DE3117878A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer mechanischen verstellung in ein gleichstromsignal - Google Patents

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD Mein Zeichen

Kawasaki / Japan VPA 30 F S589 DE

Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung in ein Gleichstromsignal

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs. 1.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (DE-OS 29 32 051) zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung ist ein Paar von gegensinnig veränderbaren Kondensatoren mit Gleichströmen beaufschlagt, die durch Gleichrichtung und Glättung aus einer Wechselspanung hergeleitet sind. Diese Gleichströme verhalten sich proportional zur Änderung der Kapazitäten dieser Kondensatoren und sind auf einen Differenzregelverstärker geführt, der . die Wechselspannung eines Oszillators in solch einer Weise regelt, daß die Summe der Gleichströme gleich einem Referenzstrom ist. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung ist es notwendig, ein stabiles Referenzspannungselement vorzusehen, damit die Stabilität des Betrages des Referenzstromes sichergestellt ist, und es ist ferner notwendig, bei dieser bekannten Schaltungsanordnung eine Konstantstromquelle für das Referenzspannungselement vorzusehen, so daß der Strom in dem Referenzspannungselement auf einen konstanten Betrag festgehalten ist. Dies hat zur Folge, daß die bekannte Schaltungsanordnung in nachteiliger Weise kompliziert aufgebaut ist und daß dadurch Fehlerquellen und Störungen vermehrt auftreten können. Demzufolge besteht der Wunsch, diese Nachteile zu vermeiden.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung sind zwei Kondensatoren vorhanden, deren prinzipielle Anordnung in der

Ag 3 Sby / 29.04.1981

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Fig. 1 dargestellt ist; die Kondensatoren weisen in bekannter Weise eine gemeinsame Elektrode auf, welche in ihrer Lage durch die mechanische Verstellung verändert wird. Die Kondensatoren C. und C_? werden somit in ihrer Kapazität gegensinnig verändert, so daß eine Anzeige des Betrages der mechanischen Verstellung, - mathematisch durch Bildung des Verhältnisses aus der Summe und der Differenz der beiden Kapazitäten - möglich ist. Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung darf die bewegliche TO Elektrode keinen großen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden, wie sie beispielsweise beim Einsatz in Niveaumeßeinrichtungen für Flüssigkeiten oder ähnlichem auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, bei der die oben erwähnten Nachteile vermieden sind und trotzdem eine vergleichbare Stabilität mit einem stark vereinfachten Schaltungsaufbau im Unterschied zur bekannten Schaltungsanordnung erreicht werden kann, so daß die Fehlerquellen und Störungen vermindert sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs angegebene Schaltungsanordnung erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des -Anspruchs 1 aufgebaut.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in Fig. 2 eine schematische Darstellung einer prinzipiellen Anordnung von Kondensatoren als Impedanzelemente der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung in ein Gleichstromsignal, bei der die variable Kapazität vermindert wird, in der

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Fig. 3 eine Darstellung einer Anordnung, bei der die variable Kapazität aufgrund der mechanischen Verstellung vergrößert wird, in der

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der gesaraten erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem variablen Kondensator und in der

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit zwei gegensinnig veränderbaren Kondensatoren dargestellt.

Unter der Annahme, daß die Flächen der Elektroden des festen und des veränderlichen Kondensators (Kapazitäten C₁ und Cp) mit A, der Abstand zwischen diesen Elektroden mit d, die Veränderung des Abstandes d mit Ad und mit ί die Dielektrizitätskonstante bezeichnet ist, können für den in der Fig. 2 dargestellten Fall folgende Gleichungen aufgestellt werden:

C₁ = i A/d, C₂ = L A / (d +Ad) 20

C₁ - C₂ = ί A . Ad / [d(d + 4d)j

= [[A / (d + ad)] .- Ad / d

Somit ergibt sich

(C₁ - C₂) / C₂ = Ad / d

Für den in der Fig. 3 dargestellten Fall können folgende Gleichungen aufgestellt werden:

C₁ = £A/d, C₀ = £A / (d - Ad)

^{Ί d}

C₂ - C₁ = t A . ad / [d(d - 4d)J

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- Λ .- VPA 80 P 8539 DE = £α / (d - ad)] . Ad / d. Somit ergibt sich

(C₂ - C₁) / C₂ =,6d/d.

