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Anordnung zum kurzzeitigen Durchschalten einer Gleichspannung von
einem zweipoligen Eingang auf einen Verbraucher, insbesondere für Fernmeßzwecke
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum jeweils kurzzeitigen amplitudenrichtigen
Durchschalten einer sich langsam verändernden Gleichspannung von einem zweipoligen
Eingang auf einen Verbraucher. Derartige Anordnungen werden im besonderen in Fernmeßanlagen
benötigt, bei denen die Meßwerte nach dem Zeitmultiplexverfahren übertragen werden,
so daß die einzelnen, vorzugsweise in Form einer Spannung vorliegenden Meßergebnisse
nur zu ganz bestimmten Zeiten abgetastet, d. h. durchgeschaltet werden. Auch innerhalb
von Regel-und Steuergeräten, bei denen eine Mehrzahl von Meßergebnissen für den
Steuer- bzw. Regelvorgang erfaßt wird, müssen auf den Eingang des bzw, der Regel-
und Steuergeräte die Meßwerte wahlweise durchgeschaltet werden können. Bei derartigen
Anlagen werden dann vor der Abtastung die Meßwerte dem Regel- oder Steuergerät,
das z. B. auch in Form eines Digitalrechners ausgelegt sein kann, dadurch angepaßt,
daß sie in einen entsprechenden Bereich transformiert werden.
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Die Anordnung nach der Erfindung bezieht sich vornehmlich auf derartige
Durchschalteeinrichtungen, bei denen zwischen der eigentlichen Auswertevorrichtung
(Steuergerät in Form eines Digitalrechners) und dem Meßeingang ein Analog-Digital-Umsetzer
notwendig ist. Die Anordnung eines einzigen Analog-Digital-Umsetzers an dieser Stelle,
d. h. für sämtliche in analoger Foren vorliegende Meßwerte, hat den Vorteil, daß
der gerade für hohe Abtastgeschwindigkeiten, wie sie bei der Abtastung einer Mehrzahl
von Meßwerten notwendig sind, aufwendige Umsetzer insgesamt nur einmal vorgesehen
werden muß. Um ein einwandfreies Arbeiten des Analog-Digital-Umsetzers zu gewährleisten,
kann ihm ein eigener Haltekreis, in dem der jeweils gerade abgetastete Meßwert so
lange gespeichert wird, bis der Umsetzvorgang eingeleitet bzw. beendet ist, dann
zugeordnet werden, wenn die zur Verfügung stehende Abtastzeit kürzer als die benötigte
Umsetzzeit des Analog-Digital-Umsetzers ist. Der Aufbau eines Analog-Digital-Umsetzers
und eines Haltekreises interessiert im Zusammenhang mit der Erfindung nicht. Derartige
Einrichtungen sind hinreichend bekannt.
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Es ist ferner bekannt, jeweils einen von mehreren Meßeingängen über
ein Schaltervielfach auf einen einzigen Verbraucher, z. B. auch in Form eines Analog-Digital-Umsetzers,
durchzuschalten. Eine derartige Anordnung benötigt aber in jeder Leitung, also pro
Meßeingang in beiden Leitungen, je einen hochwertigen Schalter, der darüber hinaus
äußerst präzis geschaltet werden muß. Weiterhin hat eine derartige Durchschaltung
vielfach den Nachteil, daß der Verbraucher, beispielsweise der Analog-Digital-Umsetzer,
jeweils auf das den beiden Leitungen des Einganges gemeinsame Potential angehoben
werden muß, was die Umschaltzeiten von einem Meßeingang auf den anderen mit Rücksicht
auf die dabei auftretenden Umladungsvorgänge begrenzt.
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Um einen analogen Meßwert von einem zweipoligen Eingang auf einen
Verbraucher potentialfrei durchzuschalten, könnte man auch daran denken; mittels
Transistorschalter eine Wechselrichtung der angebotenen Meßgleichspannung durchzuführen
und diese Spannung über einen zur Potentialtrennung dienenden übertrager an die
Auswerteeinrichtung, beispielsweise an den Analog-Digital-Umsetzer mit einem eventuell
vorgeschalteten Haltekreis, weiterzuleiten. Wenn dann noch die Steuerwechselspannung
für die Transistoren über einen Trennübertrager zugeführt wird, so ergibt sich eine
Potentialtrennung, derart, daß die abzutastenden Meßeingänge völlig potentialfrei
werden. Die Auswahl der einzelnen Meßeingänge könnte dann auf der Sekundärseite
der einzelnen Transformatoren oder aber auch durch eine entsprechende Zuführung
der für die Wechselrichtung notwendigen Spannungen derart erfolgen, daß nur die
gerade durchzuschaltende Meßspannung wechselgerichtet wird. Bei Verwendung eines
Analog-Digital-Umsetzers als Verbraucher könnte dann außerdem durch ein synchrones
Steuern des Umsetzers mit der zur Wechselrichtung benötigten Spannung erreicht werden,
daß sekundärseitig die Wechselspannung, die die Form von Rechteckwechsel haben kann,
nicht gleichgerichtet werden muß.
