AT270269B - Schaltung zur analogen Nachbildung von Dioden sowie Anordnung zur analogen Nachbildung beliebiger Diodenkombinationen - Google Patents

Description

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  Schaltung zur analogen Nachbildung von Dioden sowie Anordnung zur analogen Nachbildung beliebiger Diodenkombinationen 
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Gleichstrom und Gleichspannung des Polrades. In Fig. 2a bedeuten die Verbindungslinien der drei
Einzelteile echte Leitungen, im Blockschaltbild Fig. 2b hingegen Signalflussrichtungen. Stromwand- ler und Polradkreis sind in Fig. 2a durch Ersatzschaltbilder dargestellt. 



   Es ist natürlich möglich, das erfindungsgemässe Analogmodell einer Diode bzw. einer Dioden- kombination an einem Analogrechner üblicher Ausführung abzustecken. Hiezu werden je nach Grösse der Diodenkombination einige Rechenverstärker benötigt, die durch Kabel verbunden werden (z. B. für die in Fig. 2a vorkommende Einphasen-Dioden-Brücke sechs Rechenverstärker, vgl. Fig. 8). Es ist auch möglich, das Analogmodell einer Diodenkombination in Gestalt eines gezeichneten Koppelplanes zur
Wiederverwendung in andern Analogmodellen verfügbar zu halten. Gegenüber der Ausführung der erfin- dungsgemässen Analogmodelle als fest verdrahtete Bauelemente verbleiben dabei jedoch folgende
Nachteile : a) Selbst wenn viele Rechenverstärker am Analogrechner vorhanden sind, wird das Modell der
Diodenkombination im Programmierfeld viel Platz beanspruchen.

   Wegen der vielen Verbindungskabel ist der Überblick über das Gesamt-Analogmodell gestört. b) Das Modell der Diodenkombination muss bei jeder Verwendung unter erheblichem Arbeitsaufwand am Programmierfeld des Analogrechners immer neu abgesteckt und geprüft werden. 



   Wenn hingegen das erfindungsgemässe vollständige Modell einer Diodenkombination fest verdrahtet im Analogrechner eingebaut oder als Einschub ausgeführt wird, scheinen am Programmierfeld nur mehr wenige Steckbuchsen für die Eingangs-und Ausgangssignale auf (z. B. vier Buchsen für das Analogmodell der Einphasen-Brücke gemäss   Fig. 2b   bzw. 8). Das Modell kann auch als selbständiges Zusatzgerät ausgeführt werden. Vergleichsweise ist die Zusammenfassung von mehreren Dioden, Rechenverstärkern und Widerständen zu einer Diodenstrecke (Funktionsgenerator) ein bekanntes Analogrechner-Bauelement mit nur einer Eingangs-und einer Ausgangsbuchse. 



   Es könnte eingewendet werden, dass die feste Verdrahtung von mehreren   Rechenverstärkern für   einen speziellen Zweck dem Prinzip der universellen Verwendbarkeit der Rechenverstärker in Analogrechnern entgegenstehe und zu aufwendig sei. Dieser Einwand wird jedoch durch die folgenden Gegenargumente   entkräftet :   a) Die Tendenz im Analogrechnerbau geht wie in der gesamten Elektronik zu kleinen Bauteilen. 



  Ein Rechenverstärker in älterer Ausführung enthält z. B. mehrere geheizte Röhren, während ein moderner transistorisierter Rechenverstärker ein Baustein mit einem Volumen von etwa 2   cms   ist. Hingegen kann das Programmierfeld, das einen Teil der Frontplatte des Analogrechners mit Buchsen zum Verbinden der Rechenelemente mit Steckkabeln darstellt, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mehr verkleinert werden.

   Im künftigen Analogrechner, dessen Grösse weitgehend durch das Programmierfeld und die Bedienungseinrichtungen bestimmt sein wird, ist für weitere elektronische Einbauteile voraussichtlich genügend Platz. b) Während an die Güte der universell verwendbaren Rechenverstärker eines Analogrechners höchste Anforderungen gestellt werden müssen, kann ein Teil der im erfindungsgemässen Analogmodell verwendeten Rechenverstärker von geringer Genauigkeit und damit billig sein. So werden z. B. für eine Einphasen-Brücke (s. Fig. 8) vier genaue und zwei ungenaue Rechenverstärker gebraucht. e) Das erfindungsgemässe Analogmodell einer Diodenkombination neigt zu Eigenschwingungen. Zu deren Unterdrückung müssen einzelne Rechenverstärker mit kleinen Kondensatoren beschaltet werden. 



