PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10059170C2 10.04.2003
Titel Verfahren zum Betreiben eines Differenzverstärkers sowie Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Elsner, Norbert, 91088 Bubenreuth, DE;
Griepentrog, Gerd, Dr., 91468 Gutenstetten, DE;
Maier, Reinhard, Dr., 91074 Herzogenaurach, DE;
Streich, Bernhard, 92224 Amberg, DE
DE-Anmeldedatum 29.11.2000
DE-Aktenzeichen 10059170
Offenlegungstag 13.06.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 10.04.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.04.2003
IPC-Hauptklasse H03F 1/30
IPC-Nebenklasse H03F 3/45   G01R 19/32   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Differenzverstärkers, dessen erster und zweiter Eingangskanal über eine erste Widerstandsschaltung mit einer Signalquelle und über eine zweite Widerstandsschaltung mit einem Bezugspotential verbunden sind. Sie bezieht sich weiter auf eine Schaltungsanordnung mit einem derartigen Differenzverstärker.

In Niederspannungsnetzen, beispielsweise innerhalb von Schaltgeräten, Schützen oder Drehstromstellern, kann eine hochgenaue Messung von Stromstärken erforderlich oder wünschenswert sein. Dazu ist in die strom- und üblicherweise auch potentialführende Leitung ein sogenannter Shunt- Widerstand als Meßwiderstand geschaltet. Der Stromfluß durch diesen Widerstand bewirkt, daß am Shunt-Widerstand eine zur Stromstärke proportionale Spannung abfällt, die somit zur Messung der Stromstärke herangezogen werden kann. Um unnötige und unerwünschte Leistungsverluste im Hauptstromkreis zu vermeiden, ist der Widerstand dabei üblicherweise vergleichsweise klein gewählt, so daß die charakteristische Meßspannung, gerade im Vergleich zum Potential der stromführenden Leitung in bezug auf eine masseführende Leitung, üblicherweise äußerst klein ist. Für die Strommessung ist also die Messung einer vergleichsweise kleinen Spannungsdifferenz erforderlich, ohne daß sich das üblicherweise hohe gemeinsame Hintergrundpotential, auf dem sich die stromführende Leitung an sich befindet, nachteilig bemerkbar machen soll.

Zu diesem Zweck kann im Rahmen einer sogenannten Subtrahierschaltung ein Differenzverstärker zum Einsatz kommen. Dieser weist üblicherweise zwei Eingangskanäle auf, zwischen denen die zu messende Spannung oder Spannungsdifferenz anzulegen ist. Der Differenzverstärker, der beispielsweise als Operationverstärker ausgebildet sein kann, generiert dabei ein für die an seinen Eingangskanälen anliegende Spannungsdifferenz charakteristisches Differenzsignal, das er auf seinen Ausgang gibt. Zur Strommessung kann ein derartiger Differenzverstärker eingangsseitig mit dem genannten Shunt-Widerstand verbunden sein, so daß dieser als Signalquelle für den Differenzverstärker dient.

Gerade für eine Spannungsmessung an einer bezüglich des Bezugspotentials auf vergleichsweise hohem Potential befindlichen Signalquelle - wie für die genannte Strommessung der Fall - kann der Differenzverstärker derart geschaltet sein, daß sein erster Eingangskanal über einen ersten Eingangswiderstand mit einer Eingangsseite der Signalquelle und über einen ersten Referenzwiderstand mit dem Bezugspotential oder einer masseführenden Leitung verbunden ist. Der zweite Eingangskanal ist dabei in analoger Verschaltung über einen zweiten Eingangswiderstand mit einer Ausgangsseite der Signalquelle und über einen zweiten Referenzwiderstand mit dem masseführenden Leiter verbunden. Mit anderen Worten: der erste und der zweite Eingangswiderstand bilden dabei eine erste widerstandsschaltung, über die der erste und der zweite Eingangskanal des Differenzverstärkers mit der Signalquelle verbunden sind. Der erste und der zweite Referenzwiderstand bilden hingegen eine zweite Widerstandsschaltung, über die der erste und der zweite Eingangskanal des Differenzverstärkers mit dem Bezugspotential oder der masseführenden Leitung verbunden sind.

Ein derartiger Differenzverstärker würde im idealen Fall ein Ausgangssignal liefern, das ausschließlich proportional zur Spannungsdifferenz an seinen Eingangskanälen ist. Dabei würde das gemeinsam anliegende, auch als "Common Mode" bezeichnete Gleichtaktpotential in der Art einer sogenannten "Common Mode Rejection" vollständig unterdrückt. In realen Systemen gelingt dies jedoch nicht vollständig; vielmehr ist das Maß der Unterdrückung des Gleichtaktpotentials ("Common Mode Rejection Ratio") ein Qualitätsmerkmal für den Differenzverstärker.