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Bei einer derartigen, an sich denkbaren Schaltung wäre nachteilig,
daß für die Wechselrichtung mindestens
zwei und bei höheren Ansprüchen,
d. h. bei besonders genauer Durchschaltung, sogar vier Transistoren pro Meßeingang
benötigt würden. Darüber hinaus hätte eine derartige Schaltung noch den Nachteil,
daß der Meßspannungsquelle, beispielsweise dem Siebkondensator innerhalb eines vorgeschalteten
Siebgliedes, während der ganzen für eine Umsetzung benötigten Zeit Strom entnommen
werden müßte. Darüber hinaus müßte die zum Wechselrichten benutzte Reckteckspannung
bipolar sein und auch entsprechend geschaltet werden.
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Die Anordnung nach der Erfindung ist wesentlich einfacher aufgebaut.
Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Meßeingang und Verbraucher -ein Übertrager
vorgesehen ist, daß in einer der Zuleitungen vom Meßeingang zu der Primärwicklung
des Übertragers ein elektronischer Schalter, vorzugsweise ein Transistorschalter,
angeordnet ist, daß der Sekundärwicklung des Übertragers ein Widerstand parallel
geschaltet ist und daß dessen Ausgangsspannung dem Verbraucher über einen Wechselspannungsverstärker
zugeführt wird.
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Die Anordnung nach der Erfindung bedient sich also eines Trennübertragers,
dem die durchzuschaltende Meßgleichspannung impulsweise dadurch Zugeführt wird,
daß in einer der Zuleitungen zu der Primärwicklung .ein Transistor angeordnet ist,
der mit Hilfe von Impulsen kurzzeitig, d. h.. während der Abtastzeit, leitend getastet
wird. Diese Impulssteuerspannung wird gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens
über einen Übertrager in den Transistorkreis, vorzugsweise zwischen Kollektor und
Basis des vorzugsweise invers betriebenen Transistors, eingekoppelt. Als Schalttransistoren
können die verschiedensten Transistoren verwendet werden, wobei mit Rücksicht auf
einen möglichst geringen Reststrom im gesperrten Zustand mit Vorteil Siliziumtransistoren
verwendet werden.
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Bei der Verwendung von Transistoren, die einen höheren Reststrom haben,
ist es vorteilhaft, eine , eigene Sperrspannung einzuführen, die aus einer über
einen Transformator zugeführten und dann gleichgerichteten Hochfrequenzspannung
gewonnen wird. Um hierbei ein eindeutiges Potential als Sperrspannung zu bekommen,
wird in vorteilhafter Weise diese Span- , nung mittels eines Spannungsbegrenzergliedes,
z. B. einer oder mehrerer in Reihe geschalteter, in Durchlaßrichtung betriebener
Dioden, einer Zenerdiode oder auch einer Akkumulatorzelle begrenzt.
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Sekundärseitig ist der Übertrager für die Meßspan- ; nung mit einem
Widerstand belastet, und die Ausgangsspannung wird einem Wechselstromverstärker
zugeführt. Die Verwendung eines reinen Wechselstromverstärkers in diesem Zusammenhang
ist grundsätzlich neu. Bisher war es nicht möglich, an dieser Stelle, d. h. im Zuge
einer Durchschalteanordnung, einen einfachen Wechselspannungsverstärker zu verwenden,
da die am Eingang liegende Gleichspannung unmittelbar durchgeschaltet wurde. Durch
die Einfügung eines Trennübertragers im Durchschalteweg und durch die Belastung
der Sekundärwicklung mit einem Widerstand wird aber im Zusammenhang mit dem Abtasten
eine Spannungskurve erzeugt, deren Integral 0 ist, so daß an dieser Stelle ein im
Vergleich zu einem Gleichspannungsverstärker sehr viel billigerer, einfacherer und
daher weniger störanfälliger Wechselstromverstärker verwendet werden kann. Vor dem
Verbraucher selbst muß dann nur, was in einem Mehrfachbetrieb sowieso notwendig
ist, aus dieser verstärkten Spannungskurve der Teil ausgeblendet werden, der den
Meßwert enthält, d. h., es muß zumindest die durch das Ausschwingen des Übertragers
induzierte Spannung unterdrückt werden. Darüber hinaus wird im allgemeinen auch
der Einschwingvorgang unterdrückt, damit insoweit nicht eine Fehlauswertung des
durchgeschalteten Meßwertes erfolgt.
