DE2318281C3 - Kapazitive Druckgeberschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Druckgeberschaltung, insbesondere zur Druckmessung von Arbeitsmedien an Bord von Fahrzeugen, mit veränderlicher, von einem mit dem Arbeitsmedium in

ίο Verbißdung stehenden Wandler gesteuerter, mit einer Integrationsstufe zusammenwirkender Kapazität, deren Meßwerte über eine Leistungsstufe einem Anzeigegerät zugeführt werden.

Eine derartige Druckgeberschaltung kann zur Regelung des Öldrucks im Motor oder zur Messung des Drucks verwendet werden, der im hydraulischen Bremskreis besteht, oder auch zur Messung des Druckes der Druckluft-Speicherbehälter für Druckluftbremsanlagen oder andere Zwecke.

Aus ATM, Lieferung 352, 1965, S. R 49-R 52, ist bereits eine kapazitive Druckgeberschaltung der eingangs genannten Gattung bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Differentialdruckgeber, der im Bereich zwischen ¹Q-⁶und 10~²Torr,d. h. im Vakuum betrieben wird. Die Integrationsstufe dieses Differentialdruckgebers besteht aus einem Gleichspannungsverstärker hoher Verstärkung, der kapazitiv rückgekoppelt ist, während die veränderliche Kapazität als Meßkondensator in einer Meßbrücke (Typ Wheatstone) angeordnet ist, welche bekanntlich schwierig zu kompensieren ist, sowohl hinsichtlich ihrer Systemfehler als auch aufgrund ihrer starken Temperaturabhängigkeit.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgeber zur Messung des Absolutdruckes von Oberdrucken zu entwickeln, der relativ einfach und störsicher, insbesondere im Hinblick auf die Integrationsstufe, ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer kapazitiven Druckgeberschaltung der angegebenen Gattung die veränderliche Kapazität ein die Integrationswirkung der Integrationsstufe bestimmendes Element derselben ist, der Ausgang der Integrationsstufe an einer Schwellwertstufe liegt, deren Ausgangsimpuls eine monostabile Kippstufe, die einerseits zum Eingang der Integrationsstufe rückgekoppelt und andererseits mit der Leistungsstufe verbunden ist, steuert.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Wie im nachstehenden noch näher erläutert wird, besteht der Grundgedanke darin, die Kapazitätsveränderung in eine Veränderung des Tastverhältnisses bzw. des Arbeitszyklus umzuwandeln, wobei die erwähnte Kapazität als Integraticnselement verwendet wird, dem eine »Trigger«-Schwellenschaltung und nachfolgend eine monostabile Kippstufe nachgeschaltet sind, wobei die Kippstufe die Integrationsstufe ansteuert und somit eine Rückkopplung herstellt und gleichzeitig eine Leistungsstufe versorgt, die mit einem Anzeigegerät verbunden ist. Der Mittelwert des Ausgangssignals der monostabilen Kippstufe ist in der Tat proportional der Kapazitätsveränderung und damit der Druckveränderung.

Diese Lösung hat den Vorteil, daß die Anzahl der zur Druckgeberschaltung benötigten Bauelemente und damit die möglichen Fehlerquellen äußerst gering sind.

Eine besonders einfache und störsichere Ausgestaltung der Druckgeberschaltung ergibt sich dadurch, daß die Integrationsstufe im wesentlichen aus der veränder-

lichen, an Masse liegenden Kapazität sowie einer dazu in Reihe geschalteten Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer Diode, deren Kathode dem Eingang der Integrationsstufe zugekehrt ist, aufgebaut ist

Der veränderliche Kondensator ist demnach nicht in eine Netzbrücke geschaltet, sondern bildet einen integrierenden Teil der Verarbeitungsschaltung selbst, welche deshalb bequem der jeweils verwendeten Kapazität angepaßt werden kann.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung hegt darin, daß die aufgezählten elektronischen Stufen bzw. deren Funktionen stark miteinander verkoppelt sind, so daß beispielsweise nur drei Transistoren benötigt werden, und die Schaltung leicht integrierbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 eine Darstellung der in F i g. 1 "ngegebenen Schaltung in Form eines Blockschaltbildes,

F i g. 3 bis 7 graphische Darstellungen der Spannungsverläufe an wesentlichen Punkten an der Schaltung,

F i g. 8 und 9 den Spannungsverlauf am veränderlichen Kondensator und

Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel der Integrationsstufe.