Für eine hochgenaue Strommessung ist eine möglichst weitgehende Unterdrückung des Gleichtaktpotentials von besonderer Bedeutung. Dazu kann als Differenzverstärker ein Operationsverstärker zum Einsatz kommen, bei dem die die erste und die zweite Widerstandsanordnung bildenden Widerstände, insbesondere die Referenzwiderstände, äußerst präzise ausgewählt sind und auch bei wechselnden Betriebsbedingungen der zugrundeliegenden Strommeßeinrichtung ein konstantes und stabiles Verhalten zeigen. Die Bereitstellung derart sorgfältig ausgewählter Widerstände ist jedoch sehr aufwendig und somit kostenintensiv.

Zudem müssen die Widerstände hinsichtlich ihrer Betriebseigenschaften besonders robust und langzeitstabil sein und sollten zudem unempfindlich gegenüber Temperaturdrift sein. Auch bei Erfüllung all dieser Erfordernisse ist eine derartige Strommessung jedoch nur von beschränkter Genauigkeit und überdies auch nur für ein Gleichtaktpotential von weniger als etwa 250 V geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Differenzverstärkers der oben genannten Art anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln, insbesondere auch bei variierenden Betriebssituationen, beispielsweise infolge von Temperaturdrift oder Alterung der Komponenten, auch bei einem vergleichsweise hohen Gleichtaktpotential von mehr als etwa 250 V eine besonders hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist. Zudem soll eine für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker angegeben werden.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Eingangskanäle des Differenzverstärkers mit einem gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt werden, wobei das vom Differenzverstärker durch das Prüfpotential gegenüber dem Bezugspotential generierte Ausgangspotential durch Nachführen eines Widerstands der erste oder der zweiten Widerstandsschaltung auf einen Minimalwert eingestellt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß ein einmaliger Abgleich des Differenzverstärkers auch bei der Auswahl vergleichsweise hochpräziser Komponenten dessen Zuverlässigkeit gerade bei andauerndem Betrieb und veränderten Betriebsbedingungen einschränkt und zudem eine Anwendung für ein Gleichtaktpotential von mehr als etwa 250 V überhaupt nicht zuläßt. Eine besonders hohe Zuverlässigkeit auch bei wechselnden Betriebsbedingungen ist hingegen erreichbar, indem eine mögliche betriebsbedingungsabhängige oder zeitabhängige Drift in den charakteristischen Eigenschaften der zum Abgleich verwendeten Komponenten, insbesondere der Referenzwiderstände, aktiv kompensiert wird. Dazu ist vorgesehen, den Differenzverstärker bedarfsabhängig oder in regulären Intervallen durch gezieltes Nachführen eines der Referenzwiderstände erneut abzugleichen.

Der Minimalwert des Prüfpotentials kann dabei unmittelbar durch Spannungsmessung ermittelt werden. Vorteilhafterweise wird zur Erkennung derjenigen Einstellung, bei der der Minimalwert des Prüfpotentials vorliegt, jedoch die Phasenverschiebung des Prüfpotentials an dessen Signalquelle zum Signal am Ausgang des Differenzverstärkers überwacht. Dabei wird auf das Vorliegen des Minimums dann geschlossen, wenn das Prüfpotential an seiner Signalquelle eine Phasenverschiebung von 90° zum Ausgang des Differenzverstärkers aufweist. Eine derartige Überwachung der Phasenlage kann beispielsweise mit üblichen Phasenvergleichern, wie beispielsweise einer sogenannten Phase Locked Loop (PLL) erfolgen.

Für einen Abgleich wird der Differenzverstärker gezielt solchen Bedingungen unterworfen, bei denen das erwartete Ausgangssignal bekannt ist. Insbesondere sollte nämlich das vom Differenzverstärker in bezug auf die masseführende Leitung oder das Bezugspotential generierte Ausgangspotential annähernd verschwinden oder zu Null werden, wenn seine beiden Eingangskanäle mit dem gleichen Potential beaufschlagt werden. Zur Überprüfung des Betriebsverhaltens des Differenzverstärkers ist somit vorgesehen, seine beiden Eingangskanäle mit dem gleichen Prüfpotential zu beaufschlagen und zu ermitteln, ob dieser dabei tatsächlich ein Ausgangspotential von annähernd Null erzeugt. Falls dabei in der Art einer Verstimmung oder eines mangelhaften Abgleichs ein von Null verschiedenes Ausgangspotential festgestellt wird, so wird die erste oder vorzugsweise die zweite Widerstandsschaltung, also die Anordnung der Referenzwiderstände, solange relativ zueinander nachgestellt, bis wieder ein Abgleich vorliegt. Als Kriterium für das Vorliegen des Abgleichs wird dabei ein Minimalwert des Ausgangspotentials als Funktion des variierten Widerstands herangezogen. Dabei liegt die Idee zugrunde, daß bei einer bestmöglichen Unterdrückung des gemeinsamen Prüfpotentials auch eine bestmögliche Unterdrückung der Gleichtaktspannung gewährleistet ist.