In beiden der dargestellten Fälle ist die Veränderung Ad des Abstandes d zwischen den Elektroden, die mit' der mechanischen Verstellung korrespondiert, proportional dem Verhältnis der Differenz der Kapazitäten (C - Cp) zu der variablen Kapazität C .

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die ein Paar von Kondensatoren C und C„ gemäß Fig. 2 aufweist, ist in der Fig. A dargestellt.

Bei der in der Fig. 4 dargestellten Anordnung, in der eine Wechselspannung mit der Frequenz f von einem Oszillator OSC erzeugt wird, wird diese Wechselspannung über einen Ausgangstransformator mit Sekundärwicklungen W₁, W- und W_ und über eine Gleichrichterschaltung (D₁ ... D.) auf die Kondensatoren C und C~ übertragen und steht somit zur Messung zur Verfügung. Die dabei fließenden Gleichströme I₁ und I_? korrespondieren mit den Kapazitäten der Kondensatoren C₁ und C_ und sind mittels Dioden D und D₀ gleichgerichtet, mittels Kondensatoren C- und C geglättet und fließen jeweils durch eine Reihenschaltung von Widerständen R₁ und

Im Hinblick auf den festen Kondensator C erreicht die Spannung, die an ihm anliegt, einen Wert, der durch Subtraktion der Gleichspannung V₁, die über den Wider-

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ständen R und r. abfällt, von der Spannung V , die an der Sekundärwicklung W_ während der positiven Halbwelle der vom Oszillator erzeugten Viechseispannung anliegt, gebildet ist. Die Spannung an diesem Kondensator hängt darüber hinaus auch von einer Differenz ab, die durch Subtraktion der Summe der Spannungen ^DS ~ Spannung zwischen .Drain und Source eines Feldeffekttransistors T₁ - und V_GS - Spannung zwischen Gate und Source dieses Feldeffekttransistors T "-von der Spannung V , die an der Sekundärwindung W- während der negativen Halbwelle anliegt, gebildet ist. Demzufolge ist der Gleichstrom I₁ gleich einem Produkt, gebildet aus der Kapazität des Kondensators C., der an ihm anliegenden Spannung und der Frequenz f, und kann in folgender Weise ausgedrückt werden:

p - ^(VDS - ^VGS^{+ V}1>J · ^{f (1)}

In gleicher Weise kann der Gleichstrom I-, der durch den Kondensator C^ veränderlicher Kapazität beeinflußt ist, in folgender Weise dargestellt werden:

¹Z = ^C2 -LVp- ^(VDS ^{+ V}GS ⁺

Hierbei stellt die Spannung V den Spitzenwert einer Halbwelle und die Spannung V den Wert von Spitze zu Spitze einer vollen Welle der Wechselspannung dar.

Die Differenz dieser Gleichströme I₁ und I- entspricht der Differenz von Gleichspannungen, die an den Widerständen R und r₁ abfallen. Die Differenz der Gleichspannungen wird dann in ein Gleichstromsignal I eines Ausgangstransistors T- mittels eines Differenzverstärkers Q₁ umgewandelt. Dieses Gleichstromsignal I ist auf den Widerstand r.. , der dem Kondensator C- variabler

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Kapazität zugeordnet ist, mittels eines Ausgangswiderstandes R₀ und eines Rückkopplungswiderstandes R~ rückgekoppelt. Die Rückkopplung mit dem Rückkopplungswiderstand R_f ist so ausgelegt, daß die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingängen des Differenzverstärkers Q₁ bei einem vorgegebenen Bezugswert zu Null wird. Demzufolge ist hier folgende Gleichung gegeben:

I₁ . (R₁ + r ) = I„ . (R + r ) + i^ . r\

Λ I I d I I j. ;

