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Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Ausgangsspannungen für Meßzwecke,
die nach einer nichtlinearen Funktion von einer Eingangsspannung abhängen Es ist
häufig erwünscht, eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die nach einer nichtlinearen
Funktion von einer Eingangsspannung abhängt. Oft hängt eine Meßspannung exponentiell
von einer Meßgröße ab. Beispielsweise hängt der Photostrom bei photoelektrischen
Rauchdichtemessern exponentiell von der Extinktionskonstante oder der Teilchendichte
ab, die eigentlich interessiert. Man kann dann durch Erzeugung einer Ausgangsspannung,
die dem Logarithmus der Meßspannung entspricht, eine in der Extinktionskonstante
oder der Teilchendichte lineare Anzeige an einem Anzeigeinstrument erreichen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von
Ausgangsspannungen oder -strömen für Meßzwecke, die nach einer nichtlinearen Funktion
von einer Eingangsspannung abhängen. Bekannte Anordnungen dieser Art verwenden nichtlineare
Widerstände oder Röhren, die in einem nichtlinearen Teil ihrer Kennlinie arbeiten.
Solche Anordnungen sind in ihrer Anwendbarkeit begrenzt, weil die darstellbaren
Funktionen auf die Gestalt der Kennlinien beschränkt sind und auch die Meßbereiche
von den Kennlinien der verwendeten Glieder abhängen.
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Es sind Netzwerke mit stromrichtungsabhängigen Widerständen bekannt,
durch welche beliebige Funktionen näherungsweise dargestellt werden. Bei einem bekannten
Vierpol dieser Art liegt zwischen Eingang und Ausgang ein Netzwerk von Widerständen,
die abwechselnd in Reihe und parallel zu Eingang und Ausgang geschaltet sind. In
den im Nebenschluß zu Eingang und Ausgang liegenden Zweigen sind in Sperrichtung
vorgespannte Gleichrichter vorgesehen. Diese werden bei der bekannten Anordnung
von normalen Zweigitterröhren gebildet, und die Vorspannung wird mittels damit in
Reihe liegender aktiver Spannungsquellen erzeugt. Eine andere bekannte Lösung sieht
statt dessen nur eine aktive Spannungsquelle vor, von welcher die verschiedenen
Vorspannungen mittels eines Spannungsteilers abgegriffen wird. Bei einem Ansteigen
der Eingangsspannung werden dann nacheinander die verschiedenen Nebenschlußzweige
leitend, nämlich sobald die einzelnen sperrenden Vorspannungen an den Gleichrichtern
überwunden sind, und damit erfolgt jedesmal ein Abknicken der Übertragungscharakteristik.
Nachteilig ist bei einer solchen Anordnung, daß zusätzlich zu der umzusetzenden
Spannung am Eingang in dem Vierpol wenigstens eine aktive Spannungsquelle vorgesehen
werden muß, deren Spannung zudem sehr genau konstant gehalten werden muß. Es ist
eine andere Schaltungsanordnung bekannt, bei welcher einem Ausgangswiderstand, an
dem die Ausgangsspannung abgegriffen wird, eine Kette von Widerständen vorgeschaltet
ist, die jeder von einer Zenerdiode überbrückt sind. Sobald beim Anstieg der Eingangsspannung
die Zenerspannung einer solchen Zenerdiode erreicht ist, wird diese leitend und
hält die daran abfallende Spannung auf einem konstanten Wert. Während bei niedrigen
Eingangsspannungen, bei denen noch keine der Zenerdioden leitend ist, mit dem Ausgangswiderstand
ein relativ hoher Vorwiderstand in Reihe geschaltet ist, also die Übertragungscharakteristik
relativ flach ist, wird diese Übertragungscharakteristik immer steiler, je mehr
Zenerdioden mit steigender Eingangsspannung leitend werden und dann wie eine konstante
Spannungsquelle wirken. Es ergibt sich somit eine linksgekrümmte Übertragungscharakteristik.