Der Differenzverstärker kann dabei im Rahmen einer Strommessung für Sensoren in Umrichtern oder Drehstromstellern eingesetzt sein. Gerade bei derartigen Anwendungen gibt es Zeitabschnitte, in denen der den Shunt-Widerstand durchfließende Strom gleich Null ist, da in diesen Zeitabschnitten die in der jeweiligen Anwendung vorgesehenen Halbleiter in nichtleitendem Zustand sind. Bei einer derartigen Anwendung kann als gemeinsames Prüfpotential für die Eingangskanäle des Differenzverstärkers das Potential der eigentlich stromführenden Leitung herangezogen werden, das bei nicht stromdurchflossenem Shunt-Widerstand an beiden Eingangskanälen des Differenzverstärkers gleichermaßen anliegt. Bei einer derartigen Anwendung kann somit ohne weitere aktive Beeinflussung des an den Eingangskanälen des Differenzverstärkers anliegenden Potentials in einem derartigen stromlosen Zeitabschnitt das vom Differenzverstärker gegenüber der masseführenden Leitung generierte Ausgangspotential durch Nachführung des Widerstands auf einen Minimalwert eingestellt werden.

Für eine generelle Verwendbarkeit auch in Systemen, bei denen nicht wiederholt stromlose Zeitabschnitte eintreten, ist in vorteilhafter Ausgestaltung eine aktive Beaufschlagung der Eingangskanäle des Differenzverstärkers mit einem gemeinsamen Prüfpotential vorgesehen. Dabei kann zweckmäßigerweise der erste Eingangskanal unter Umgehung der Signalquelle des Shunt-Widerstands mit dem zweiten Eingangskanal kurzgeschlossen und mit diesem gemeinsam mit der potentialführenden Leitung verbunden werden, so daß das dort geführte Potential als Prüfpotential an beiden Eingangskanälen des Differenzverstärkers anliegt.

Um einen jederzeitigen und besonders flexiblen Abgleich der dem Differenzverstärker zugeordneten Schaltelemente zu ermöglichen, werden der erste und der zweite Eingangskanal in besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit einem auf besonders einfache Weise von den ansonsten an den Eingangskanälen anliegenden Potentialen unterscheidbaren gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt. Dazu wird vorteilhafterweise als Prüfpotential ein Wechselspannungssignal mit vorgebbarer Frequenz verwendet. Diese Frequenz unterscheidet sich zweckmäßigerweise erkennbar von der erwarteten Frequenz der zu messenden kleinen Spannung. Durch eine frequenzselektive Auswertung des vom Differenzverstärker generierten Ausgangspotentials ist somit eine eindeutige Zuordnung zum Prüfpotential auch bei ansonsten unverändertem Betriebszustand, also insbesondere auch bei ansonsten unveränderter Beaufschlagung der Eingangskanäle des Differenzverstärkers von der Signalquelle, möglich. Zur Auswertung des durch das Prüfpotential generierten Ausgangspotentials wird dabei in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung diejenige Komponente der vom Differenzverstärker insgesamt abgegebenen Ausgangsspannung ermittelt, die die vorgebbare Frequenz des Wechselspannungssignals aufweist.

Dies kann beispielsweise durch eine frequenzselektive Filterung erfolgen.

Das als Prüfpotential vorgesehene Wechselspannungssignal kann dabei durch eine zwischen die Referenzwiderstände und die masseführende Leitung oder das Bezugspotential geschaltete Wechselspannungsquelle eingekoppelt werden. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist jedoch zur Auswertung des vom Differenzverstärker erzeugten Ausgangspotentials das von der Wechselspannungsquelle erzeugte Potential zunächst zu subtrahieren. Für eine demgegenüber vereinfachte Auswertbarkeit wird daher in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung das Wechselspannungssignal über eine Kondensatoranordung dem an der ersten Widerstandsanordnung anliegenden Signal der Signalquelle überlagert.

Bezüglich der Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker der oben genannten Art wird die genannte Aufgabe gelöst mit einer dem Differenzverstärker zugeordneten Abgleicheinheit, die eingangsseitig mit einem Ausgang des Differenzverstärkers und ausgangsseitig zur Ausgabe eines Stellwerts mit einer Stelleinheit eines Widerstands der ersten oder der zweiten Widerstandsschaltung verbunden ist.

Vorteilhafterweise ist der Differenzverstärker dabei als Operationsverstärker ausgebildet.