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Einzelheiten der Erfindung werden an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert.
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Die in der F i g. 1 dargestellte Durchschalte- bzw. Abtastanordnung
dient dazu, die am Eingang E anliegende, sich langsam verändernde Gleichspannung
jeweils kurzzeitig an den als Verbraucher arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer
AD potentialfrei durchzuschalten. Dem Analog-Digital-Umsetzer ist hierbei
ein eigener Haltekreis HK vorgeschaltet. Die Durch= schalteeinrichtung enthält unter
anderem einen über= trager Tr1; in einer der Zuleitungen zu dessen Primärwicklung
ist ein Schalter in Form eines Transistors T vorgesehen.
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Im Ruhefall ist der Transistor gesperrt. Um ein einwandfreies Sperren
dieses Transistors zu erreichen, wird bekanntlich eine Gleichspannung benötigt,
die bei der dargestellten Ausführungsform an dem KondensatorC durch Gleichrichtung
einer über den Übertrager Tr3 eingekoppelten Hochfrequenzspannung gewonnen wird.
Die Gleichrichtung einer Hochfrequenzschwingung ist deshalb vorteilhaft, da durch
die Verwendung des Übertragers Tr3 -auch eine Potentialtrennung zwischen der durchgeschalteten
Leitung und der Spannungsquelle erreicht wird. Zur Gleichrichtung dieser Hochfrequenzschwingung
dient die Diode D 1. Die Diode D 2 dient zur Begrenzung,der gleichgerichteten
Spannung. Diese Diode schließt außerdem beim Durchschalten des Transistors den Stromkreis
für den Basisstrom.
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Es sei erwähnt, daß die Verwendung einer eigenen Sperrspannung bei
besonders hochwertigen Transistoren, z. B. bei Siliziumtransistoren, oder auch bei
bestimmten Schaltungen, z. B. bei mehreren hintereinandergeschalteten, vorzugsweise
invers betriebenen Transistoren, überflüssig sein kann. Darüber hinaus kann es vorteilhaft
sein, mehrere Dioden an Stelle der gezeichneten Diode D 2 hintereinanderzuschalten,
um eine Sperrspannung in der gewünschten Größe zu bekommen. In an sich bekannter
Weise kann dafür auch eine in Sperrichtung betriebene Zenerdiode eingesetzt werden.
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Außerdem sei darauf hingewiesen, daß an Stelle des Kondensators C
in Verbindung mit der bzw. den Dioden D 2 auch eine Akkumulatorzelle verwendet werden
kann, die jeweils durch die gleichgerichtete Hochfrequenzspannung aufgeladen wird
und die ein definiertes Sperrpotential zwischen Basis und Kollektor des Transistors
T wirksam werden läßt. Die Verwendung einer Akkumulatorzelle an dieser Stelle ist
insbesondere dann zu empfehlen, wenn der Hochfrequenzspannungsquelle nur sehr wenig
Leistung entnommen werden soll, denn die Akkumulatorzelle hat schon bei äußerst
kleinem Ladestrom (Pufferstrom) einen sehr kleinen Innenwiderstand.
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In dem Sekundärkreis des Übertragers Tr3 ist gestrichelt ein Widerstand
dargestellt. Dieser Strombegrenzungswiderstand wird dann notwendig, wenn als Übertrager
Tr3 nicht ein Streutransformator mit
hinreichender Streuinduktivität
verwendet werden kann, was an sich besonders vorteilhaft ist.
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Der Transistor T wird zur Durchschaltung der am Eingang E liegenden
Spannurig jeweils mit einem einzigen Impuls einer bestimmten Polarität und entsprechender
Breite leitend getastet. Dieser Impuls wird bei dem Ausführungsbeispiel über den
Übertrager Tr 2 zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors eingekoppelt.