Außerdem fließt in dem geschlossenen Kreis, bestehend aus den Widerständen R_n, R„ und r. der Strom I - i„ durch den Ausgangswiderstand R_n, der Strom I₉ + i_ durch den Widerstand r. und der Strom i_f durch den Widerstand R„, so daß sich die folgende Gleichung ergibt:

I .r +i(r +R) = (I - i ) . R

Die folgenden Gleichungen sind durch Umstellung der vorhergehenden Gleichungen ermittelt:

(I₁ - I₂)(R₁ + r.j) + I₂.r_rr., / (T₁ + R_f + R_Q) (3]

= I . R₀ . T₁ / (T₁ + R_f + R₀)

Die folgende Gleichung ergibt sich durch Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3):

^f'[^Vp-P - ^(VDS ^{+ V}GS ⁺ VJ^(C1 - ^C2^)(R1

-_P -^(VDS ^{+ V}GS ^{+ V}·
(r. + Rf. + R_n) = I . R_n . T₁ / (T₁ + R_f. + R_n) (^)

Eine Konstantstromschaltung, die den Feldeffekttransistor T enthält und die Sekundärwicklung W_ mit den Konden-

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- ST - VPA 80 P 3589 DE

satoren C und C₂ über die Dioden D_ und D, verbindet, funktioniert wie im folgenden dargelegt.

Der Drain-Strom des Feldeffekttransistors T., namentlich der Strom I + I ist durch die Gate-Source-Spannung V_QS festgelegt, welche gleich dem Produkt I₂ . R^ ist. Wenn der Strom I_? aufgrund einer Verminderung der Kapazität des variablen Kondensators C ebenfalls vermindert v/ird, wirkt der Feldeffekttransistor T in solch einer Weise, daß die Spannung V_QS vermindert wird und der Drain-Strom I + I ansteigt. Dies hat zur Folge, daß die Drain-Source-Spannung V_DS des Feldeffekttransistors T₁ vermindert wird und sich dadurch der Betrag (V (V_n- + V_PQ + V₁)] auf der rechten Seite der Gleichung

i/o Ljo I

(2) erhöht, so daß sich auch die am Kondensator C fester Kapazität anliegende Spannung erhöht und dadurch der Gleichstrom I. ebenfalls erhöht wird. Der Einfluß, der wiederum auf den Gleichstrom I_ durch solch eine Änderung des Gleichstromes I ausgeübt wird, kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

(I₁ + I₂) = g_m - V_GS = g_m . R_k .

^T2 = ¹I ^{/ (g}m · ^Rk - ¹⁾

Hierbei ist g die Steilheit des Feldeffekttransistors m

Für die meisten Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird ein Widerstand R. in der Größenordnung von über 10 Kiloohm und eine Steilheit g_m in der Größenordnung von einigen Millimho gewählt, so daß der Betrag des Produktes g . R, in der Größen-

°m k

Ordnung von 20 bis 30 liegt. Daraus ergibt sich, daß Schwankungen des Gleichstromes I₂, hervorgerufen durch

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Schwankungen des Gleichstromes I., klein genug sind, um praktisch vernachlässigt werden zu können. Daraus ergibt sich, daß sogar, wenn die Kapazität des variablen Kondensators C_ verändert ist, der Gleichstrom I_? mittels des Feldeffekttransistors T als Bestandteil einer Konstantstromschaltung einen Strom gleichbleibender Größe darstellt. Unter der Annahme, da.3 dieser konstante Strom als Strom I. ausgedrückt werden kann, kann die folgende Gleichung aus der Gleichung (2) hergeleitet werden:

i_k = I₂ = C₂ . f .[v_p__p - (v

_p__p - (v_{DS +} V_{03 +} V

Ferner kann die folgende Gleichung durch Umstellung dieser Gleichung ermittelt werden:

f . V - (V_n. + ν_Γς + V₁)I= I. / C- (5) L ρ—ρ DS Go 1 * k 2

Die folgende Gleichung ist durch Einsetzen der Gleichung (5) in die Gleichung (4) hergeleitet:

= 1.R^r₁ZIr₁ + R_f + R₀) (6)

