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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Vergleich zweier
Gleichspannungen ohne Berücksichtigung ihres Absolutwertes.
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In der Meßtechnik sowie in der Steuerungs- und Regelungstechnik tritt
häufig das Problem auf, zwei Spannungen miteinander zu vergleichen und bei völliger
übereinstimmung der Spannungswerte ein Kriterium, z. B. eine Signalspannung, zu
erzeugen, die gegebenenfalls für weitere Steuerungsaufgaben herangezogen werden
kann.
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Bekannte Lösungen dieser Aufgabe gehen von einer aus Widerständen
gebildeten Kompensationsschaltung aus, bei der ein in den Kompensationskreis eingeschaltetes
Meßgerät im Falle der Spannungsgleichheit der zu vergleichenden Spannungen den Wert
Null anzeigt (Nullabgleich). Solche Schaltungen, die auf einer Spannungs- bzw. Strommessung
beruhen, arbeiten mit geringer Steilheit, d. h., kleinere Abweichungen vom Nullabgleich
ergeben kein ausgeprägtes Gegenkriterium.
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Andere bekannte Lösungen machen von elektronischen Schaltkreisen Gebrauch,
die bei einem bestimmten Spannungswert (Schwellwert) ansprechen. Dazu gehört der
unter der Bezeichnung Schmitt-Trigger bekannte Spannungsdiskriminiator. Mit diesem
elektronischen Schalter kann zwar bestimmt werden, ob eine zu messende Spannung
A kleiner ist als eine Vergleichsspannung B; es kann aber nicht unterschieden werden,
ob die Spannung A genau gleich der Spannung B oder ob A größer als
B ist.
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Außerdem ist ein elektronischer Umschalter mit drei stabilen Lagen
bekannt, die einem positiven und einem negativen Steuerstrom sowie dem Steuerstrom
Null zugeordnet sind.- An dem Eingang des Umschalters liegt jeweils nur einer der
genannten Steuerströme. Ein Vergleich zweier Spannungswerte ist mit diesem Umschalter
nicht möglich.
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Schließlich ist es noch allgemein bekannt, zwei Verstärkerelemente
über je eine ihrer steuerbaren Elektroden zu koppeln, um dadurch ein bistabiles
System zu schaffen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zu entwickeln, die die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und einen Spannungsvergleich
unabhängig vom Absolutwert der Spannungen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß besteht eine Schaltungsanordnung zum Vergleich zweier
Gleichspannungen ohne Berücksichtigung ihres Absolutwertes aus einer mit zwei Verstärkerelementen
versehenen Kippschaltung ; mit je einem Eingang zum Anschließen der zu vergleichenden
Spannungen und je einem Ausgang zum Abgreifen von als Kriterien für das Vorhandensein
von Spannungsgleichheit (Ui = U2) oder positiven oder negativen Abweichungen
(Ui > U2 oder Ui< U2) ;
dienenden Ausgangssignalspannungen, die bei Spannungsgleichheit
gleiche Polaritäten (quasistabiler Zustand der Schaltung) und bei positiven Abweichungen
eine andere ungleiche Polarität (erster stabiler Zustand) als bei negativen Abweichungen
(zweiter t stabiler Zustand) aufweisen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie deren Wirkungsweise werden
an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. In der
Zeichnung bedeutet F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
F i g. 2 eine Ergänzungsschaltung zur Gewinnung eines einzigen Ausgangssignals bei
Gleichheit der Eingangsspannungen, F i g. 3 eine Schaltungsanordnung für eine der
Schaltung nach F i g. 1 vorzuschaltende Vorstufe bei hochohmigen Spannungsquellen
und F i g. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit zwischen der Eingangsspannung -
Ui und den Ausgangssignalspannungen Uai und Ua" bei konstanter Spannung - U2 zeigt.
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In Fig. 1 bezeichnen 1 und 2 je einen Transistor vom npn-Typ. Die
zu vergleichenden Eingangsgleichspannungen sind als Batterien 3, 4 mit einstellbarem
Spannungswert bzw. einstellbarer EMK dargestellt. Die Betriebsspannung UB, für die
Schaltungsanordnung liegt zwischen den Klemmen 5, 6 einerseits und Masse andererseits.
