INTERCONNECTION OF SEVERAL VOLTAGE OR CURRENT SOURCES TO A COMMON MEASURING DEVICE

Abstract: 1. A device for establishing the switching connections of a plurality of voltage or current sources (U1 , U2 ) with switches (S11, S21), acted upon by blocking current to form a common measuring device, where each connection path leads across two switches (S12, S22) arranged in series, and third switches (S13, S23) are provided which connect the connection points of the blocked series switches to a predetermined potential, characterised in that output terminals of the series switches (S12, S22) next in sequence-viewed from the input-are connected to the non-inverting input of an amplifier (V) operated as a voltage follower (impedance transducer), that the bases of the third switches (S13, S23) are connected to the output terminal of the amplifier (V), and that the measuring device is connected between the non-inverting input of the amplifier (V) and a zero bus bar.

Description: Vorrichtung zur Herstellung der Schaltverbindungen von mehreren Spannungs- oder Stromquellen zu einer gerne in- samen Messeinrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung der Schaltverbindungen von mehreren Spannungsoder Stromquellen mit sperrstrombehafteten Schaltern zu einer gemeinsamen Messeinrichtung, wobei jeder Verbindungsweg über zwei in Serie liegende Schalter führt und dritte Schalter vorgesehen sind, welche die Verbindungspunkte der in Serie liegenden, gesperrten Schalter an ein vorgegebenes Potential anschliessen. In der Messtechnik besteht oft die Aufgabe, mehrere Spannungs- oder Stromquellen über Schalter mit einer Messeinrichtung zu verbinden. Auch stromdurchflossene Widerstände sind als Spannungsquellen anzusehen. Spannungsquellen mit grossem Innenwiderstand werden als Stromquellen betrachtet. Die zur Durchschaltung in der Praxis verwendeten Schalter weisen endliche Durchschalt- und Sperrwiderstände auf. Dies führt dazu, dass beispielsweise bei einer Messanordnung, mit der zwei Spannungsquellen über zwei Schalter mit einer Messeinrichtung abwechselnd verbunden werden können, über den Sperrwiderstand des Schalters für die derzeit nicht angeschlossene Spannungsquelle ein Sperrstrom über den Durchschaltwiderstand des geschlossenen Schalters in die derzeit an die Messeinrichtung angeschlossene Spannungsquelle fliesst. Der Spannungsabfall über den Durchschaltwiderstand des geschlossenen Schalters und ein eventueller Spannungsabfall über den Innenwiderstand der an die Messeinrichtung angeschlossenen Quelle bewirken, dass die gemessene Spannung nicht der eigentlichen Ausgangsspannung der ange schlossenen Quelle entspricht. Sind nicht nur zwei, sondern n Quellen vorhanden, die über n Schalter an eine Messeinrichtung angeschlossen werden können, so addieren sich die Sperrströme der jeweils gesperrten Schalter zu einem Wert, der ungefähr das (n-1)-fache des Sperrstromes eines einzelnen Schalters ist. Bei vorgegebenen Fehlergrenzen ist damit der Ausbaugrad einer derartigen Schaltvorrichtung begrenzt. Eine Lösung dieses Problems könnte in der Anordnung von Jeweils zwei in Serie liegenden Schaltern pro anzuschlie ssender Quelle gesehen werden, wobei der Verbindungspunkt der beiden Schalter zur Ableitung des Sperrstromes des ersten der beiden Serienschalter über einen dritten Schalter an Nullpotential gelegt ist. Wie später an einer Figur gezeigt werden wird, ist bei dieser Schaltung Jedoch die Jeweils an die Messeinrichtung durchgeschaltete Quelle mit dem Sperrwiderstand des zweiten Serienschalters der nicht durchgeschalteten Quelle und dem Durchgangswiderstand des geschlossenen Ableitschalters für diese Quelle belastet. In dem Buch "Operationsverstärker in Theorie und Praxis", H. Hahn, Verlag Erwin Geyer, Bad Wörishofen, Kaufdatum 1970, Seiten 68 - 71 ist unter 8.5 ¯Elektrometerverstär- ker" und anhand der Abbildung 43 auf Seite 70 eine Schaltung eines Operationsverstärkers angegeben, bei dem ein Eingangssignal dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers zugeführt und der Ausgang des Verstärkers mit dem invertierenden Eingang direkt verbunden ist. Diese Schaltung wird auch als Spannungsfolger oder Impedanzwandler bezeichnet. In der Zeitschrift "Radio Fernsehen Elektronik", 1974, Heft 19, Seiten 640 - 643 ist ein elektronischer Nessstel- lenumschalter mit NOS-Bauelementen beschrieben, in dem auch die störende Wirkung von Leckströmen zwischen dem vorgespannten Substrat und der Source-Elektrode der als Schalter verwendeten NOS-Transistoren erwähnt ist. In dem Aufsatz sind Jedoch keine Massnahmen erwähnt, mit denen die Wirkung dieser Ströme unschädlich gemacht wird; es ist nur in Bild 4 eine Messschaltung für diese Ströme angegeben. Aus der DE-AS 22 03 306 ist eine Schaltungsanordnung zur Nullpunktsverschiebung von Messspannungen bekannt, bei der im Zusammenwirken mit einem Messstellenwähler ein zeitweilig als Spannungsfolger geschalteter Operationsverstärker auftritt. Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, sowohl eine Verfälschung der Ausgangsspannung der Jeweils an die MeE- einrichtung angeschlossenen Quelle durch die Sperrströme der Schalter der nicht angeschlossenen Quellen als auch eine Belastung der angeschlossenen Quelle durch Sperrwiderstände der Schalter für nicht angeschlossene Quellen zu verhindern. Eine Lösung dieser Aufgabe ergeben gemäss der Erfindung die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Es wird im eingehenderen Teil der Beschreibung gezeigt werden, dass der störende Einfluss des Sperrstromes der Schalter nicht an die Messeinrichtung angeschlossener Quellen um den Faktor 109 vermindert wird. Bei einer besonderen Ausführungsart der Erfindung sind den nachgeordneten Serienschaltern über mehrere eingangsseitig parallelliegende Schalter mehrere Quellen zugeordnet. Die Erfindung wird anhand von fünf Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematische Schaltbilder. Figur 1 zeigt eine Schaltung, bei der das durch die Erfindung zu lösende Problem auftritt. In Figur 2 ist eine Schaltung gezeigt, bei welcher der Versuch, das gestellte Problem zu lösen, einen anderen Fehler hervorruft. In Figur 3 ist eine Schaltung nach der Erfindung gezeigt. Figur 4 stellt ein Ersatzschaltbild der Schaltung nach Figur 3 dar. Figur 5 zeigt eine besondere Ausführungsart der Erfindung. In der Figur 1 sind zwei Quellen mit den Ausgangsspannungen U1 bzw. U2 über Schalter 31 und 52 wahlweise mit einer Messeinrichtung M verbindbar. Der Schalter 31 ist offen. Der Schalter 52 ist geschlossen; er legt also die Quelle mit der Spannung U2 an die Messeinrichtung M. An den Eingangsklemmen der Messeinrichtung M liegt eine Spannung U2', die nicht mit U2 übereinstimmen wird, wenn ein Sperrstrom Isp des gesperrten Schalters 31 über den geschlossenen Schalter S2 und die Quelle mit der Ausgangsspannung U2 fliesst. Eine mögliche Lösung dieses Problems, die aber ein neues Problem aufwirft, wird in der Figur 2 gezeigt. Dort sind Quellen mit der Spannung U1 und U2 über in Serie liegen- de Schalter S11 und 312 bzw. S21 und S22 wahlweise mit Eingangsklemmen KM einer nicht dargestellten Nesseinrich- tung verbindbar. Ableitschalter 313 bzw. S23 legen die Verbindungspunkte der in Serie liegenden Schalter an Nullpotential. Diese Ableitschalter werden so gesteuert, dass Jeweils der Verbindungspunkt der geöffneten Serien- schalter an Nullpotential liegt. Damit liegt aber über der Spannungsquelle mit der Ausgangsspannung U2 die Serienschaltung des Sperrwiderstandes des Schalters 312 mit dem Durchgangswiderstand des geschlossenen Ableit schalters 513. Insbesondere, wenn mehrere nicht angeschlossene Spannungsquellen vorhanden sind, wird die Jeweils angeschlossene Spannungsquelle unzulässig durch diese parallelliegenden Serienschaltungen eines Schaltersperrwiderstandes und eines Schalterdurchgangswiderstandes belastet. Die Figur 3 zeigt eine Schaltung, die der Erfindung entspricht. Die messeinrichtungsseitigen Anschlüsse der nachgeschalteten Serienschalter 512 bzw. 522 liegen dabei an einem der Eingänge eines Verstärkers V, der als Spannungsfolger betrieben wird. -Die ausgangsseitigen Anschlüsse der Ableitschalter S13 bzw. 523 sind an die Ausgangsklemme des Verstärkers V angeschlossen. Dabei ist der Ableitschalter 513, welcher der nicht angeschlossenen Spannungsquelle mit der Spannung U1 zugeordnet ist, geschlossen und der Ableitschalter S23, der zu der angeschlossenen Quelle mit der Ausgangsspannung U2 gehört, geöffnet. Weil der Verstärker V als Spannungsfolger betrieben wird, liegt an seiner Ausgangsklemme die gleiche Spannung wie an seiner mit der Jeweils angeschlossenen Quelle verbundenen Eingangsklemme. Der Verbindungspunkt der beiden gesperrten Schalter 511 und S12 führt also die gleiche Spannung wie der ausgangsseitige Anschluss des Schalters S12 Damit kann über den Schalter S12 kein Sperrstrom getrieben werden. Ein eventuell über den gesperrten Schalter S11 fliessender Sperrstrom kann seinerseits wegen des offenen Schalters S23 die Quelle mit der Ausgangsspannung U2 kaum