mit dem zweiten Eingangsanschluß und ausgangsseitig mit dem zweiten Ausgangsanschluß verbunden ist. Dadurch wird bewirkt, daß das auch am zweiten Eingangsanschluß anliegende Bezugspotential über die Spannungsfolgerschaltung an den zweiten Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung weitergegeben wird. Solange die Spannungsfolgerschaltung in ihrem normalen Betriebsbereich betrieben wird, ist es ihr möglich, die Potentialweitergabe von ihrem Eingang an ihren Ausgang zu gewährleisten, unabhängig davon, welchen Strom sie aufnimmt bzw. abgibt. In diesem Normalbetriebsbereich liegt aufgrund der Parallelschaltung von Spannungsfolgerschaltung und Ableitwiderstand und aufgrund der identischen Potentiale zwischen Eingangs- und Ausgangsseite der Spannungsfolgerschaltung keine Potentialdifferenz an dem Ableitwiderstand, so daß durch ihn auch kein Strom fließen kann. Aus diesem Zusammenhang ergibt sich, daß die Spannungsfolgerschaltung im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung – also nicht im Kurzschlußfall – einen über die Ausgangsanschlüsse fließenden Laststrom, sofern eine Last an den Ausgangsanschlüssen angeschlossen ist, vollständig aufnehmen muß.

Erst wenn die Spannungsfolgerschaltung nicht mehr in ihrem Normalbetriebsbereich verwendet wird, wenn sie also beispielsweise einen höheren Strom aufnehmen muß als es aufgrund ihrer inneren Beschaltung möglich ist, ist die Spannungsfolgerschaltung nicht mehr in der Lage, das eingangsseitig vorgegebene Potential auf ihre Ausgangsseite zu übertragen. Die Folge ist, daß das ausgangsseitige Potential der Spannungsfolgerschaltung von dem eingangsseitig vorgegebenen Potential abweicht. Aufgrund der sich nunmehr einstellenden Potentialdifferenz an den Anschlüssen des Ableitwiderstandes wird ein von der Spannungsfolgerschaltung nicht mehr aufnehmbare Anteil des Kurzschlußstromes über den Ableitwiderstand abgeleitet.

Da Spannungsfolgerschaltungen üblicherweise durch weitestgehend regeldifferenzfreie Regelkreise realisiert werden und damit auch temperaturabhängige Einflüsse ausregelbar sind und auch ohmsche Widerstände – wie der Ableitwiderstand – keine ausgeprägte Temperaturabhängigkeit zeigen, wird mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch ein Kurzschlußschutz ohne nennenswerte Temperaturabhängigkeit realisiert.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird auf die Unteransprüche verwiesen. Zu besonderen Ausgestaltungen der Erfindung sind folgende Bemerkungen angezeigt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird die spannungsgesteuerte Spannungsquelle durch eine einfache Operationsverstärkerschaltung realisiert, indem der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers mit je einem Anschluß zweier Beschaltungswiderstände und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers mit dem ersten Eingangsanschluß der Schaltungsanordnung und der erste Beschaltungswiderstand über die Ausgangsstufe mit dem Ausgang des Operationsverstärkers und der zweite Beschaltungswiderstand mit dem zweiten Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung verbunden sind. Durch diese Maßnahme wird die Schaltungsanordnung mit einem hochohmigen Eingang zwischen den Eingangsanschlüssen versehen. Gleichzeitig kann über den niederohmigen Ausgang des Operationsverstärkers die in den Spannungsregelkreis eingebundene Ausgangsstufe angesteuert werden.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Ausgangsstufe unter Verwendung eines Transistors implementiert, der über seine Steuerelektrode von dem Ausgang der spannungsgesteuerten Spannungsquelle angesteuert wird. Mit seinen anderen beiden Elektroden ist der Transistor der Ausgangsstufe in den Lastkreis integriert, derart, daß die erste Lastkreiselektrode mit dem Versorgungsspannungsanschluß und die zweite Lastkreiselektrode mit dem ersten Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung verbunden ist. Durch Verwendung geeigneter Transistoren in der Ausgangsstufe lassen sich so in einfacher Weise Schaltungsanordnungen realisieren, die für den Kleinsignalbereich wie auch für höhere Leistungsanforderungen geeignet sind.

In einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Spannungsfolgerschaltung mittels eines zweiten Operationsverstärkers und eines Rückkoppelwiderstandes realisiert, wobei der Rückkoppelwiderstand den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers auf den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers rückkoppelt. Der nicht-invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers stellt somit die Eingangsseite der Spannungsfolgerschaltung dar und ist folglich mit dem zweiten Eingangsanschluß der Schaltungsanordnung verbunden, wohingegen der invertierende Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit der Ausgangsseite der Schaltungsanordnung verbunden ist und somit auch mit dem zweiten Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung in Verbindung steht.

Werden die zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung gemeinsam realisiert, ergibt sich überraschenderweise ein besonders vorteilhafter Effekt der Gesamtschaltung, der im folgenden beschrieben wird.

Der Betriebsbereich eines Operationsverstärkers wird üblicherweise durch den Spannungsbereich der an ihn angeschlossenen Betriebsspannung definiert. Wenn der Betriebsspannungsbereich durch eine obere Betriebsspannung und eine untere Betriebsspannung festgelegt ist, kann das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Spannungsfolgerschaltung ausgangsseitig einen Laststrom aufnehmen, der so hoch ist, daß über den Rückkoppelwiderstand betragsmäßig gerade die untere Betriebsspannung abfällt; in diesem Fall kann der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers noch gerade auf dem Potential gehalten werden, das durch das Potential an dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers vorgegeben wird. Die Spannung am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ist in diesem Fall gleich der unteren Betriebsspannung des zweiten Operationsverstärkers, die unter diesen Wert nicht gesenkt werden kann.

Eine weitere Erhöhung des Stroms führt zwangsläufig dazu, daß über den Rückkoppelwiderstand eine über den Betrag der unteren Betriebsspannung hinausgehende Spannung abfällt und das Potential am Ausgang der Spannungsfolgerschaltung über das eingangsseitig vorgegebene Potential der Spannungsfolgerschaltung ansteigt. In diesem Fall hängt der über die Kurzschlußschutzschaltung abfließende Strom also lediglich ab von dem sich am zweiten Ausgang der Schaltungsanordnung einstellenden Potential, von der konstanten unteren Betriebsspannung des zweiten Operationsverstärkers, von der Größe des Rückkoppelwiderstandes der Spannungsfolgerschaltung und von der Größe des in der Kurzschlußschutzschaltung verwendeten Ableitungswiderstandes. Der Kurzschlußstrom verändert sich also proportional zur Veränderung des sich am zweiten Ausgangsanschluß einstellenden Potentials.

Im Falle kurzgeschlossener Ausgangsanschlüsse liegen in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung besonders vorteilhafte Verhältnisse vor, da die Reihenschaltung der Beschaltungswiderstände der spannungsgesteuerten Spannungsquelle ausgangsseitig kurzgeschlossen wird und somit am zweiten Ausgang der Schaltungsanordnung die Eingangsspannung anliegt. Wie zuvor erläutert worden ist, hängt in diesem Fall der über die Kurzschlußschutzschaltung abfließende Strom jedoch nur von der Eingangsspannung, der konstanten unteren Betriebsspannung des zweiten Operationsverstärkers, dem ohmschen Rückkoppelwiderstand und dem ohmschen Ableitwiderstand ab, und zwar derart, daß der über die Kurzschlußschutzschaltung abfließende Kurzschlußstrom sich proportional zu einer Änderung der Eingangsspannung verändert.

Damit stellt dieses besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung im normalen Betriebsfall eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle mit Kurzschlußschutz und im Kurzschlußfall eine spannungsgesteuerte Stromquelle dar. Somit läßt sich das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung auch im Kurzschlußfall definiert einstellen und durch Variation der Eingangsspannung auch definiert verändern. Folglich kann der Kurzschlußfall auch als eine normale Betriebssituation der bevorzugten Schaltungsanordnung aufgefaßt werden. Diese Eigenschaft läßt sich z. B. dann vorteilhaft anwenden, wenn über die Ausgangsanschlüsse der Schaltungsanordnung sowohl ein definiertes Spannungssignal als auch ein definiertes Stromsignal ausgegeben können werden soll.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und auf die Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung ohne Kurzschlußschutz,

2 ein Ausführungsbeispiel einer aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung mit Kurzschlußschutz und