  Diese   Beruhigungskapazitäten   wirken bei einem   Rechenverstärker für   Normalgebrauch eher störend. 



   Obwohl also das Modell einer Diode oder Diodenkombination an einem Analogrechner herkömmlicher Art durch Abstecken am Programmierfeld gebildet werden   könnte-allerdings   unter den oben geschilderten Schwierigkeiten - ist die erfindungsgemässe fest verdrahtete Zusammenfassung von Rechenverstärkern zu einem speziellen Bauelement neu und mit wesentlichen Vorteilen verbunden. 



   Beim erfindungsgemässen Diodenmodell muss der Zeitpunkt des Umschaltens vom nichtleitenden in den leitenden Zustand und umgekehrt (Kommutierung) nicht durch äusseren Eingriff (etwa gesteuerte Relais) festgelegt werden. Er stellt sich vielmehr aus der Wechselwirkung mit den Analogmodellen der angeschlossenen elektrischen Netzwerke selbsttätig und funktionsrichtig ein. 



   Ein weiterer Vorteil der Erfindung beruht darauf, dass sich das dynamische Verhalten von Gleichrichterschaltungen am Analogrechner leichter übersehen lässt als am Digitalrechner. Die Digitalprogrammierung von Differentialgleichungen ist unter Berücksichtigung des nicht linearen, zum Teil unstetigen Verhaltens der Diodenkombination sehr aufwendig und setzt die Anwendung eines numerischen Lösungsverfahrens für Differentialgleichungen mit Schrittweite-Automatik voraus.

   Da ein dynamischer Vorgang meist von einem eingeschwungenen (quasistationären) Wechselstromzustand ausgeht, 

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 ist zur Ermittlung dieser Anfangswerte wieder ein eigenes Programm nötig, so dass die Rechenzeit selbst bei schnellen Digitalrechnern erheblich ist. Überdies ist das automatische Zeichnen von digital berechneten Lösungskurven wesentlich aufwendiger, als bei Verwendung eines Analogrechners. 



   Eine einschlägige Behandlung von Gleichrichterproblemen am Analogrechner ist nur aus einer Dissertation von R. Schnörr   fuzz   TH Karlsruhe, bekannt. Hier wird aber nur das Analogmodell einer Serienschaltung von Diode und Induktivität am Analogrechner beschrieben. Die Induktivität kann nicht in beliebigen Bereichen variiert werden. Ausserdem ist die dem Diodenstrom analoge Spannung bei gesperrter Diode nicht Null, sondern entspricht einer konstanten Diodenschwellspannung, was bei 10 V Bereichsspannung einen Fehler von zirka 5% bedingt. Die Schwellspannung der abgebildeten Diode wird nicht berücksichtigt. Alle drei Nachteile werden beim erfindungsgemässen Analogmodell vermieden. 



   Ein aus mehreren Einzelteilen zusammengesetztes Analogmodell (Fig. 1,2b) ist dadurch charakterisiert, dass der durch Pfeile angegebene Signalfluss unabhängig vom Betriebszustand immer in derselben Richtung verlaufen muss, weil ein Einzelteil ein bestimmtes Signal entweder nur empfangen oder nur abgeben kann. 



   In Fig. 3 verbindet eine Diode die beiden elektrischen Schaltungen --A und B-- ; das Blockschaltbild Fig. 4 zeigt das zugehörige Analogmodell. Für das Diodenmodell --MD-- sind --U1, U2 und U3-- 
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    1 + Us- -U1   =   L   +   Us¯¯ erfüllt   bleibt. Diesen beiden Bedingungen genügt die Rechenschaltung   für-MD-   gemäss Fig. 5 (mit Diodenkennlinie Fig. 5a). Die Gegenkopplungsdiode verhindert, dass der offene Rechenverstärker im Sperrzustand dauernd übersteuert. 



   In Fig. 4 sind die beiden Schaltungsmodelle --MA und MB-- für Spannungs- Ausgang und Strom-Eingang ausgeführt. Besitzt hingegen eines der beiden Modelle (MB) Spannungs-Eingang und Strom-Ausgang, ergibt sich ein Analogmodell gemäss Fig. 6 und eine Rechenschaltung   für -MD- nach Fig. 7   (Diodenkennlinie wie in   Fig. 5a).   



   Die in Fig. 5 und 7 verwendeten offenen Rechenverstärker neigen zu Eigenschwingungen. Zur Unterdrückung der letzteren kann man die offenen Rechenverstärker oder die von den   MD-Signalen   angespeisten Rechenverstärker in den äusseren Modellen --MA und MB-- mit Beruhigungskapazitäten beschalten, wie sie in den Fig. 5 und 7 parallel zu den Gegenkopplungsdioden strichliert eingezeichnet sind. Die Schwingneigung des Gesamtmodells hängt hauptsächlich von-MA und   MB-ab.   