Die Klemme 5 ist über einen Widerstand 7 mit dem Kollektoranschluß 8 des Transistors
1 verbunden, dessen Emitteranschluß 9 über eine Diode 10 am negativen Pol
der Batterie 3
liegt. In analoger Weise steht die Klemme 6 über einen Widerstand
11 mit dem Kollektoranschluß 12 des Transistors 2 in Verbindung, dessen Emitteranschluß
13 über eine Diode 14 am negativen Pol der Batterie 4 liegt. Die positiven
Pole der Batterien 3, 4 liegen an Masse. Die Dioden 10, 14 sind in bezug
auf die Polung der Batterien in Durchlaßrichtung geschaltet.
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Von dem der Klemme 5 abgewandten Anschluß des Widerstandes 7 führt
ein Strompfad über einen Widerstand 15 an den Basisanschluß 16 des Transistors
2 und gleichzeitig an einen Widerstand 17, der am negativen Pol der Batterie 3 und
an der Kathode der Diode 10 liegt. In gleicher Weise führt von dem der Klemme 6
abgewandten Anschluß des Widerstandes 11 ein Strompfad über einen Widerstand
18 an den Basisanschluß 19 des Transistors 1 und gleichzeitig an einen Widerstand
20, der mit dem negativen Pol der Batterie 4 und der Kathode der Diode 14 verbunden
ist.
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Ein erstes Ausgangssignal Ual und ein zweites Ausgangssignal Ua2 werden
an je einer Ausgangsklemme 21 und 22 bzw. an den Kollektoranschlüssen 8 und 9 der
Transistoren 1 und 2 abgegriffen.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltung ist folgende:
Die Schaltungsanordnung und insbesondere der Wert der Widerstände 15 und
18 ist so dimensioniert, daß bei gleichen Spannungswerten der Eingangsspannungen
Ul und U2 ein quasistabiler Zustand auftritt, der neben zwei stabilen Schaltzuständen
möglich ist, in denen entweder der Transistor 1 oder der Transistor 2 völlig gesperrt
ist. Bei gleichen Eingangsspannungen U1 und U2 sind beide Transistoren zu etwa 90
% gesperrt. Dieser Zustand entspricht dem Schnittpunkt S zwischen
den Kurven Uai und Ua2 des Diagramms in F i g. 4; Uai und Ua2 sind dann positiv.
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Ist dagegen z. BUi kleiner als U2, d. h. U1 negativer als U2, so wird
auch die Basisspannung für den Transistor 2 negativer. Das entspricht einer Steuerung
des Transistors 2 in den Sperrbereich. Dadurch wird das Potential am Kollektoranschluß
12 positiver und der Transistor 1 wegen der Kopplung zwischen Kollektoranschluß
12 und Basisanschluß 19 des Transistors 1 leitender. Gleichzeitig wirkt sich die
negativere Eingangsspannung U1 auch über die Diode 10 auf die Emitterspannung
des Transistors 1 aus, die dadurch ebenfalls negativer wird und den Transistor
1
leitender werden läßt. Daraus resultiert eine Verringerung des Kollektorpotentials
bzw. der Ausgangsspannung Ual, wodurch der Transistor 2 über den Widerstand 15 in
den Sperrzustand übergeführt wird. Dieser Zustand entspricht der ersten stabilen
Lage der Schaltungsanordnung. In diesem Zustand ist die Ausgangsspannung Ua. positiv,
die Ausgangsspannung Ual negativ (vgl. Punkt N in F i g. 4) und Ual annähernd
gleich U1.
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Der zweite stabile Zustand der Schaltungsanordnung ergibt sich dann,
wenn die Eingangsspannung U1 größer als U2 ist, d. h. wenn U1 positiver als U2 ist
(vgl. Punkt P in F i g. 4). Dann gelangt in analoger Weise der Transistor 1 in den
Sperrzustand und der Transistor 2 in den leitenden Zustand, wodurch die Ausgangsspannung
Ual positiv, die Ausgangsspannung Ua2 negativ und Ua2 annähernd gleich U2 wird.
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Die Polarität der Ausgangsspannungen Ual und Ua2 kann also unabhängig
vom Absolutwert der Eingangsspannungen U1 und U2 als Kriterium dafür verwendet werden,
daß U1 entweder kleiner, größer oder gleich U2 ist; und zwar gilt folgendes: Ist
die Ausgangsspannung 1. Ual positiv, dann ist Ui größer, d. h. positiver
als U2; 2. Ua2 positiv, dann ist U1 kleiner, d. h. negativer als U2.
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Sind die Ausgangsspannungen 3. Ual und Ua2 positiv, so ist
U1 gleich U2.
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Da in vielen Fällen nur dann ein Ausgangssignal erwünscht ist, wenn
U1 gleich U2 ist, d. h., wenn Ual und Ua2 positiv sind, können die Ausgangsklemmen
21 und 22 mit den Eingängen 23 und 24 einer logischen
Schaltung verbunden werden, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist.