In Fig. 1 ist mit 100 eine Gleichspannungsquelle zur Speisung der Schaltung bezeichnet, die beispielsweise eine Fahrzeugbatterie sein kann oder ein Wechselstromerzeuger mit Brückengleichrichter. Der negative Pol der Spannungsquelle liegt an Masse, während der positive Pol über einen Schalter 101 mit einem ersten Transistor 102 vom npn-Typ verbunden ist. Die Kollektorelektrode 104 dieses Transistors ist mit der Spannungsquelle über einen Widerstand 106 verbunden, der mit einer Diode 108 parallel geschaltet ist, deren Anode mit der Kollektorelektrode 104 verbunden ist. Der Emitter 110 liegt über einen Kondensator 112 an Masse, zu dem ein Widerstand 114 parallel geschaltet ist, der einerseits an Masse liegt und andererseits über zwei Dioden 116, 118 und einen Widerstand 120 in Reihenschaltung mit der Spannungsquelle verbunden ist. Bei beiden Dioden sind die Anoden der Spannungsquelle zugekehrt. Die Basis 122 des Transistors 102 ist mit der Spannungsquelle in Reihe mit einer Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand 124, einem Kondensator 126 und aus einer Diode 128, von welch letzterer die Anode mit der Basis verbunden ist, und einem Widerstand 130 verbunden. Die Kathode der Diode 128 und damit die Verbindungsstelle 132 ist mit der Kollektorelektrode 104 und damit mit der Verbindungsstelle 134 über einen Kondensator 136 verbunden, wobei der Stromkreis der Basis 122 ferner Masseverbindung über den veränderlichen Kondensator 138 hat, der sich in Parallelschaltung zu einer Diode 140 befindet, deren Anode an Masse liegt. Der veränderliche Kondensator 138 wirkt mit dem Wandler 142 zusammen, der in an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann.

Sein Mittelwert verändert sich in Abhängigkeit von dem Druck des auf ihn wirkenden Arbeitsmediums.

Ein zweiter Transistc·¹144 vom pnp-Typ ist mit seiner Basis 146 mit der Verbindungsstelle 134 verbunden, während seine Kollektorelektrode 148 über einen Widerstand 150 an MaSSe liegt und der Emitter 152 mit einem Spannungsteiler polarisiert ist, der durch zwei Widerstände 154 und 156 gebildet wird, die mit der Spannungsquelle bzw. mit Masse verbunden sind.

Ein dritter Transistor 158 vom npn-Typ ist mit seiner Kollektorelektrode 160 mit der Verbindungsstelle 132 verbunden, während sein Emitter 162 mit der Basis 164 eines vierten Transistors 166 vom npn-Typ verbunden ist, der einen Teil der Leistungsstufe bildet und dessen Emitter 168 an Masse liegt, während seine Kollektorelektrode 170 mit einer Mittelwert-Anzeigestufe 172 an sich bekannter Art verbunden ist, die ein Anzeigegerät

ίο 174 und/oder Alarmvorrichtungen (nicht dargestellt) betätigt.

Der Kollektor 148 des Transistors 144 ist über eine Leitung 176 mit der Basis 178 des Transistors 158 verbunden.

Bei einer Anordnung der vorangehend beschriebenen Art lassen sich verschiedene untereinander zusammenwirkende Elementarstufen erkennen, wie besser aus dem Blockschema der F i g. 2 ersichtlich ist, in welchem mit 200 eine Integrationsstufe bezeichnet ist, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Widerstand 124, den Kondensator 126, die Diode 128 und den veränderlichen Kondensator 138 gebildet wird. Mit 202 ist eine Triggerschaltung mit Schaltschwellenwerten bezeichnet, die durch den Transistor 102 und dessen Polarisationswiderstände 114 und 120 gebildet wird. Mit 204 ist ein monostabiler Multivibrator dargestellt, der gebildet wird durch die Transistoren 144 und 158, deren Polarisation^widerstände 150,154,156, die Widerstände 106, 130 und durch den für die monostabile Schaltung typischen Kondensator 136 und schließlich durch den Transistor 166, welcher die Ausgangslast bildet.