Zur Begrenzung des Taststromes ist der Widerstand R 2 dem Basisanschluß vorgeschaltet.
Da der Transistor T im Ruhezustand durch eine eigene Vorspannung sicher gesperrt
ist, sind kleine, über den Übertrager Tr2 gelangende Störspannungen unschädlich,
so daß kein besonderer Aufwand getrieben werden muß, um das Eindringen von Störspannungen
in den Meßkreis und damit an den Verbraucher zu verhindern.
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Die Sekundärwicklung des Übertragers Trl ist mit einem Widerstand
R 1 belastet. Dieser Widerstand ist deshalb notwendig, weil in der Sekundärwicklung
eine Spannungsfunktion entsteht, deren Integral 0 ist, wobei die Ausschwingvorgänge
über diesen Widerstand abklingen können. Für die Verwertung des an der Sekundärwicklung
auftretenden Signals isst lediglich der erste Teil der Spannungsfunktion notwendig,
dessen Amplitude eindeutig den am Eingang E liegenden Meßwert besitzt. Diese Amplitude
wird in dem nachgeschalteten Wechselstromverstärker V entsprechend verstärkt. Innerhalb
des Verbrauchers, also des Analog-Digital-Umsetzers, bzw. am Ausgang des Verstärkers
muß dann eine erneute Ausblendung des die Information enthaltenden Impulses erfolgen,
wobei die Einschwingvorgänge, die bei jedem elektronischen Schalter unvermeidbar
sind, und auch die Ausschwingvorgänge, die durch die galvanische Entkopplung über
den Übertrager zustande kommen, unterdrückt werden.
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Es sei darauf hingewiesen, daß der zur Potentialtrennung verwendete
Übertrager Tr 1 zur Spannungs-und/oder Impedanzwandlung mit herangezogen
werden kann. Hierdurch wird erreicht, daß der Meßeingang den entsprechenden Gegebenheiten
angepaßt werden kann.
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Die am Eingang E anliegende Spannung wird im allgemeinen einem in
der Zeichnung nicht dargestellten Siebglied entnommen, das die Meßspannung von überlagerten
Störspannungen befreit. Dieses Siebglied ist im Hinblick auf die Eigenheit der Abtastanordnung
nach der Erfindung mit einem Kondensator solcher Kapazität abzuschließen, daß die
bei der Abtastung zu entnehmende Energie seine Spannung höchstens im Rahmen der
geforderten Meßgenauigkeit verringert. Die Abschlußkapazität dieses Siebgliedes
ist also abhängig von der Eingangsimpedanz der ganzen Anordnung und der Impulsdauer,
mit der der Transistor T leitend getastet wird.
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Die Durchschalteanordnung nach der Erfindung eignet sich besonders
zur wahlweisen Durchschaltung jeweils einer von mehreren Spannungen auf den gemeinsamen
Analog-Digital-Umsetzer. Die F i g. 2 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel
in Blockdarstellung für m Meßspannungsstellen. Die Sekundärwicklungen der einzelnen
Trennübertrager sind in Reihe geschaltet, wobei diese Reihenschaltung den Eingang
des nachfolgenden Wechselspannungsverstärkers speist. Jede einzelne Sekundärwicklung
ist mit einem Widerstand entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 belastet.
Die Auswahl der Meßspannung, die gerade auf den Verbraucher durchgeschaltet werden
soll, erfolgt über einen Umschalter, der die Abtastimpulse jeweils den entsprechenden
Transistoren T zuleitet. Der Umschalter ist praktisch natürlich elektronisch ausgebildet.
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Abweichend von der Darstellung in F i g. 2 kann nur ein Trennübertrager
mit entsprechenden Primärwicklungen und einer einzigen Sekundärwicklung verwendet
werden, wobei an jeder Primärwicklung über einen eigenen Schalttranssistor jeweils
die Meßspannung angeschlossen ist. Diese Ausführungsform ist dann von Vorteil, wenn
der Meßeingang verhältnismäßig hochohmig ausgeführt werden soll, was andernfalls
die Hintereinanderschaltung der vielen hochohmigen Belastungswiderstände der Sekundärwicklungen
verhindern würde.
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Die Erfindung wird nur in der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs
1 gesehen. Auch für die Merkmale nach den Unteransprüchen wird nur im Zusammenhang
mit Anspruch 1 Schutz begehrt.