Die Abgleicheinheit kann eingangsseitig mit einem Auslösermodul verbunden sein. Dieses identifiziert für den Fall, daß als gemeinsames Prüfpotential in einer stromlosen Phase das Potential der potentialführenden Leitung vorgesehen ist, ob eine derartige stromlose Phase gerade vorliegt. Ist dies der Fall, so gibt das Auslösermodul eine Freigabe, so daß ein Abgleich der Schaltungskomponenten des Differenzverstärkers vorgenommen werden kann. Weiterhin kann die Abgleicheinheit ausgangsseitig mit einem Kurzschlußschalter verbunden sein, über den bedarfsweise der erste Eingangskanal des Differenzverstärkers mit dem zweiten Eingangskanal des Differenzverstärkers verbindbar ist.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung für eine Beaufschlagung des ersten und zweiten Eingangskanals des Differenzverstärkers mit einem Wechselspannungssignal als gemeinsamem Prüfpotential ausgelegt. Dazu ist vorteilhafterweise eine Wechselspannungsquelle vorgesehen, deren einer Ausgangspol sowohl mit dem ersten Eingangskanal als auch mit dem zweiten Eingangskanal des Differenzverstärkers verbunden ist. Der zweite Ausgangspol der Wechselspannungsquelle ist dabei mit der masseführenden Leitung verbunden, so daß die Wechselspannungsquelle den ersten und den zweiten Eingangskanal des Differenzverstärkers mit einem wohldefinierten, gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt. Der Ausgangspol der Wechselspannungsquelle kann dabei über die mit der masseführenden Leitung verbundene zweite Widerstandsschaltung oder auch vorteilhafterweise über die mit der Signalquelle verbundene erste Widerstandsschaltung mit dem ersten und mit dem zweiten Eingangskanal des Differenzverstärkers verbunden sein.

Die Abgleicheinheit ist dabei zweckmäßigerweise über eine Stelleitung mit der Wechselspannungsquelle verbunden, wobei die Wechselspannungsquelle zum bedarfsweisen Anlegen des Wechselspannungssignals an die Eingangskanäle des Differenzverstärkers von der Abgleicheinheit aus aktivierbar ist. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Wechselspannungsquelle als Oszillator aus einer Zusammenschaltung von Operationsverstärkern aufgebaut.

Um in besonders kurzer Bearbeitungs- oder Reaktionszeit einen Abgleich der Schaltungselemente des Differenzverstärkers zu ermöglichen, ist vorteilhafterweise in der Abgleicheinheit ein das Verhalten des Ausgangspotentials des Differenzverstärkers bei kurzgeschlossenen Eingangskanälen als Funktion eines Widerstands der zweiten Widerstandsschaltung charakterisierender Datensatz hinterlegt. Dieser Datensatz kann in der Art einer Kalibrierkennlinie einen bekannten oder einen durch eine Kalibriermessung ermittelbaren Zusammenhang zwischen dem Ausgangspotential des Differenzverstärkers und der Konfigurierung von dessen Schaltungselementen wiedergeben. Mit Hilfe eines derartigen, in der Abgleicheinheit hinterlegten Datensatzes ist somit anhand der Messung des vom Differenzverstärker erzeugten Ausgangspotentials auf besonders einfache und schnelle Weise ermittelbar, wie die Widerstände der zweiten Widerstandsschaltung zu modifizieren sind, um den Abgleich zu verbessern.

Vorteilhafterweise ist die Schaltungsanordnung in der Art einer integrierten Schaltung ausgeführt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Einstellbarkeit des jeweiligen Widerstands der ersten oder zweiten Widerstandsschaltung bedarfs- oder situationsabhängig ein Abgleich für den Differenzverstärker durchführbar ist. Somit ist auch bei wechselnden Betriebsbedingungen oder bei langer Betriebsdauer gewährleistet, daß eine an beiden Eingangskanälen des Differenzverstärkers anliegende Gleichtaktspannung sicher unterdrückt ist, wobei lediglich die für die Messung relevante Potentialdifferenz an den Eingangskanälen des Differenzverstärkers zur Auswertung kommt. Der Differenzverstärker weist somit auch bei verschiedenartigen Betriebsbedingungen eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Meßgenauigkeit auf und ist somit gerade auch in Verbindung mit einem Shunt-Widerstand zur hochgenauen Messung von Stromstärken besonders in Niederspannungsnetzen besonders geeignet. Darüber hinaus ist eine derartige hohe Meßgenauigkeit auch mit nur geringem Aufwand, insbesondere im Hinblick auf die Bereitstellungskosten, gewährleistet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen die Fig. 1 bis 3 jeweils eine Schaltungsanordnung mit einem Differenzverstärker.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 1 ist in der Art eines Stromwandlers zur Messung eines Betriebsstroms I in einem Niederspannungsnetz 2 vorgesehen. In das Niederspannungsnetz 2 ist dabei eine Netzspannungsquelle 4 geschaltet, die für das Niederspannungsnetz 2 eine Betriebs- oder Wechselspannung von etwa 230/400 V erzeugt. Die Netzspannungsquelle 4 ist ausgangsseitig einerseits an einen Nulleiter oder eine masseführende Leitung 6 und andererseits an einen Potentialleiter oder eine potentialführende Leitung 8 angeschlossen. Die masseführende Leitung 6, die ein Bezugspotential für die weiteren Komponenten vorgibt, und die potentialführende Leitung 8 sind dabei über eine Anzahl von nicht näher dargestellten Verbrauchern miteinander verbunden, so daß im Niederspannungsnetz 2 ein geschlossener Stromkreis entsteht. Das Verhalten der Spannungsquelle an sich, also der Leitungen, Verbindungen und Anschlüsse, ist dabei in Fig. 1 durch eine Impedanz 10 symbolisiert.