Zum anderen können die Kapazitäten der Kondensatoren C. und C- durch folgende Gleichungen, z. B. für den in der Fig. 2 dargestellten Fall, dargestellt werden:

C₁ =iAZd (7)

C₂ = CAZId + Ad) (8)

Wenn die Gleichung (6), um das Verhältnis zwischen der mechanischen Verstellung ad und dem Gleichstromsignal I

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- β - VPA 80 P> 8589 DE

zu erhalten, durch die Gleichungen (7) und (8) ersetzt wird, ergeben sich die folgenden Gleichungen, die schon oben erwähnt sind:

(C₁ - C₂) / C₂ = Δά / d
Daraus folgt die Gleichung:

I, .(R₁ + ν_Λ ) Äd/d + I, .r. . r. / (r- + R„ + R_n) iiii KiI IiU

= LR₀-T₁ / (T₁ + R_f + R₀).

Durch Umstellung dieser Gleichung erhält man die folgende Gleichung (9).

•Ad/d . (9)

In dieser Gleichung (9) sind das erste Glied auf der rechten Seite sowie der in eckigen Klammern befindliche Teil des zweiten Gliedes auf der rechten Seite der Gleichung und die Größe d eine Konstante, so daß sich das Gleichstromsignal I proportional zur mechanischen Verstellung Ad verhält.

Kertrer ist ca möglich, einen Bezug.'jwert de... Auygangsstromes Γ mittels einer Nullabgleichschaltung auf Null abzugleichen, wobei die Nullabgleichschaltung einen Feldeffekttransistor T und Widerstände R„ und R„ ν/ie in .Ιηγ-ΓΊ/?;. η riav^e-rA.al 11 - .infweist·.

einer Diode D- und eines Kondensators C_c aus der Wechsel-

5 b

Der Speisestrom dieser Nullabgleichschaltung ist mittels

einer Diode D- und eines Kondensator 5

spannung an der Wicklung W_ gewonnen

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Die Nullabgleichschaltung ist zur Festlegung einer Spannungsdifferenz von Null an den Eingängen des Differenzverstärkers Q₁ durch Verändern des Teilerverhältnis des einstellbaren Widerstandes R , mit dem der Betrag eines Nullabgleichstromes I . verändert werden kann, geeignet. Wenn die Eingangsspannungsdifferenz aus bestimmten Gründen nicht nach Null abgeglichen werden kann, so sollte die Eingangsspannungsdifferenz jedoch dann zu Null werden, wenn die beiden Kondensatoren C und Cp gleich sind (C. = Cp) und somit I. = Ip ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird hauptsächlich bei einer Zweibereichssignalübertragung angewendet. Bei dieser Zweibereichssignalübertragung ist der Variationsbereich des Ausgangssignals - hier das Gleichstromsignal I - ζ. B. in einem Bereich von k mA bis 20 mA und in einem weiteren Bereich von 10 mA bis 50 mA vorgegeben, wenn das Eingangssigna.1 - hier die mechanische Verstellung - sich von 0 % bis 100 %' ändert. Demzufolge ist .unter der Bedingung, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung an die verschiedenen Variationsbereiche anpaßbar ist, eine zusätzliche Abgleichmöglichkeit zur Anpassung an diese verschiedenen Variationsbereiche zusätzlich zur erwähnten Nullabgleichsschaltung notwendig. In der in der Fig. k dargestellten Schaltungsanordnung ist der Rückkopplungswiderstand R~ als veränderlicher Widerstand zur Einstellung des Variationsbereiches des Ausgangssignals ausgeführt.