In F i g. 2 lassen sich die Verbindungspunkte 132,122, 104 und nochmals 132, woraus ersichtlich ist, wie der Rückkopplungskreis geschlossen ist, und nachfolgend die Leistungsstufe 206 und das Anzeigegerät 174 erkennen.

Die Spannungsquelle 100 kann eine beliebige Spannung liefern, und bei dem dargestellten Beispiel kann eine Spannung von etwa 12 Volt gewählt werden.

Der Transistor 102 ist normalerweise beim Fehlen von Signalen an seiner Basis 122 nicht leitend. Die Werte der Polarisationswiderstände des Emitters 110, d. h. die Widerstände 114 und 120 sind so gewählt, daß die Spannung am Emitter Vn etwa 5 Volt beträgt. In diesem Falle beträgt die Schwellenspannung an der Basis 122 zur Umschaltung des Transistors etwa 5,5 Volt. Außerdem ist dieser Transistor so gewählt, daß der Stromgewinn sehr hohe Werte aufweist, unmittelbar nachdem der Umschalt-Schwellenwert erreicht worden ist, so daß der Transistor rasch gesättigt wird und daher die Umschaltung in sehr kurzer Zeit geschieht.

Der Transistor 144 ist normalerweise nicht leitend. Die Spannung an seiner Basis 146 beträgt etv/a 12 Volt und die Polarisation des Emitters 152, welche durch die Spannungsteilerwiderstände 154, 156 geschieht, ist derart, daß die Spannung des Emitters niedriger als der Schwellenwert zur Umschaltung des Transistors ist. Die Merkmale des Transistors 144 sind die gleichen wie die des vorangehenden und auch der nachfolgend beschriebenen Transistoren.

Der Transistor 158 ist ebenfalls normalerweise nicht leitend. Seine Basis 178 hat das gleiche Potential gegenüber Masse wie die Kollektorelektrode 148 des Transistors 144, d. h. praktisch das Potential Null, da der Transistor 144 seinerseits nicht leitend ist.

Der Transistor 166 ist nicht leitend, da seine Basis 164 annähernd das Potential Null hat, während seine Kollektorelektrode 170 mittels eines Widerstandes

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polarisiert ist und infolgedessen ein erhöhtes Potential hat.

Die Diode 140 kompensiert den Strom Icbo im Transistor 102. Die Dioden 116, 118 sind zur Kompensation der Spannung Veb des Transistors 102 vorgesehen.

Die Diode 108 ermöglicht die Entladung des Kondensators 136 bei jedem Zyklus in Vorbereitung für den nachfolgenden Zyklus, und die Diode 128 ist für die gleiche Funktion hinsichtlich des Kondensators 138 vorgesehen.

Wirkungsweise

Wenn der Stromkreis mittels des Schalters 10! geschlossen wird, werden die verschiedenen Bauelemente und insbesondere der Verbindungspunkt 132 sowie die Kollektorelektrode 160 des Transistors 158 gespeist. Es wird daher eine positive Spannungsstufe an den Eingang der Integrationsschaltung 200 zum Zeitpunkt fi gelegt, wie sich aus F i g. 3 ergibt. Wie bereits erwähnt und wie in Fig. 10 erkennbar ist, ist die Integrationsschaltung 200 zusammengesetzt aus einem Widerstand 124 = /? in Parallelschaltung mit einem Kondensator 126 = C und aus dem Kondensator 138 = Cx. Wenn Vi die an den Eingang gelegte Spannung ist, läßt sich leicht feststellen, daß die Ausgangsspannung in Abhängigkeil von der Zeit wie folgt ist:

VaU) =

Cx C + C

R(C

f Cx)J'

Die Spannung nimmt daher zu, bis sie den Umschalt-Schwellenwert Vs des Transistors 102 erreicht (Fig.4). Aus der Gleichung (I) läßt sich das jeweilige Zeitintervall Tentnehmen:

τ = mc +

Cx

Vi - Vs] "

wobei das Argument des Logarithmus konstant ist. wenn C= 0, so daß in diesem Falle Tproportional Cx ist. Für die Wirkung auf die Arbeitsweise des Anzeigegerätes 174 erweist sich jedoch C als unerläßlich, wie nachfolgend näher erläutert wird.