Die Schaltungsanordnung 1 ist zur Strommessung im Niederspannungsnetz 2, beispielsweise in der Art eines Stromzählers, vorgesehen. Dazu ist die Schaltungsanordnung 1 eingangsseitig mit einer für den im Niederspannungsnetz 2 fließenden Betriebsstrom I charakteristischen Signalquelle 12 verbunden. Die Signalquelle 12 ist dabei als sogenannter Shunt-Widerstand ausgebildet, der in die potentialführende Leitung 8 des Niederspannungsnetzes 2 geschaltet ist. Der im Niederspannungsnetz 2 fließende Betriebsstrom I durchfließt somit auch den als Signalquelle 12 vorgesehenen Shunt-Widerstand und bewirkt dabei einen der Stromstärke entsprechenden Spannungsabfall am Shunt-Widerstand. Der Shunt-Widerstand ist dabei zur Vermeidung oder Geringhaltung unerwünschter Energie- oder Leistungsverluste derart dimensioniert, daß das an ihm abfallende, zur Stärke des Betriebsstroms I proportionale Spannungssignal nicht größer als etwa 1 V ist.

Die Schaltungsanordnung 1 ist derart ausgebildet, daß sie trotz des vergleichsweise hohen Betriebspotentials von etwa 400 V, auf dem sich der als Signalquelle 12 vorgesehene Shunt-Widerstand gegenüber der masseführenden Leitung 6 befindet, und trotz des im Vergleich dazu vergleichsweise geringen Differenzspannungsbereichs von bis zu 1 V eine besonders genaue Messung der Stärke des Betriebsstroms I auch bei verschiedenartigen Betriebssituationen ermöglicht. Dazu umfaßt die Schaltungsanordnung 1 einen als Operationsverstärker 20 ausgebildeten Differenzverstärker. Dieser ist mit seinem invertierenden Eingang oder ersten Eingangskanal 22 über einen ersten Eingangswiderstand 24 mit einem ersten Pol 26 der als Shunt-Widerstand ausgebildeten Signalquelle 12 verbunden. Mit seinem nicht invertierenden Eingang oder zweiten Eingangskanal 28 ist der Operationsverstärker 20 über einen zweiten Eingangswiderstand 30 mit dem zweiten Pol 32 der Signalquelle 12 verbunden. Mit anderen Worten: der Operationsverstärker 20 ist mit seinen Eingangskanälen 22, 28 über eine durch den ersten Eingangswiderstand 24 und den zweiten Eingangswiderstand 30 gebildete erste Widerstandsschaltung 34 mit der Signalquelle 12 verbunden.

Weiterhin ist der erste Eingangskanal 22 des Operationsverstärkers 20 über einen ersten Referenzwiderstand 40 mit der das Bezugspotential vorgebenden masseführenden Leitung 6 verbunden. Ebenso ist der zweite Eingangskanal 28 des Operationsverstärkers 20 über einen zweiten Referenzwiderstand 42 mit der masseführenden Leitung 6 verbunden. Mit anderen Worten: der erste und zweite Eingangskanal 22, 28 des Operationsverstärkers 20 sind durch eine durch den ersten Referenzwiderstand 40 und den zweiten Referenzwiderstand 42 gebildete zweite Widerstandsschaltung 44 mit der masseführenden Leitung 6 verbunden. Der Ausgang 46 des Operationsverstärkers 20 ist zudem über einen Rückkoppelwiderstand 48 mit dem invertierenden Eingang oder zweiten Eingangskanal 28 des Operationsverstärkers 20 verbunden.