Unter der Bedingung, daß der Variationsbereich des Gleichstromsignals I dem vorgegebenen Variationsbereich von k mA bis 20 mA entspricht, ist es notwendig, daß dann ein Gleichstromsignal von k mA durch den Ausgangswiderstand R_n fließt, wenn die mechanische Verstellung am Eingang 0 % ist. Zum anderen fließt der oben erwähnte Strom

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- ]Ά - VPA 80 P 8589 DE

I« + ir. und der Nullabgleichstrom I₀- somit der Gesamtstrom I_ + I_ + I - durch den Widerstand r₁, der dem variablen Kondensator C_? zugeordnet ist. Hier sind der Gleichstrom I und der Nullabgleichsstrom I _ in einem bestimmten Betrag abhängig von ihrer Funktion vorgegeben. Wenn die Widerstandswerte der Widerstände R₀ und r. nach folgender Gleichung gewählt sind

4 mA . R_n = (I₀ + I^_o) . r.

und somit der Rückkopplungsstrom I~ in diesem Fall zu Null wird, sind die Potentiale an beiden Anschlüssen des Rückkopplungswiderstandes für den Fall, daß die mechanische Verstellung 0 % ist, gleich. Bei i„ r 0 ist somit das Gleichstromsignal unabhängig vom Widerstand des Rückkopplungswiderstandes R_f. Demzufolge ist, gerade wenn der Widerstand des Rückkopplungswiderstandes R~ so gewählt ist, daß das Gleichstromsignal bei einer mechanischen Verstellung von 100 % 20 mA wird, das Gleich-Stromsignal auf einen Wert von 4 mA zurückgekehrt, wenn die mechanische Verstellung nach 0 % zurückgekehrt ist. Demgemäß besteht ein Vorteil darin, daß, wenn das Gleichstrorasignal an einem vorgegebenen Variationsbereich durch Einstellung des Wertes des Rückkopplungswiderstandes angepaßt ist,es nur notwendig ist, diese Einstellung für den gesamten Variationsbereich einmal vorzunehmen.

Ferner ist es selbstverständlich, bei einem geforderten Variationsbereich des Gleichstromsignals zwischen 10 mA und 50 mA - ebenfalls für den Schwankungsbereich der mechanischen Verstellung von 0 % bis 100 % - die Widerstände R₀ und R_f so zu wählen, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:

10 mA . R₀ = (I₀ + I₀) . r,.

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Ib

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Der Schaltungsteil mit dem Feldeffekttransistor T wie z. B. dargestellt in der Fig. ^ - arbeitet wie folgt. Für den Fall, daß die Spannung einer externen Gleichspannungsquelle U sich ändert, ändert sich die Spannung über dem Feldeffekttransistor T, aufgrund ihrer Selbstvorspannung zur Kompensation der Spannungsänderung der externen Gleichspannungsquelle U derart, daß ein konstanter Strom durch eine Zenerdiode ZD fließt, welche den Wert der Wechselspannung am Ausgang des Oszillators OSC in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung beeinflußt. Der Kondensator C~ dient einer Sperrung von Gleichspannungskomponenten.

Aus den obigen Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird deutlich, daß einer der beiden Kondensatoren zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung in ein elektrisches Signal einen festen Kapazitätswert aufweist, so daß die verstellbare Elektrode des einen Kondensators variabler Kapazität so gestaltet werden kann, daß sie den in Verbindung mit den Stand der Technik erwähnten starken Belastungen standhalten kann. Demzufolge besteht ein Vorteil darin, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung in ein elektrisches Signal einen weiten Anwendungsbereich für Niveaumessungen von Flüssigkeiten mittels einer mechanischen Verstellung in Verbindung mit,Druckzellen oder ähnlichem aufweist.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Bauelemente, die denen nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 5 liegt auch eine von einem Oszillator OSC erzeugte Wechselspannung über Sekundärwicklungen Vi. , Wp und W_ eines Transformators an einem Paar von

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tr

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Kondensatoren C.. und C _, deren Kapazität sich gegensinnig ändert in Abhängigkeit von einer mechanischen Verstellung einer beweglichen Elektrode während einer mechanischen Belastung dieser Elektrode. Die durch die Wechselspannung hervorgerufenen Ströme ändern sich in Abhängigkeit von der Veränderung dieser Kapazitäten und worden gleichgerichtet und geglättet mittels Dioden D bis D. und Kondensatoren C_, C_c und C · daraus resultieren

H J⁷O I'

zwei Gleichströme I₁ und I₁₂.