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Diese Schaltung ist jedoch nicht zur Erzeugung von rechtsgekrümmten
Charakteristiken geeignet, beispielsweise nicht für den wichtigen Fall, wo die Ausgangsspannung
proportional Logarithmus der Eingangsspannung sein soll. An veränderbaren Parametern
stehen einmal die Größen der Kettenwiderstände und zum anderen die Zenerspannungen
der Zenerdioden zur Verfügung. Da die Zenerspannungen bei Verwendung von handelsüblichen
Bauelementen nicht beliebig wählbar sind, sind die Anpassungsmöglichkeiten bei dieser
Art von Schaltung etwas beschränkt. Nachteilig ist ferner, daß eine Vielzahl von
relativ teuren Zenerdioden benötigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile
der bekannten Anordnungen zu vermeiden.
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Ausgehend von einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Ausgangsspannungen
oder -strömen für
Meßzwecke, die nach einer nichtlinearen Funktion
von einer Eingangsspannung abhängen, bei weicher zwischen Eingang und Ausgang ein
Netzwerk von Widerständen liegt, die abwechselnd in Reihe und parallel zu Eingang
und Ausgang geschaltet sind, und bei welcher in den im Nebenschluß zu Eingang und
Ausgang liegenden Zweigen in Sperrichtung vorgespannte Gleichrichter vorgesehen
sind, besteht die Erfindung darin, daß die Vorspannung mittels einer oder mehrerer
Zenerdioden erzeugt wird, von denen jede mit einer Mehrzahl der im Nebenschluß zu
Eingang und Ausgang liegenden Zweige in Reihe geschaltet ist.
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Auf diese Weise erhält man einen vollständig passiven Vierpol ohne
eine aktive Spannungsquelle, deren Spannung sich ändern oder die sich erschöpfen
könnte. Man hat durch die Längs- und Querwiderstände viele Parameter, die eine beliebige
Anpassung der Charakteristik an die jeweiligen Erfordernisse gestatten. Man braucht
nur eine oder wenige Zenerdioden. Diese haben nicht selbst die Funktion, die einzelnen
Zweige einzuschalten. Das wird auch hier durch relativ billige einfache Dioden bewirkt.
Durch die Zenerdioden oder Dioden wird lediglich für alle Zweige gemeinsam eine
einheitliche Sperrspannung erzeugt, und durch die Widerstände können die Punkte
bestimmt werden, in denen die Eingangsspannung in jedem Zweig diese Spannung überwindet.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt
und im folgenden beschrieben: F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher für
jeweils drei Parallelzweige eine gemeinsame Zenerdiode vorgesehen ist; F i g. 2
zeigt eine Ausführungsform, bei welcher für sämtliche Parallelzweige eine einzige
Zenerdiode vorgesehen ist, und F i g. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung
Uz von der Eingangsspannung Ui bei der Ausführungsform von F i g. 2.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 wird die gewünschte Funktion
durch eine größere Anzahl von Knickpunkten angenähert. Die Parallelzweige sind in
zwei Gruppen zusammengefaßt. Die eine Gruppe enthält den Widerstand RQ 1, Widerstand
RQ 2 mit Diode D1 und Widerstand RQ 3 mit Diode D2. Die zweite Gruppe enthält den
Widerstand RQ4, Widerstand RQ 5 mit Diode D3 und Widerstand RQ e mit Diode D4. Jede
der Gruppen enthält eine gemeinsame Zenerdiode Z1 bzw. Z2.
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Bei kleinen Eingangsspannungen U1 sind die Zenerdioden Z1 und Z2 zunächst
gesperrt. Die Ausgangsspannung U2 steigt linear mit U1 an. Bei einer bestimmten
Spannung U1 wird zunächst die Zenerdiode Z1 leitend, und damit wird der Widerstand
Ra 1 eingeschaltet, der dann parallel zu den Widerständen R12 bis R, g und R, liegt.