Der Operationsverstärker 20 ist hinsichtlich seiner Verschaltung derart ausgebildet, daß auch bei dem vergleichsweise hohen Gleichtaktpotential von etwa 230/400 V, auf dem die Signalquelle 12 bezüglich des Bezugspotentials der masseführenden Leitung 6 liegt und das auch als "Common Mode" bezeichnet wird, eine zuverlässige Auflösung von beispielsweise einigen µV der an der Signalquelle 12 abfallenden, als Signalspannung auszuwertenden Differenzspannung erreichbar ist. Dazu sind insbesondere die Widerstandswerte der eingesetzten Widerstände geeignet gewählt. Im Ausführungsbeispiel betragen die Eingangswiderstände 24, 30 sowie der Rückkopplungswiderstand 48 jeweils etwa 2 MΩ. Der erste Referenzwiderstand 40 beträgt etwa 20 kΩ, und der zweite Referenzwiderstand 42 beträgt etwa 20,202 kΩ. Bei einer derartigen Ausgestaltung liefert der Operationsverstärker 20 an seinem Ausgang 46 in bezug auf das durch die masseführende Leitung 6 vorgegebene Bezugspotential ein Ausgangspotential Ua, das dem im Niederspannungsnetz 2 fließenden Betriebsstrom I proportional ist und typischerweise einige Volt beträgt. Dabei ist eine zuverlässige Messung des Betriebsstroms I in hinsichtlich des Potentials von der potentialführenden Leitung 8 entkoppelter Weise ermöglicht.

Die Schaltungsanordnung 1 ist dafür ausgelegt, derartige zuverlässige Meßergebnisse auch bei variierenden Betriebsbedingungen und insbesondere auch bei möglicherweise auftretender Temperaturdrift, beispielsweise infolge von Erwärmung von Bauteilen, zu liefern. Dazu ist der als Teil der zweiten Widerstandsschaltung 44 vorgesehene zweite Referenzwiderstand 42 einstellbar ausgebildet und mit einer zugeordneten, durch den Pfeil symbolisierten Stelleinheit 50 versehen. Die Stelleinheit 50 ist eingangsseitig mit einer dem Operationsverstärker 20 zugeordneten Abgleicheinheit 52 verbunden. Die Abgleicheinheit 52 ist eingangsseitig mit dem Ausgang 46 des Operationsverstärkers 20 verbunden und dafür ausgelegt, bei einer Beaufschlagung des ersten Eingangskanals 22 und des zweiten Eingangskanals 28 des Operationsverstärkers 20 mit einem gemeinsamen Prüfpotential dem zweiten Referenzwiderstand 42 einen Stellwert S derart zuzuführen, daß sich das infolge des Prüfpotentials am Ausgang 46 des Operationsverstärkers 20 einstellende Ausgangspotential Ua auf einen Minimalwert einstellt.

Zur Beaufschlagung der Eingangskanäle 22, 28 des Operationsverstärkers 20 mit einem gemeinsamen Prüfpotential umfaßt die Schaltungsanordnung 1 eine als Hilfsspannungsquelle zugeschaltete Wechselspannungsquelle 60. Die Wechselspannungsquelle 60 ist zur Erzeugung einer hochfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 100 kHz ausgelegt und ausgangsseitig einerseits an das Bezugspotential und andererseits an ihrem Ausgangspol 61 über einen ersten Koppelkondensator 62 und über den ersten Eingangswiderstand 24 an den ersten Eingangskanal 22 des Operationsverstärkers 20 sowie über einen zweiten Koppelkondensator 64 und über den zweiten Eingangswiderstand 30 an den zweiten Eingangskanal 28 des Operationsverstärkers 20 angeschlossen. Weiterhin ist die Wechselspannungsquelle 60 über eine Kontrolleitung 66 mit der Abgleicheinheit 52 verbunden.

Beim Betrieb der Schaltungsanordnung 1 gemäß Fig. 1 wird bedarfsabhängig oder in regulären Zeitabständen ein ordnungsgemäßer Abgleich des Operationsverstärkers 20 überprüft. Ein ordnungsgemäßer Abgleich des Operationsverstärkers 20 zeichnet sich dabei dadurch aus, daß sich für den Fall, daß sein erster und sein zweiter Eingangskanal 22 bzw. 28 mit dem gleichen Eingangspotential beaufschlagt sind, bezüglich der das Bezugspotential definierenden masseführenden Leitung 6 ein Ausgangspotential Ua von annähernd Null einstellt. Um diesen Fall zu überprüfen und erforderlichenfalls einen Abgleich des Operationverstärkers 20 wieder herzustellen, leitet die Abgleicheinheit 52 einen Abgleichvorgang dadurch ein, daß sie über die Kontrolleitung 66 die Wechselspannungsquelle 60 aktiviert.

Nach der Aktivierung der Wechselspannungsquelle 60 liegt an den Eingangskanälen 22, 28 des Operationsverstärkers 20 über die Einkopplung durch die Koppelkondensatoren 62, 64 zusätzlich zum von der Signalquelle 12 generierten Potential ein gemeinsames hochfrequentes Prüfpotential mit einer Frequenz von etwa 100 kHz an. Demzufolge generiert der Operationsverstärker 20 an seinem Ausgang 46 ein Ausgangspotential Ua, das einerseits eine vergleichsweise niederfrequente Komponente infolge des von der Signalquelle 12 gelieferten Eingangssignals und andererseits eine vergleichsweise hochfrequente Komponente infolge des an den Eingangskanälen 22, 28 gemeinsam anliegenden Prüfpotentials aufweist.