Im Hinblick auf den Kondensator C₁₁ erreicht die Spannung, die an ihm anliegt, einen Wert, der durch Subtraktion der Gleichspannung V₁₁, die über den Widerständen R. und r₁ liegt, von der Wechselspannung V , die an der Sekundärwicklung W_ während der positiven Halbwelle der Wechselspannung anliegt, gebildet ist. Die Spannung an diesem Kondensator hängt darüber hinaus auch von einer Differenz ab, die durch Subtraktion der Summe -der Spannungen V^o - zwischen Drain und Source des Feldeffekttransistors T₁ - und V_pc zwischen Gate und Source dieses Feldeffekt-•transistors T - von der Wechselspannung V , die an der Sekundärwicklung W-. während der negativen Halbwelle anliegt, gebildet ist. Demzufolge ist der Gleichstrom I₁₁, der im Bereich des Kondensator C₁ fließt, gleich einem Produkt, gebildet aus der Kapazität des Kondensators C , 'der an ihm anliegenden Spannung und der Frequenz f, und kann in gleicher Weise wie bei der bezüglich des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 aufgestellten Gleichung (1) ausgedrückt werden:

¹H = ^C11 f^Vn η - ^(VnS ⁺ Vq ^{+ V}11 ti II*- P^-P I/o Uo I ι

Auch kann der Gleichstrom I₁₂, der durch den Kondensator C₁_ fließt, in folgender Weise dargestellt werden: 35

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^X12 = ^C12 " ^Vd ο - ^(VDS ^{+ V}GS ⁺ V^)l ' ^{f (2)}

Die Differenz zwischen diesen Gleichströmen I₁₁ und I „ steht als Differenz zwischen den Gleichspannungen, die an den Widerständen R₁ und r.. abfallen, zur Verfügung und wird dann in einen Gleichstromsignal I im Ausgangstransistor T_ mittels des Differenzverstärkers Q₁ in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. k umgewandelt.

Der Feldeffekttransistor T- als Bestandteil der Konstantstromschaltung ist als selbstvorgespannter Feldeffekttransistor ausgeführt und gewährleistet durch Regelung des Spannungsabfalls an seiner Drain-Source-Strecke eine konstante Summe der Gleichströme I₁₁ und I₁₂* Unter der Annahme, daß die konstante Summe dieser Ströme als Strom I₁ ausgedrückt werden kann, kann die folgende Gleichung aufgestellt werden:

\ = I₁₁ - I₁₂ = MVp - ^(VDS ^{+ V}GS ^{+ V}n

Ferner kann die folgende Gleichung durch Umstellung dieser Gleichung ermittelt werden:
25

^f -[V-P - ^(VDS ^{+ V}GS ^{+ ν}ΐ1^}]= ^Xk / ^(C11 ^{+ 0}I₂J ^(6f)

Wird die Gleichung (4) - vgl. die Ausführungen zu Fig. 4 - durch die Gleichung (6') ersetzt, ergibt sich: 30

(C_{11 +} C₁₂)]

= 1.R₀-T₁ZIr₁ + R_f + R₀) (7·)

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^{VPA 80}* ^p

Zum anderen können die Kapazitäten der Kondensatoren C.. und C₁₂ durch folgen-de Gleichungen dargestellt werden:

C_n = ί A/(d - Ad) (8')

C₁₂ = £A/(d + Ad) (9M

Wenn die Gleichung (7¹) um das Verhältnis zwischen der mechanischen Verstellung Ad und dem Gleichstromsignal I zu erhalten, durch die Gleichungen (8·) und (9') ersetzt wird, ergeben sich folgende Gleichungen:

₁ + C₁₂) = Ad / d ;

C₁₂ / (C₁₁ + C₁₂) = (1 - Ad/d)/2

I_k.r₁.r₁ (1-ad/d)/[2(1^ + R_f + R_Q)]

= LR₀-T₁ / (T₁ + R_f + R₀). 20

Durch Umstellung dieser Gleichung erhält man die folgende Gleichung (10·).