In dem unmittelbar darauffolgenden Augenblick f2 erfährt der Transistor 102 eine rasche Sättigung und fällt die Spannung an seiner Kollektorelektrode 104 und gleichzeitig an der Basis 146 des Transistors 144, die mit dieser verbunden ist, so daß auch der Transistor 144 umgeschaltet wird, wodurch er eine rasche Sättigung erfährt und Hie Spannung an seinem Kollektor 148 sowie an der Basis 178 auf einen solchen Wert erhöht wird, daß der Transistor 158 seinerseits und damit der Transistor 166 umgeschaltet wird, wodurch die positive Rückwirkung auf die Basis 146 verstärkt wird, deren Potential über den Kondensator 136 und die Transistoren 158 und 166 praktisch auf Null abfällt Die Spannung am Verbindungspunkt 134 hat daher den in Fig.5 angegebenen Verlauf mit einem plötzlichen Abfall auf den Wert Null im Augenblick (2. Gleichzeitig ist die Spannung an der Basis 178 und am Emitter 162 die in Fig.6 dargestellte, während die Spannung an der Kollektorelektrode 170 in F i g. 7 angegeben ist.

Unmittelbar nach dem Augenblick h entlädt sich der Kondensator 138 über die Diode 128 und die Transistoren 158 und 166, während der Kondensator 136, der vorher über die Diode 108, den Widerstand 130 und die Transistoren 158 und 166 entladen worden war, sich über den Widerstand 106 und die beiden vorerwähnten Transistoren aufzuladen beginnt. Wenn die Kapazität von 136 und der Wert des Widerstandes

ij 106 konstant sind, ist die Exponentialfunktion der Ladung immer konstant, so daß die Zeit T', die für die Spannung am Verbindungspunkt 134 und damit an der Basis 146 erforderlich ist, um den Schwellenwert V₅ des Transistors 144 zu erreichen, konstant ist. Wenn dieser Wert im Augenblick f₃ erreicht wird, schaltet der Transistor 144 rasch um und weist der Spannungsverlauf an seiner Basis eine Stufe AV(F ig. 5) auf. Im gleichen Augenblick schalten alle anderen Transistoren um und erfolgt, wie aus den graphischen Darstellungen ersichtlich ist, eine Rückkehr zu den für den Augenblick fi beschriebenen Ausgangsbedingungen.

Schließlich ist erkennbar, daß die Spannung am Kollektor 170 des Transistors 166, d. h. praktisch die Ausgangsspannung der soeben beschriebenen Schaltung eine Impulsform gemäß F i g. 6 aufweist. Während jedoch das Zeitintervall T unveränderlich ist, verändert sich das Intervall T, wie gezeigt, wenn sich Cx, d. h. der zu messende Druck, verändert. Der Mittelwertgeber 172 steuert daher das Meßgerät 174 in Abhängigkeit von der Veränderung von Cx.