Das bewirkt bei weiterer Erhöhung von Ui einen langsameren Anstieg der Ausgangsspannung
U2. Die Widerstände R, 2 und R, 3 sind zunächst noch nicht wirksam, obwohl die Zenerdiode
Z1 leitend ist, weil die damit in Reihe liegenden Dioden D1 und D2 durch die Zenerspannung
negativ vorgespannt sind. Erst bei einer weiteren Erhöhung der Eingangsspannung
U1 wird erst die Diode D1 und dann die Diode D2 richtig gepolt und leitend, so daß
nacheinander die Widerstände RQz und RQ 3 parallel zu R13 bis R16 bzw. R14 bis R1
o und R; geschaltet werden. Das Einschalten jedes dieser Widerstände bewirkt ein
Abknicken und Flacherwerden der UZ- (U1-) Charakteristik.
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Das gleiche tritt bei der zweiten Gruppe von Parallelzweigen mit der
Zenerdiode ZZ auf.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist nur eine einzige Zenerdiode
vorgesehen. In ihrer Wirkungsweise entspricht diese Schaltung derjenigen von F i
g. 1. Die Anordnung von F i g. 1 hat gegenüber F i g. 2 in manchen Fällen Vorteile,
weil man durch die Wahl der Zenerdiode Z2 noch einen zusätzlichen Freiheitsgrad
zur besseren Anpassung an den gewünschten Funktionsverlauf besitzt. Die Anordnung
nach F i g. 2 hat dagegen den Vorteil, daß man mit einer einzigen Zenerdiode 7 auskommt.
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Die für einen gewünschten Funktionsverlauf erforderliche Bemessung
der Widerstände kann natürlich rechnerisch ermittelt werden. Häufig ist es aber
bequemer, die Widerstände empirisch zu bestimmen. Bei einer Schaltung gemäß F i
g. 2 ergaben sich für eine logarithmische Abhängigkeit der Ausgangsspannung U2 von
der Eingangsspannung bei einem Instrument 3 mit Vollausschlag bei 1 Milliampere
und einem Innenwiderstand R; von 6,6 Kiloohm folgende Werte für die Widerstände:
R1 i bis R1 s (alle gleich) 2,2 Kiloohm RQ1 .................. 15 Kiloohm RaZ ..................
10 Kiloohm Ra3
. . . . 6,8 Kiloohm
R u4
. . . . .
4,7 Kiloohm R9 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,3 Kiloohm RQg
« . . . . . 2,2 Kiloohm Die Dioden D1 bis D, waren dabei vom Typ 0A 81, die
Zenerdiode war vom Typ SZ 6. Es wurden dabei folgende Wertpaare von Eingangs- und
Ausgangsspannung gemessen:
| Up °i0 log Ul,'U, Max U2 log
Ul%U, Max |
| 5 -1,89 55 -0,730 |
| 10 -1,567 60 -0,645 |
| 15 -1,386 65 -0,565 |
| 20 -1,258 70 -0,488 |
| 25 -1,163 75 -0,393 |
| 30 -1.,080 80 -0,305 |
| 35 -1,006 85 -0,229 |
| 40 -0,938 90 -0,158 |
| 45 -0,873 95 -0,098 |
| 50 -0,797 100 0 |
In F i g. 3 sind die Meßpunkte (Kurve 6) gegenüber der gestrichelt gezeichneten
idealen Geraden 7 dargestellt. Man sieht, daß die Abweichungen äußerst gering sind.
In einem Bereich von log U1/Ui
Max = 0
bei U2 = 1001% bis log U1 / U1 Max
= -1,25 (!#2h -25 Dezibel) bei U2 - 20°/o bleibt die Abweichung der Kurve 6 von
der Geraden 7 kleiner als 2%, bezogen auf den Endwert der Ausgangsspannung Uz.