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Die als Konjunktionsschaltung (»Und«-Schaltung) bekannte Anordnung
besteht im wesentlichen aus zwei Dioden 25, 26, deren Anoden miteinander verbunden
sind und über einen Widerstand 27 an einer Betriebsspannung UB 1 liegen.
Die Kathode der Diode 25 ist mit der Ausgangsklemme 21 und die Kathode der Diode
26 mit der Ausgangsklemme 22 verbunden. Wenn an den Klemmen 21, 22 gleichzeitig
positive Potentiale erscheinen, so werden die Dioden in Sperrrichtung vorgespannt.
Damit tritt an einer auf gleichem Potential wie der Schaltungspunkt 28 liegenden
Ausgangsklemme 29 ein der Spannungsdifferenz zwischen Ual und Ua2 einerseits und
UB 1 andererseits entsprechendes Potential U" auf. Erhalten dagegen eine
oder beide Ausgangsklemmen 21 und 22 kein positives Potential, dann tritt ein der
kleinsten Eingangsspannung Ual, Ua. entsprechendes Potential U" auf, das praktisch
gleich Null oder negativ sein kann, so daß also nur bei gleichzeitigem Vorhandensein
zweier positiver Potentiale an den Klemmen 21 und 22 ein über Null liegendes
Potential an der Klemme 29 erscheint.
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Innerhalb des durch eine Schraffur gekennzeichneten Bereichs 30 in
F i g. 4 wird an sich keine eindeutige Aussage darüber erhalten, ob - U1 größer
oder kleiner als - U., ist, weil zu beiden Seiten des Abszissenwertes - U2 die Ausgangssignalspannungen
Ual und Ua. noch positiv sind. Dieser Bereich läßt sich aber gegebenenfalls so gering
halten, daß die Anzeigegenauigkeit nicht beeinflußt wird. Die Schaltungsanordnung
gemäß F i g. 1 setzt niederohmige Eingangsspannungsquellen Ui und U2 voraus. Sollen
hochohmige Spannungsquellen miteinander verglichen werden, dann ist es zweckmäßig,
eine Vorstufe nach F i g. 3 einzuschalten. Die Vorstufe paßt den hohen Innenwiderstand
der Eingangsspannungsquellen Uel und Ue. an die Eingänge 31, 32 der Schaltung in
F i g. 1 an.
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Die Schaltung der Vorstufe ist völlig symmetrisch aufgebaut. Sie enthält
zwei Transistoren 33, 34 vom pnp-Typ, deren Kollektoranschlüsse unmittelbar miteinander
und mit einer an die negative Betriebsspannung UB 2 anzuschließenden Klemme
35, deren Emitteranschlüsse über je einen Widerstand 36, 37 mit Masse und deren
Basisanschlüsse einerseits über je einen Widerstand 38, 39 mit den zu vergleichenden
Eingangsspannungsquellen Uel und Ue2 und andererseits über je einen Widerstand
40, 41 mit Abgriffen 42, 43 eines Spannungsteilers aus den in Reihe liegenden
Widerständen 44, 45 und 46 verbunden sind. Die dem Widerstand 45 abgewandten
Enden der Widerstände 44 und 46 liegen an Masse, und der Widerstand 45 ist ein Einstellwiderstand,
dessen Schleifer an die Klemme 35 angeschlossen ist. Mit dem Schleifer des Einstellwiderstandes
45 läßt sich die Vorstufe Symmetrieren. Die niederohmigen Ausgänge der Vorstufe,
die mit 47 und 48 bezeichnet sind, werden mit den Klemmen 31 und 32 der Schaltung
gemäß F i g. 1 verbunden. Für eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung werden folgende Widerstandswerte angegeben: 7 und 11
................... 10 kOhm 15 und 18 ....... . ...........
100 kOhm 17 und 20 ................... 12 kOhm 27 .........................
18 kOhm 36 und 37 ................... 1 kOhm 38, 39, 40 und
41 ............ 47 kOhm 44 und 46 ................... 22 kOhm
45 ......................... 160 kOhm Die zu vergleichenden Spannungen liegen zweckmäßigerweise
in der Größenordnung der Betriebsspannung UB 1.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung beruht im wesentlichen
auf dem geringen Schaltungsaufwand, der großen Anzeigesteilheit, die auf den Rückkopplungseffekt
zurückzuführen ist, und der Unabhängigkeit der Anzeige vom Absolutwert der zu vergleichenden
Spannungen.