3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Verwendung bestimmter elektronischer Bauelemente beschrieben, die auf bestimmten Technologien beruhen (Bipolar-Transistoren, Operationsverstärker). Genauso gut könnte die Erfindung auch unter Verwendung von Bauelementen realisiert werden, die auf anderen Technologien basieren (z. B. Feldeffekt-Transistoren, diskreter Aufbau von Operationsverstärkerschaltungen oder Verwendung höher-integrierter Schaltungen). Ganz allgemein ist also die einzige Voraussetzung für die Verwirklichung der Erfindung das erfindungsgemäße Zusammenwirken der übergeordneten Module der Schaltungsanordnung, unabhängig von der Technologie, in der die einzelnen Module realisiert werden.

Das Ausführungsbeispiel in 1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 mit einem ersten Eingangsanschluß 2 und einem zweiten Eingangsanschluß 3, mit einem ersten Ausgangsanschluß 4 und einem zweiten Ausgangsanschluß 5, mit einem Versorgungsspannungsanschluß 6 sowie mit einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle 7, einer Ausgangsstufe 8, jedoch ohne eine Kurzschlußschutzschaltung. Die Schaltung ist dazu geeignet, ein Ausgangssignal, nämlich eine Ausgangsspannung U2, über eine an die Eingangsanschlüsse 2, 3 angelegte Eingangsspannung U1 mittels der spannungsgesteuerten Spannungsquelle 7 und der Ausgangsstufe 8 an den Ausgangsanschlüssen 4, 5 zur Verfügung zu stellen.

Im normalen Betriebszustand ist der Ausgang der Schaltungsanordnung 1 durch eine mit den Ausgangsanschlüssen 4 und 5 verbundene elektrische Last – hier dargestellt durch einen Widerstand RL – belastet, der den Laststrom auch bei voll aufgesteuerter Ausgangsstufe 8 auf einen verträglichen Wert begrenzen sollte. Werden die Ausgangsanschlüsse 4, 5 jedoch kurzgeschlossen, fehlt es an der notwendigen ausgangsseitigen Strombegrenzung, und die Ausgangsstufe 8 oder sogar ein den Kurzschlußstrom über die Ausgangsanschlüsse 4, 5 aufnehmendes Gerät stehen in unmittelbarer Gefahr, durch den Kurzschlußstrom zerstört zu werden.

Aus dem Stand der Technik ist eine in 2 dargestellte Schaltungsanordnung 1 bekannt, die zur Begrenzung des Laststromes im Kurzschlußfall eine Kurzschlußschutzschaltung 9 vorsieht. Die bekannte Kurzschlußschutzschaltung 9 sieht dabei im Pfad des Laststromes einen ohmschen "Fühl"-Widerstand RF vor, an dem eine dem Laststrom proportionale Spannung abfällt. Erreicht der Spannungsabfall den Wert der Basis-Emitter-Flußspannung eines bipolaren Schutz-Transistors TS, der mit der Basis-Emitter-Strecke zu dem Fühl-Widerstand RF parallel geschaltet ist, so leitet der aufgesteuerte Schutz-Transistor TS einen so großen Teil des die Ausgangsstufe 8 ansteuernden Stromes ab, bis die Ausgangsstufe 8 den Last- bzw. Kurzschlußstrom auf einen festgelegten Wert reduziert hat.

Nachteilig an dieser Ausgestaltung der Kurzschlußschutzschaltung 9 ist, daß über den Fühl-Widerstand RF auch im Normalbetrieb der Schaltungsanordnung 1 eine Verlustleistung umgesetzt wird und durch die Anordnung des Fühl-Widerstandes RF im Lastpfad das Ausgangssignal der Schaltungsanordnung 1 beeinflußt wird. Ferner verursacht die Temperaturabhängigkeit der Flußspannung der Basis-Emitter-Strecke des Schutz-Transistors TS auch eine Temperaturabhängigkeit des sich einstellenden Kurzschlußstromes im Kurzschlußfall.

Das in 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 sieht eine Kurzschlußschutzschaltung 9 vor, die eine Spannungsfolgerschaltung 10 und einen der Spannungsfolgerschaltung 10 parallel geschalteten Ableitwiderstand R0 umfaßt. Die Parallelschaltung aus der Spannungsfolgerschaltung 10 und dem Ableitwiderstand R0 ist einerseits mit dem zweiten Ausgangsanschluß 5 und andererseits mit dem zweiten Eingangsanschluß 3 verbunden. Dabei ist die Spannungsfolgerschaltung 10 so orientiert, daß sie eingangsseitig mit dem zweiten Eingangsanschluß 3 und ausgangsseitig mit dem zweiten Ausgangsanschluß 5 in Verbindung steht.