   Das Analogmodell einer beliebigen Diodenkombination kann aus Schaltungen zusammengesetzt werden, die prinzipiell Fig. 5 und 7 entsprechen. Beispielsweise ist das Analogmodell einer EinphasenBrücke gemäss Fig. 2a in Fig. 8 gezeigt. Links wird zunächst der als gegeben vorausgesetzte Wechsel- 
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    --J 1-- zugeführt.Wechselstrom --J1-- gespeister   Gleichrichter antwortet, wenn er mit einem Polrad gemäss Fig. 2a abgeschlossen ist. In der abzubildenden Einphasen-Brücke sind Strom und Spannung je zweier gegenüberliegender Dioden in jedem Augenblick gleich gross. Diese Symmetrie gestattet es, im Rechenmodell ein derartiges Diodenpaar durch ein einziges Diodenmodell darzustellen, so dass man hier zur Darstellung von vier Dioden nur zwei Diodenmodelle benötigt.

   Das ausgeführte Beispiel einer Diodenkombination hat noch folgenden Vorteil : Es arbeitet auch funktionsrichtig, wenn man es an den Buchsen-Jg und   J-   mit den   Spannungen --Ug   bzw.   U.-anspeist.   An den Buchsen -- -Ug und +U1-- erhält man dann die   Ströme--Jbzw. +J -.   DieStrom-Spannungs-Dualität gilt aber nicht'fOr jedes Modell einer Diodenkombination. 



   Durch Zuführung einer hohen positiven Spannung --Uz-- an den Eingang des offenen Rechenverstärkers kann ein Zustand modelliert werden, in dem die Diode trotz-Ul > U2 + Us--gesperrt bleibt (gesteuerte Diode, Thyristor, entsprechend Fig. 5) oder in dem die nichtleitende Diode kurzgeschlossen wird   (J < 0, Fig. 7).   Erstere Anwendung findet sich schon auf S. 196 der genannten Dissertation. 

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Schaltung zur analogen Nachbildung einer Diode, dadurch gekennzeichnet, dass die der Diodenspannung oder dem Diodenstrom analoge Spannung einem offenen Rechenverstärker als <Desc/Clms Page number 4> Eingangsgrösse zugeführt ist, dessen Ausgang eine derart gerichtete Diode nachgeschaltet ist, dass die Ausgangsgrösse (Diodenstrom bzw. Diodenspannung) nur das gewünschte Vorzeichen annehmen kann.

   2. Schaltung nach Anspruch 1,.. dadurch gekennzeichnet, dass der offene Rechenverstärker mit einer derart gerichteten Diode gegengekoppelt ist, dass eine dauernde Übersteuerung des offenen Rechenverstärkers in jenem Betriebszustand vermieden wird, in welchem die nachgeschaltete Diode gesperrt ist.

   3. Schaltung nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Neigung zu Eigenschwingungen durch Beschaltung des offenen Rechenverstärkers mit kleinen Kondensatoren unterdrückt ist.

   4. Schaltung nach Anspruch l, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Berücksichtigung der Schwellspannung der nachgebildeten Diode eine der Schwellspannung analoge Spannung in die gesamte Diodenspannung eingerechnet ist.

   5. Schaltung nach Anspruch 1, 2, 3oder4 dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrzustand des Systems durch ein zusätzliches äusseres Signal willkürlich herbeiführbar ist und dass dieses Signal als Spannung am Eingang des offenen Verstärkers in solcher Grösse zugeführt wird, dass das Ausgangssignal Null bleibt, unabhängig von der Grösse der andern Eingangssignale.

   6. Anordnung zur analogen Nachbildung einer beliebigen Diodenkombination, dadurch ge- kennzeichnet ; dass sie aus den einzelnen Kombinationselementen entsprechenden Schaltungen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zusammengesetzt ist, wobei die Schaltungen in der der Diodenkom- EMI4.1 unter gleichen Bedingungen arbeiten, durch nur eine Diodennachbildung ersetzt und Knotenpunkte in an sich bekannter Weise analog nachgebildet sein können (Fig. 8).

   7. Schaltung bzw. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile des Analogmodells der Diode bzw. der Diodenkombination untereinander fest verdrahtet und nur die Leitungen für die Ein-und Ausgangssignale des Analogmodells zu Steckbuchsen od. dgl. geführt sind.