I = I_k.r_r/2R₀ +P₁J(R₁ + P₁)(P_{1 +} R_f 25

Δά/d (ΙΟ¹)

- V^2Rol]

In dieser Gleichung (10·) sind das erste Glied auf der rechten Seite sowie der in eckigen Klammern befindliche Teil des zweiten Gliedes auf der rechten Seite der Gleichung und d eine Konstante, so daß sich das Gleichstromsignal I proportional zum Betrag der mechanischen Verstellung <sd verhält.

Ferner ist es auch bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich, einen Bezugswert

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- ><5· - VPA 80 P 8589 DS

des Gleichstromsignals I mittels einer Nullabgleichsschaltung auf Null abzugleichen; die Arbeitsweise dieser Nullabgleichsschaltung ist anhand des in der Fig. k beschriebenen Ausführungsbeispiels dargelegt.

Auch die Arbeitsweise des Rückkopplungswiderstandes R~ und des Feldeffekttransistors T, ist mit der Arbeitsweise der in der Fig. k gleichbezeichneten Bauteile identisch.

Die Ausführungen bezüglich des letztgenannten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung machen deutlich, daß die Summe der Gleichströme, die mit der gegensinnigen Änderung der Kapazitäten korrespondiert und erfaßt werden soll, durch einen Spannungsabfall über einen Feldeffekttransistor als Bestandteil einer Konstantstromschaltung einen Strom gleichbleibender Größe darstellt. Demzufolge ist auch hier wie bei der Schaltungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. k eine zusätzliche Anordnung eines Referenzspannungselementes und einer Konstantstromquelle oder ähnlichem, wie sie bei der bekannten Schaltungsanordnung notwendig ist, nicht erforderlich.

Die oben erwähnte Reduzierung der Schaltungselemente führt zu einer Reduzierung der Fehlerquellen und Störungen sowie zu einer Verbesserung der Wirkungsweise und der Stabilität der Umwandlung einer mechanischen Verstellung in ein Gleichstromsignal. Die Gründe hierfür lassen sich wie folgt darlegen. In dem Fall, in dem die Schaltungsanordnung als ein Zweibereichsübertrager arbeitet, bei welchem das Netzteil und die Signalübertragung über übliche Übertragungsleitungen arbeiten, sollte die gesamte Schaltungsanordnung mit einem Strom geringer als k mA auskommen, wenn der Schwankungsbereich des Ausgangsgleichstromes im Bereich von h mA bis 20 mA liegt. In diesem Zusammenhang ist, wenn die Anzahl der Schaltungselemente reduziert ist, bei der erfindungsgemäßen Schaltungsan-

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VPA SO P 8589 DE

Ordnung trotzdem ein ausreichender Speisestrom für die genannten Schaltungselemente vorhanden, so daß die Ausführung und die Stabilität der Wandlung verbessert ist.

Ferner ist es möglich - während in den obigen 'Ausführungen die Kapazität von Kondensatoren in Abhängigkeit von einer mechanischen Verstellung verändert ist - dieselbe Wirkungsweise auch dann zu erreichen, wenn die Impedanz von Impedanzelementen anderer Art, wie z. B-. von Induktanz- oder anderen Widerstandselementen, in Abhängigkeit von einer mechanischen Verstellung verändert ist. In diesem Falle sind die Gleichströme I. und I„ umgekehrt proportional zu der Induktanz, dem Widerstand oder ähnlichem.

8 Ansprüche
5 Figuren

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Claims (1)

1. VPA 80 P 8539 DE

   Patentansprüche

   vj. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung in ein Gleichstromsignal mit a) einem Meßfühler, der

   al) zwei Impedanzeleinente enthält, wobei a2) mindestens eines der Impedanr.elemente einen variablen, von der mechanischen Verstellung abhängigen Impedanzwert aufweist mit

   b) einer mit einem Oszillator induktiv gekoppelten Gleichrichterschaltung zur Erzeugung von zwei Gleichströmen, wobei
   b1) jeweils eines der Impedanzelemente mit jeweils