Wenn das Gerät um so zufriedenstellender arbeitet, je mehr Stromlieferung erreicht wird, ist es erforderlich, daß die Intervalle Γ ausreichend schmal sind. Dies wird durch den Kondensator 126 erreicht. Für erhöhte Werte der Kapazität 138 würde T offensichtlich sehr groß werden, wodurch ein ungünstiges Tastverhältnis erhalten wird. Das Vorhandensein des Kondensators 126 bewirkt, daß in dieser Situation im Augenblick fi die Spannung am Verbindungspunkt 132 zwischen den beiden Kondensatoren aufgeteilt wird (F 1 g. 8 und 9), wodurch ein sofortiger Beitrag erhalten wird, der durch die Aufteilung bedingt ist, und die Spannung nachfolgend in Form einer Exponentialfunktion ansteigt. Wie ersichtlich, ist auf diese Weise das Zeitintervall T", welches die Spannung braucht, um den Schwellenwert Vs zu erreichen, wesentlich geringer als die Zeit T. welche ohne die Mitwirkung des Kondensators 126 erforderlich ist Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Kondensator 138 ein veränderlicher Kondensator von 10 pF bis 47 pF. Um die beschriebenen Vorteile zu erzielen, genügt ein Kondensator 126 mit einer Kapazität von 15 pF.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kapazitive Druckgeberschaltung, insbesondere zur Druckmessung von Arbeitsmedien an Bord von Fahrzeugen, mit veränderlicher, von einem mit dem Arbeitsmedium in Verbindung stehenden Wandler gesteuerter, mit einer Integrationsstufe zusammenwirkender Kapazität, deren Meßwerte über eine Leistungsstufe einem Anzeigegerät zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Kapazität (138) ein die Integrationswirkung der Integrationsstufe (200) bestimmendes Element derselben ist, der Ausgang der Integrationsstufe (200) an einer Schwellwertstufe (202) liegt, deren Ausgangsimpuls eine monostabile Kippstufe (204), die einerseits zum Eingang (132) der Integrationsstufe (200) rückgekoppelt und andererseits mit der Leistungsstufe (206) verbunden ist, steuert.

2. Druckgeberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Integrationsstufe (200) die veränderliche Kapazität (138) an Masse liegt und eine zur Kapazität (138) in Reihe liegende Parallelschaltung, bestehend aus einem Widerstand (124), einem Kondensator (126) und einer Diode (128), deren Kathode dem Eingang (132) zugekehrt ist, vorgesehen ist.

3. Druckgeberschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderlichen Kapazität (138) eine mit ihrer Anode an Masse liegende Diode (140) parallel geschaltet ist, die Schwellwertstufe (202) aus einem npn-Transistor (102) und einem Spannungsteiler (120, 114) besteht, daß der Ausgang der Integrationsstufe (200) an der Basis (122) des Transistors (102) liegt, dessen Emitter (110) durch die zwei mit der Spannungsquelle (100) bzw. mit der Masse verbundenen Widerstände (120, 114) polarisiert ist und über einen Kondensator (112) an Masse liegt, und dessen Kollektor (104) einerseits über eine ihm mit ihrer Anode zugewandten Diode (108) und einen dazu parallelen Widerstand (106) mit der Spannungsquelle (100) und andererseits mit der Basis (146) eines zweiten pnp-Transistors (144) verbunden ist, der zusammen mit einem dritten npn-Transistor (158) und einem Kondensator (136) Element der Kippstufe (204) ist, in welcher der zwischen dem Kollektor (160) des Transistors (158) und der Basis (146) des Transistors (144) angeordnete Kondensator (136) über einen Widerstand (130) mit der Spannungsquelle (100) verbunden ist und der Kollektor (148) des Transistors (144) über eine Leitung (176) die Basis (178) des Transistors (158)

' steuert, während beim Transistor (144) dessen Emitter (152) durch einen zwischen der Spannungsquelle (100) und Masse liegenden Spannungsteiler (154, 156) polarisiert ist und dessen Basis (146) über den Kondensator (136) mit dem Eingang (132) der Integrationssiufe (200) verbunden ist, daß der Kollektor (160) des Transistors (158) zum Eingang (132) der Integrationsstufe (200) rückgekoppelt ist und sein Emitter (162) die Leistungsstufe (206) steuert, daß die Leistungsstufe im wesentlichen aus einem vierten npn-Transistor (166), dessen Emitter (168) an Masse und dessen Kollektor (170) an der Spannungsquelle (100) liegt, und einer Mittelwertanzeigestufe (172) besteht, und daß die Mittelwertanzeigestufe (172) zwischen dem Kollektor (170) una dem Anzeigegerät (174) angeordnet ist