beeinflussen. Die zwischen der einen Eingangsklemme des Verstärkers V und Nullpotential abzunehmende Messspannung U2' entspricht also weitgehend unverfälscht der von der angeschlossenen Quelle abgegebenen Spannung U2. Das Ersatzschaltbild der Schaltung nach Figur 3 wird in Figur 4 dargestellt. Die Sperr- bzw. Durchgangswider stände der einzelnen Schalter sind durch Indizes, die die Schalterbezeichnung enthalten, gekennzeichnet. Ge schlossen Schalter sind dabei durch einen zusätzlichen Index D als Durchgangawiderstand erkennbar. Am Verzweigungspunkt der Schalter S11, S12 und S13 gilt nach der Knotenregel: ISP - I1 - I2 = 0 (1) Für die rechte Seite des Ersatzschaltbildes gilt mit dem eingezeichneten Umlaufsinn nach der Maschenregel: U2 - U2 - I2 (RS21D + RS22D) - I2RS12 + I1RS13D = (2) Weiter lässt sich für U2' = U2" infolge der Spannungsfolgerwirkung des Verstärkers V eine dritte Gleichung ableiten: EMI6.1 Wird Gleichung (3) in Gleichung (2) eingesetzt, so ergibt sich: 12 #RS22D + RS21D) + U2 - U2 - I2 (RS21D + R522D) - I2RS12 + I1RS13D = 0 daraus I1RS13D = I2RS12 EMI6.2 Gleichung (1) lässt sich umformen in: I1 = ISP - I2 Dies eingesetzt in die vorausgegangene Zeile ergibt: : EMI7.1 Weil nun der Durchgangswiderstand RSl3D sehr viel kleiner ist als der Sperrwiderstand Ru12, ist EMI7.2 Durch die Erfindung wird also der Einfluss des Sperrstromes Isp um den Faktor RS13D uns12 verkleinert. Bei praktischen Werten für diese Widerstände ergeben sich für RSl3D = 10 Q und RS12 = 1010kl Damit wird der Faktor EMI7.3 Der störende Einfluss des Sperrstromes Isp wird also um den Faktor 10 vermindert. In der Figur 5 ist eine Schaltung dargestellt, die im Prinzip der Schaltung nach Figur 3 entspricht. Sie ist Jedoch auf den besonderen Fall zugeschnitten, bei dem sich eine störende Wirkung erst bei einer Summierung von Sperrströmen einer bestimmten Anzahl gesperrter Schalter der Jeweils nicht angeschlossenen Quellen einstellt. Hier kann eine kleinere Anzahl Quellen mit ersten Schaltern parallel zu Gruppen zusammengefasst werden und einer Gruppe Jeweils ein in Serie dazu liegender zweiter Schalter sowie ein Ableitschalter zugeordnet sein. In der Figur 5 ist eine Quelle mit der Ausgangsspan nung U1 über zwei Serienschalter S11 und S12 an eine Eingangsklemme des Verstärkers V angeschlossen. An den Verbindungspunkt der Serienschalter 511 und S12 ist parallel über einen Schalter S1n eine Quelle mit der Spannung U1n anschliessbar. Der Index n deutet an, dass noch mehrere Quellen an den gleichen Verbindungspunkt angeschlossen werden können, bis zu einer Anzahl, für die die Sperrströme über die Schalter SIn noch unterhalb einer festgesetzten Fehlergrenze liegen. Uber diese Anzahl hinausgehende Quellen sind über Schalter 52n und einen Schalter 521 zu einer zweiten Gruppe von Quellen zusam mengefasst. Der Schalter S21 wird von einem Serienschalter 522 gefolgt. Am Verbindungspunkt der beiden Schalter liegt ein Ableitschalter 523, der geschlossen ist und den Verbindungspunkt der derzeit nicht angeschlossenen Gruppe von Quellen zugeordneten Serienschaltern 321 und 522 mit der Ausgangsklemme des Verstärkers V verbindet. 2 Patentansprüche 5 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Herstellung der Schaltverbindungen von mehreren Spannungs- oder Stromquellen mit sperrstrombehafteten Schaltern zu einer gemeinsamen Messeinrichtung, wobei Jeder Verbindungsweg über zwei in Serie liegende Schalter führt und dritte Schalter vorgesehen sind, welche die Verbindungspunkte der in Serie liegenden, gesperrten Schalter an ein vorgegebenes Potential anschlie bein, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ausgangsseitige Anschlüsse der - vom Eingang her gesehen nachgeordneten Serienschalter (S12, S22) mit dem nichtinvertierenden Eingang eines als Spannungsfolger (Impedanzwandler) betriebenen Verstärkers (V) verbunden sind und die Fusspunkte der dritten Schalter (313, 523) an der Ausgangsklemme des Verstärkers (V) liegen und die Messeinrichtung zwischen dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers (V) und einer Nullschiene angeschlossen ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass den nachgeordneten Serienschaltern (S12, 822) über mehrere eingangsseitig parallelliegende Schalter (511 ... Sin bzw. S21 ... S2n) mehrere Quellen 1 ... Uln bzw. U2 ¯.. U2n) zugeordnet sind.

Inventors: TOPFER, FRIEDRICH, DIPL.-ING., Töpfer, Friedrich, Dipl.-Ing.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1983
Main classification: G01R15
IPC codes: G01R1, G01R19