   einem der Gleichströme beaufschlagt ist und b2) jeder Gleichstrom proportional dem Impedanzwert des jeweiligen Impedanzelementes ist, und mit
   c) einem Differenzverstärker, dessen c1) Eingänge mit von den beiden Gleichströme hervorgerufenen Gleichsspannungen beaufschlagt sind

   und der

   c2) an seinem Ausgang ein elektrisches Signal erzeugt, das der Differenz der beiden Gleichströme proportional "ist und mit dem das Gleichstromsignal gewonnen wird,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   c!) fi"r (Vleiriirirlii..·!■;■·■.<.haltung (D l·., I^; , \\ ) fin·· Konstantstromschaltung yorgeordnet ist, die d1) einen Strom mit gleichbleibender Größe in die . Gleichrichterschaltung einspeist.

   ?. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der e.) ein impeüniu'sIeiiic-nL ein unv^rärnJerbai en linpedani,-wert und das andere Impedanzelement einen variablen von der mechanischen Verstellung abhängigen Impedanzwer' aufweist,

   130065/0851 e&%\

   I 311787

   -. VPA 80 P 6589,DE

   dadurch gekennzeichnet, daß

   f) mit dem Strom gleichbleibender Größe das andere Impedanzelement C. mit einem variablen Impedanzwert beaufschlagt ist (Fig. k) .

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei cer

   g) beide Impedanzelemente jeweils einen variablen Impedanzwert haben, wobei

   g1) die beiden Impedanzwerte sich bei einer mechanischen Verstellung gegensinnig ändern, dadurch gekennzeichnet, daß

   h) der Strom mit gleichbleibender Größe der Summe der Gleichströme (I-, I„) entspricht (Fig. 5).

   4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß i) die Konstantstromschaltung einen Feldeffekttransistor (T.) aufweist,
   i1) durch dessen Drain-Source-Strecke der Strom

   gleichbleibender Größe fließt. 20

   5.Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit

   j) einem Ausgangstransistor, an dessen Basis

   der Ausgang des Differenzverstärkers und an dessen Emitter ein Ausgangswiderstand angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

   k) an dem dem Emitter des Ausgangstransistors (T_) zugewandten Anschlußpunkt des Ausgangswiderstandes (R_Q) ein Rückkopplungswiderstand (R_) angeschlossen ist, dessen

   k1) anderer Anschlußpunkt über einen Spannungsteiler (R₁, r.) an einen der Eingänge des Differenzverstärkers (Q-) geführt ist,

   wobei
   35

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   VPA SO P 8589 DE

   kV. 1) an diesem einen Eingang eine von demjenigen Gleichstrom hervorgerufene Gleichspannung anliegt, mit dem das mindestens eine Impedanzelement variabler Impedanz beaufschlagt 5 ist.

   6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß

   1) der Rückkopplungswiderstand (R_f) einen veränder-10 baren Widerstandswert aufweist, wobei

   11) dieser Widerstandswert und der Wert des Ausgangswiderstandes (R_n) so gewählt werden, daß sich ein vorgegebener Schwankungsbereich des Gleichstromsignals ergibt und

   15 12) bei einem vorgegebenen Bezugswert des Gleichstromsignals ein Rückkopplungsstrom (_fi) durch den Rückkopplungswiderstand (R_f) unterbleibt.

   20 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

   m) die Impedanzelemente Kondensatoren (C , C„) sind, deren jeweiliger Kapazitätswert aufgrund des Ab-25 Standes (d) ihrer Elektroden voneinander den jeweiligen Impedanzwert bestimmt.

   8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 30 daß

   n) eine Nullabgleichschaltung (T,,, R„, R„) vorhanden

   n1) zwischen die Eingänge des Differenzverstärkers

   (Q.,) geschaltet ist, wobei 35 n1.1) über einen einstellbaren Mittenabgriff

   eines Potentiometers (R₁₇) als Bösrnndte-i 1

   130065/0851

   311"787

   VPA 80 P 3589, DE

   der Nullabgleichschaltung, die Eingänge des Differenzverstärkers rait Abgleichströmen (L,, I_Z2) versorgt werden, se daß die Differenzspannung an den. Eingängen auf Null einstellbar sind.

   130065/0851