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PATENTANSPRÜCHE
1. Aktive Glättungseinrichtung mit einer Längsimpedanz, deren erster Anschluss den Eingang und deren zweiter Anschluss den Ausgang eines Dreipols bilden, dessen dritter Pol an ein Bezugspotential angeschlossen ist, dadurch gekenn7eichnet, dass ein Feldeffekt-Transistor (FET) vorhanden ist, dessen Anoden-Kathoden-Strecke wenigstens teilweise die Längsimpedanz bildet und dessen Steueranschluss über die Reihenschaltung der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors (T) und eines Begrenzer-Widerstandes (R6) mit einem Referenzanschluss (B') verbunden ist, dass ferner die Basis des Transistors (T) mit dem Ausgangssignal eines Operationsverstärkers (OP) beaufschlagt ist,
dessen nichtinvertierender Eingang sowohl über einen Kondensator (Cl) mit dem dritten Pol (B) des Dreipols als auch über einen ersten Widerstand (Rl) mit einem Regelpotentialanschluss (Q) verbunden ist, der einerseits über einen ersten Brückenwiderstand (R2, R3) an den Eingang (E) des Dreipols und andererseits über einen zweiten Brückenwiderstand (R8) an den Referenzanschluss (B') angeschlossen ist, und dessen invertierender Eingang einerseits über eine Referenzspannungsquelle (Ub, R10) mit dem Ausgang (A) des Dreipols und andererseits über einen weiteren Brückenwiderstand (R9) mit dem Referenzanschluss (B') verbunden ist, und dass zwischen dem Eingang (E) des Dreipols und dem Steuereingang des Feldeffekt-Transistors (FET) ein Steuer-Widerstand (R5) eingefügt ist.
2. Glättungseinrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Anoden-Kathoden-Strecke des Feldeffekt-Transistors (FET) mindestens eine Schutzdiode (D6, D7) eingefügt ist.
3. Glättungseinrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP) über eine Gegenkopplungsimpedanz (C2) mit dem Emitter des Transistors (T) verbunden ist.
4. Glättungseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannungsquelle (Ub) eine Zenerdiode (Z) aufweist, und dass zwischen dem Referenzanschluss (B') und dem dritten Pol (B) des Dreipols ein weiterer Widerstand (R7) eingefügt ist.
5. Glättungseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP) über die Reihenschaltung eines RC-Gliedes (Rl 1, C4) mit dem Ausgang (A) des Dreipols verbunden ist.
6. Glättungseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OP) über eine Diode (D4) mit dem Emitter des Transistors (T) verbunden ist.
7. Glättungseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Operationsverstärkers (OP) über eine weitere Diode (Dl) mit dem Emitter des Transistors (T) verbunden ist.
8. Glättungseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel zur Anoden-Kathoden-Strecke des Feldeffekt-Transistors (FET) eingefügte Schutzdiode eine Zenerdiode (D6, D7) ist.
9. Glättungseinrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem einen Hauptanschluss des Feldeffekt-Transistors (FET) und dem Steuereingang desselben eine Zenerdiode (D5) eingefügt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine aktive Glättungseinrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanpruches 1.
In Glättungseinrichtungen für relativ grosse Ströme und tiefe Frequenzen werden vielfach Kondensatoren mit relativ hohen Kapazitätswerten eingesetzt, was mit einem grossen Platzbedarf und hohen Einschaltströmen verbunden ist. Um den Platzbedarf zu reduzieren, können Schaltungen zur Spannungsstabilisierung mit einem Emitterfolger verwendet werden. Solche Schaltungen erweisen sich indessen als nachteilig, da sowohl der Spannungsabfall, den sie hervorrufen, als auch die entstehenden Verluste zu gross sind.
Demgegenüber zeigt die Erfindung einen Weg, um zu einer aktiven Glättungseinrichtung zu gelangen, die einen kleinen Spannungsabfall aufweist und mit deren Hilfe sowohl primärseitig als auch sekundärseitig von Störquellen verursachte tieffrequente Störungen weitgehend aufgehoben werden.
Dies wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Massnahmen erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das Schaltbild einer einfachen als Dreipol ausgebildeten passiven Glättungseinrichtung, und
Fig. 2 das Schaltbild einer Ausführung einer als Dreipol ausgebildeten aktiven Glättungseinrichtung nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die Ausgangsspannung eines Gleichrichters GS über eine als Dreipol aufgebaute passive Glättungseinrichtung GE dem Eingang eines Verbrauchers VS zugeführt wird, dessen Ersatzschaltung aus der Parallelschaltung eines variablen Widerstandes RL mit der Reihenschaltung einer Impedanz ZL und eines Wechselspannungs-Generators WG besteht. Ein solcher Verbraucher kommt vielfach als Rufschaltung in Telephonieanlagen vor. Der Dreipol GE besteht aus einem Tiefpass, der eine in Serie geschaltete Impedanz ZS und einen parallelgeschalteten Kondensator C aufweist.
Dabei bildet der erste Anschluss der Impedanz ZS den Eingang E und der zweite Anschluss der Impedanz den Ausgang A des Dreipols.