Bei einem ordnungsgemäßen Abgleich des Operationsverstärkers 20 sollte die hochfrequente Komponente des Ausgangspotentials Ua einen Wert von annähernd Null annehmen. Um dies zu überprüfen, wird das Ausgangssignal Ua der Abgleicheinheit 52 zugeführt und dort in einer integrierten Filtereinheit 68 vorselektiert. In der Filtereinheit 68 wird die hochfrequente Komponente des Ausgangspotentials Ua herausgefiltert. Der dabei gewonnene Meßwert wird einem ebenfalls in die Abgleicheinheit 52 integrierten Minimumregler 70 zugeführt. Der Minimumregler 70 wirkt ausgangsseitig auf die dem zweiten Referenzwiderstand 42 zugeordnete Stelleinheit 50 und verstellt darüber den zweiten Referenzwiderstand 42 solange, bis die hochfrequente Komponente des Ausgangspotentials Ua einen Minimalwert aufweist. Um das Auffinden geeigneter Stellwerte S zu vereinfachen, weist dabei die Abgleicheinheit 52 ein Speichermodul 72 auf, in dem in der Art einer Kennlinie ein Datensatz hinterlegt ist, der in Abhängigkeit von einem gemessenen Ausgangspotential Ua einen wahrscheinlich geeigneten Startwert für die Einstellung des zweiten Referenzwiderstands 42 vorgibt.

Die Wechselspannungsquelle 60 ist im Ausführungsbeispiel ihrerseits aus einer Zusammenschaltung von nicht näher dargestellten weiteren Operationsverstärkern aufgebaut.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Wechselspannungsquelle 60 mit ihren Ausgangspolen auch zwischen die masseführende Leitung 6 und die zweite Widerstandsanordnung 44 geschaltet sein. In diesem Fall liefert der Operationsverstärker 20 ein Ausgangspotential Ua, dem die Ausgangsspannung der Wechselspannungsquelle 60 additiv überlagert ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung wäre somit vor einer Auswertung des vom Operationsverstärker 20 gelieferten Ausgangspotentials Ua die Subtraktion der von der Wechselspannungsquelle 60 gelieferten Ausgangsspannung, beispielsweise über einen weiteren Operationsverstärker, vorgesehen.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung 1' gemäß Fig. 2 unter Verzicht auf eine separate Hilfsspannungsquelle zur Erzeugung des Prüfpotentials ausgeführt. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 2 eignet sich für derartige Niederspannungsnetze 2, bei denen phasenweise und in bekannter Weise der Betriebsstrom I im Niederspannungsnetz 2 einen Wert Null annimmt. Dies kann beispielsweise bei einer Anwendung für Sensoren in Umrichtern oder Drehstromstellern der Fall sein. Dort nimmt der Betriebsstrom I in denjenigen Phasen den Wert Null an, in denen in der Form einer Thyristorschaltung 74 eingesetzte Halbleiter einen nichtleitenden Zustand einnehmen. In der Schaltungsanordnung 1' gemäß Fig. 2 dient dieser stromlose Zeitabschnitt dem Abgleich der Schaltungsanordnung 1'.

Im stromlosen Zustand fällt nämlich über den als Signalquelle 12 vorgesehenen Shunt-Widerstand keine Spannung ab, so daß in diesem Fall sowohl am ersten Eingangskanal 22 als auch am zweiten Eingangskanal 28 des Operationsverstärkers 20 gleichermaßen das Potential der potentialführenden Leitung 8 anliegt. Somit kann in dieser Phase zur Feststellung eines Abgleichs direkt überprüft werden, ob das vom Operationsverstärker 20 gelieferte Ausgangspotential Ua einen Wert von annähernd Null annimmt.

Zur Einleitung einer Abgleichphase ist der Abgleicheinheit 52 ein Auslösermodul 75 zugeordnet, das feststellt, ob gerade ein derartiger stromloser Zustand vorliegt. Falls dies der Fall ist, gibt das Auslösermodul 75, das auch in eine Thyristoransteuerung für die Thyristorschaltung 74 integriert sein kann, die Einteilung einer Abgleichphase frei. Solange der stromlose Zustand anhält, führt die Abgleicheinheit 52 über die dem zweiten Referenzwiderstand 42 zugeordnete Stelleinheit 50 den zweiten Referenzwiderstand 42 solange nach, bis das vom Operationsverstärker 20 generierte Ausgangspotential Ua einen Minimalwert einnimmt.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung 1" ebenfalls unter Verzicht auf eine Hilfsspannungsquelle aufgebaut. In diesem Fall ist in die Leitungen, über die die erste Widerstandsschaltung 34 mit der Signalquelle 12 verbunden ist, ein Umschalter 80 geschaltet. Der Umschalter 80 weist dabei eine Betriebsposition auf, in der der erste Eingangswiderstand 24 und der zweite Eingangswiderstand 30 voneinander getrennt und jeweils mit einem Pol der Signalquelle 12 verbunden sind. Zudem weist der Umschalter 80 eine Prüfposition auf, in der der zweite Eingangswiderstand 30 von der Signalquelle entkoppelt und stattdessen in der Art eines Kurzschluß mit dem ersten Eingangswiderstand 24 verbunden ist.