In dem. bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist die spannungsgesteuerte Spannungsquelle 7 durch eine einfache Operationsverstärkerschaltung realisiert, die einen Operationsverstärker OP1 und zwei Beschaltungswiderstände R1, R2 umfaßt. Dabei ist der invertierende Eingang 11 des Operationsverstärkers OP1 mit jeweils einem Anschluß der beiden Beschaltungswiderstände R1, R2 und der nicht-invertierende Eingang 12 des Operationsverstärkers OP1 mit dem ersten Eingangsanschluß 2 verbunden. Ferner ist der erste Beschaltungswiderstand R1 über die Ausgangsstufe 8 mit dem Ausgang 13 des Operationsverstärkers OP1 und der zweite Beschaltungswiderstand R2 mit dem zweiten Ausgangsanschluß 5 verbunden. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsstufe 8 unter Verwendung eines bipolaren Transistors T1 realisiert, wobei der Transistor T1 über seine Basis 14 von dem Ausgang 13 der spannungsgesteuerten Spannungsquelle 7 angesteuert wird und mit seiner Kollektor-Elektrode mit dem Versorgungsspannungsanschluß 6 und mit seiner Emitter-Elektrode 16 mit dem ersten Ausgangsanschluß 4 verbunden ist. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 realisiert so auf einfache Weise wesentliche Eigenschaften einer Schaltungsanordnung 1 zur Erzeugung eines Ausgangssignals aus einer Eingangsspannung, unter anderem einen hohen Eingangswiderstand zwischen den Eingangsanschlüssen 2, 3 und eine regulierbare Leistung des Ausgangssignals, die in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung UB an dem Versorgungsspannungsanschluß 6 und durch geeignete Wahl des Transistors T1 in weiten Bereichen variiert werden kann.

Die Spannungsfolgerschaltung 10 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 1 nach 3 mittels eines zweiten Operationsverstärkers OP2 und eines Rückkoppelwiderstandes R3 umgesetzt, wobei der Rückkoppelwiderstand R3 den Ausgang 17 des zweiten Operationsverstärkers OP2 auf den invertierenden Eingang 18 des zweiten Operationsverstärkers OP2 rückkoppelt. Der invertierende Eingang 18 des zweiten Operationsverstärkers OP2 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluß 5 und der nichtinvertierende Eingang 19 des zweiten Operationsverstärker OP2 ist mit dem zweiten Eingangsanschluß 3 verbunden. Der Betriebsbereich des zweiten Operationsverstärker OP2 wird durch die obere Betriebsspannung UCC und die untere Betriebsspannung USS festgelegt. Das über den nicht-invertierenden Eingang 19 des zweiten Operationsverstärkers OP2 eingangsseitig an der Spannungsfolgerschaltung 10 anliegende Massepotential ist auf den invertierenden Eingang 18 des zweiten Operationsverstärkers OP2 übertragbar ("virtuelle Masse"), solange zum Potentialausgleich zwischen dem Ausgang 17 und dem invertierenden Eingang 18 des Operationsverstärkers 2 über den Rückkopplungswiderstand R3 am Ausgang 17 keine Spannung erforderlich ist, die außerhalb des durch UCC und USS definierten Spannungsbereiches liegt.

Ist im Kurzschlußfall der von der Spannungsfolgerschaltung 10 aufzunehmende Kurzschlußstrom so groß, daß die Spannungsfolgerschaltung 10 außerhalb ihres Betriebsbereiches arbeiten muß und sich infolge dessen am invertierenden Eingang 18 des zweiten Operationsverstärkers OP2 ein anderes Potential als das Massenpotential einstellt, wird der zweite Ausgangsanschluß 5 der Schaltungsanordnung 1 genauso wie ein Anschluß des Ableitwiderstandes R0 potentialmäßig angehoben. Im Kurzschlußfall fließt also ein Teil des Kurzschlußstromes über den Ableitwiderstand R0 gegen Masse ab. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel bewirkt ein Kurzschluß zwischen den Ausgangsanschlüssen 4, 5 gleichzeitig, daß die Serienschaltung der Beschaltungswiderstände R1, R2 in der spannungsgesteuerten Spannungsquelle 7 kurzgeschlossen wird, so daß die Eingangsspannung U1 auch am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 und damit auch am zweiten Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung anliegt. Der über die Kurzschlußschutzschaltung 9 abfließende Kurzschlußstrom IK ergibt sich folglich zu IK = U1/R0 + (U1 + USS)/R3.

Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß 3 ergibt sich damit der besonders überraschende Effekt, daß aus der spannungsgesteuerten Spannungsquelle mit Kurzschlußschutz im Kurzschlußfall eine spannungsgesteuerte Stromquelle wird, wodurch das Ausgangssignal im Kurzschlußfall weiterhin durch die Eingangsspannung U1 an den Eingangsanschlüssen 2, 3 steuerbar ist. Bei Verwendung der Schaltungsanordnung nach 3 stellt der Kurzschlußfall also einen kontrollierbaren Betriebsfall und keinen Ausnahmezustand dar. Die bevorzugte Schaltungsanordnung nach 3 läßt sich bewußt im Kurzschluß-Betriebszustand einsetzen, indem beispielsweise eine sehr niederohmige Last an die Ausgangsanschlüsse 4, 5 angeschlossen wird. In diesem Fall ist das Ausgangssignal keine Spannung sondern ein durch die Eingangsspannung U1 gesteuerter Ausgangsstrom, der beispielsweise eine normierte Stromschnittstelle bedient, die im Bereich von 0–20 mA arbeitet.


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung mit einem ersten Eingangsanschluß (2) und einem zweiten Eingangsanschluß (3), mit einem ersten Ausgangsanschluß (4) und einem zweiten Ausgangsanschluß (5), mit einem Versorgungsspannungsanschluß (6) sowie mit einer spannungsgesteuerten Spannungsquelle (7), einer Ausgangsstufe (8) und einer Kurzschlußschutzschaltung (9), wobei das Ausgangssignal von einer an die Eingangsanschlüsse (2, 3) angelegten Eingangsspannung über die spannungsgesteuerte Spannungsquelle (7) und die Ausgangsstufe (8) generiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Kurzschlußschutzschaltung (9) eine Spannungsfolgerschaltung (10) und ein der Spannungsfolgerschaltung (10) parallel geschalteter Ableitwiderstand (R0) gehören und daß die Parallelschaltung aus der Spannungsfolgerschaltung (10) und dem Ableitwiderstand (R0) einerseits mit dem zweiten Ausgangsanschluß (5) und andererseits mit dem zweiten Eingangsanschluß (3) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (7) ein Operationsverstärker (OP1) und zwei Beschaltungswiderstände (R1, R2) gehören, daß der invertierende Eingang (11) des Operationsverstärkers (OP1) mit je einem Anschluß der beiden Beschaltungswiderstände (R1, R2) und dessen nicht-invertierender Eingang (12) mit dem ersten Eingangsanschluß (2) verbunden sind und daß der erste Beschaltungswiderstand (R1) über die Ausgangsstufe (8) mit dem Ausgang (13 ) des Operationsverstärkers (OP1) und der zweite Beschaltungswiderstand (R2) mit dem zweiten Ausgangsanschluß (5) verbunden sind. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Ausgangsstufe (8) ein Transistor (T1) gehört und der Transistor (T1) über seine Steuerelektrode (14) von dem Ausgang der spannungsgesteuerten Spannungsquelle (7) angesteuert ist, mit einer ersten Lastkreiselektrode (15) mit dem Versorgungsspannungsanschluß (6) und mit einer zweiten Lastkreiselektrode (16) mit dem ersten Ausgangsanschluß (4) verbunden ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein Bipolar-Transistor ist, insbesondere ein npn-Transistor. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Spannungsfolgerschaltung (10) ein zweiter Operationsverstärker (OP2) und ein Rückkoppelwiderstand (R3) gehören, daß der Rückkoppelwiderstand (R3) den Ausgang (17) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) auf dessen invertierenden Eingang (18) rückkoppelt und daß der invertierende Eingang (18) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) mit dem zweiten Ausgangsanschluß (5) und der nicht-invertierende Eingang (19) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) mit dem zweiten Eingangsanschluß (3) verbunden sind.






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