Bei dieser Schalterstellung liegt somit das Potential der potentialführenden Leitung 8 als gemeinsames Prüfpotential an beiden Eingangskanälen 22, 28 des Operationsverstärkers 20 an. In diesem Betriebszustand kann somit von der Abgleicheinheit 52 ein Abgleich des Operationsverstärkers 20 vorgenommen werden, wobei das vom Operationsverstärker 20 gelieferte Ausgangspotential Ua insgesamt durch Nachführung des zweiten Referenzwiderstands 42 auf einen Minimalwert eingestellt wird. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Abgleicheinheit 52 zur Einleitung und Beendigung einer derartigen Prüfphase über eine Steuerleitung 84 und über eine Meßleitung 86 mit dem Umschalter 80 verbunden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betreiben eines Operationsverstärkers (20), dessen erster und zweiter Eingangskanal (22, 28) über eine erste Widerstandsschaltung (34) mit einer Signalquelle (12) und über eine zweite Widerstandsschaltung (44) mit einem Bezugspotential verbunden sind, wobei die Eingangskanäle (22, 28) mit einem gemeinsamen Prüfpotential beaufschlagt werden, und wobei das vom Operationsverstärker (20) durch das Prüfpotential gegenüber dem Bezugspotential generierte Ausgangspotential (Ua) durch Nachführen eines Widerstands der ersten oder zweiten Widerstandsschaltung (34, 44) auf einen Minimalwert eingestellt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Eingangskanal (22, 28) zur Beaufschlagung mit dem Prüfpotential gemeinsam mit einer potentialführenden Leitung (8) verbunden werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste und der zweite Eingangskanal (22, 28) mit einem Wechselspannungssignal vorgebbarer Frequenz als Prüfpotential beaufschlagt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem zur Auswertung des durch das Prüfpotential generierten Ausgangspotentials (Ua) diejenige Komponente der vom Operationsverstärker (20) insgesamt abgegebenen Ausgangsspannung mit der vorgebbaren Frequenz des Wechselspannungssignals ermittelt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das Wechselspannungssignal über eine Anzahl von Koppelkondensatoren (62, 64) dem an der ersten Widerstandsschaltung (34) anliegenden Signal der Signalquelle (12) überlagert wird.
  6. 6. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") mit einem Differenzverstärker, dessen erster und zweiter Eingangskanal (22, 28) über eine erste Widerstandsschaltung (34) mit einer Signalquelle (12) und über eine zweite Widerstandsschaltung (44) mit einem Bezugspotential verbunden sind, und mit einer dem Differenzverstärker zugeordneten Abgleicheinheit (52), die eingangsseitig mit einem Ausgang (46) des Differenzverstärkers und ausgangsseitig zur Ausgabe eines Stellwerts (S) mit einer Stelleinheit (50) eines Widerstands der ersten oder der zweiten Widerstandsschaltung (34, 44) verbunden ist.
  7. 7. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") nach Anspruch 6, deren Differenzverstärker als Operationsverstärker (20) ausgebildet ist.
  8. 8. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") nach Anspruch 6 oder 7, deren Abgleicheinheit (52) ausgangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle (60) verbunden ist, deren einer Ausgangspol (61) sowohl mit dem ersten Eingangskanal (22) als auch mit dem zweiten Eingangskanal (28) des Differenzverstärkers verbunden ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung (1, 1', 1") nach Anspruch 8, deren Wechselspannungsquelle (60) als Oszillator aus einer Zusammenschaltung von Operationsverstärkern aufgebaut ist.
  10. 10. Schaltungsanordnung (1, 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 8, in deren Abgleicheinheit (52) ein das Verhalten des Ausgangspotentials (Ua) des Differenzverstärkers bei kurzgeschlossenen Eingangskanälen (22, 28) als Funktion eines Widerstands der ersten bzw. zweiten Widerstandsschaltung (34, 44) charakterisierender Datensatz hinterlegt ist.
  11. 11. Schaltungsanordnung (1, 1') nach einem der Ansprüche 6 bis 10, die als integrierte Schaltung ausgeführt ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com