Als Ersatz für den Dreipol GE nach Fig. 1 kann eine aktive Glättungseinrichtung nach Fig. 2 eingesetzt werden, die einen Operationsverstärker OP aufweist, dessen invertierender Eingang an einer auf den Ausgang A bezogene Referenzspannung Ub liegt und dessen nichtinvertierender Eingang einerseits über einen Kondensator Cl mit dem Bezugspotential-Anschluss B des Dreipols und andererseits über die Reihenschaltung von vier Widerständen Rl, R2, R3 und R4 mit dem einen Anschluss eines Feldeffekt-Transistors FET verbunden ist, dessen anderer Anschluss den Ausgang A des Dreipols (Fig. 1) bildet, so dass der Hauptstrom über die Anoden-Kathoden-Strecke des Feldeffekt-Transistors FET fliesst.
Der den Eingang E des Dreipols bildende gemeinsame Anschluss der Widerstände R3 und R4 ist über einen Steuer Widerstand R5 einerseits mit dem Steueranschluss des Feldeffekt-Transistors FET und andererseits mit den Kollektor eines Transistors T verbunden, der über seine Basis mit dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP gesteuert ist.
Dabei ist der gemeinsame Anschluss der Widerstände R2 und R3 mit P bezeichnet. Die Reihenschaltung der Widerstände R2 und R3 stellt einen Zweig einer Brücken-Widerstands Schaltung dar.
Der Emitter des Transistors T ist einmal über eine Schutzdiode Dl mit dessen Basis, zum anderen über einen Gegenkopplungs-Kondensator C2 mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und ausserdem über die Reihenschaltung zweier Widerstände R6 und R7 mit dem Anschluss B verbunden, wobei zwischen dem gemeinsamen Anschluss B' dieser beiden Widerstände R6 und R7 und dem
gemeinsamen Anschluss Q der Widerstände Rl und R2 ein weiterer Brücken-Widerstand R8 eingefügt ist. Speisespannungsmässig liegt ferner der Operationsverstärker OP sowie eine Zenerdiode Z zwischen dem Referenzanschluss B' und dem Ausgang A des Dreipols. Parallel zur Zenerdiode Z sind ein Kondensator C3 sowie die Reihenschaltungen einerseits zweier Schutzdioden D2 und D3 und andererseits zweier Brücken-Widerstände R9 und R10 geschaltet, wobei der gemeinsame Anschluss dieser Dioden D2 und D3 mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und der gemeinsame Anschluss der Widerstände R9 und R10 einerseits mit dem invertierenden Eingang desselben und andererseits über die Reihenschaltung eines Widerstandes Rl 1 und eines Kondensators C4 mit dem Ausgang A des Dreipols verbunden ist.
In der Glättungseinrichtung nach Fig. 2 sind zudem weitere Schutzdioden D4 und D5 eingesetzt, wobei die Diode D4 parallel zum Kondensator C2 liegt; die Diode D5 ist eine Zener-Diode, die zwischen dem Source Anschluss des Feldeffekt-Transistors FET und dessen Steueranschluss (Gate) eingefügt ist. Zwischen dem Drain Anschluss und dem Eingang E sind zwei weitere Dioden D6 und D7 in Reihe geschaltet.
Die Glättungseinrichtung nach Fig. 2 funktioniert folgendermassen:
Der Feldeffekt-Transistor FET ist für relativ hohe Leistungen vorgesehen, so dass er als Serieregler arbeiten kann, wobei er vom Operationsverstärker OP derart gesteuert wird, dass an dessen beiden Eingängen die Differenzspannung praktisch gleich Null ist. Diese Steuerung geschieht über den Transistor T, der zusammen mit dem Begrenzer-Widerstand R6 eine Stromquelle bildet, deren Strom eine Spannung über dem Steuer-Widerstand R5 bewirkt, die den Feldeffekt-Transistor FET aussteuert und somit den Spannungsabfall zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A bestimmt, wobei bei geeigneter Wahl des Feldeffekt-Transistors der strombegrenzende Widerstand R4 auch entfallen kann.
Im einfachsten Fall können beispielsweise die Widerstände R2, R8, R9 und R10 den gleichen Widerstandswert aufweisen, so dass der von der Zenerdiode Z bestimmte Spannungsabfall über den Widerständen R9 und RIO jeweils gleich Ub ist. Damit die Differenzspannung an den Eingängen des Operationsverstärkers OP Null wird, muss dieser die Glättungseinrichtung derart steuern, dass die Spannung über den Brücken-Widerstand R8 ebenfalls Ub beträgt, da der Spannungsabfall über den Widerstand Rl sowie die Eingangsströme des Operationsverstärkers OP vernachlässigt werden dürfen.
Durch die Spannung Ub über dem Brücken-Widerstand R8 ist auch die Spannung über den Brücken-Widerstand R2, R3 gegeben, da sie praktisch denselben Strom führen. Die Spannung über dem Widerstand R2 beträgt somit Ub und diejenige über dem Widerstand R3 beispielsweise U 1. Deshalb muss auch die Spannung über dem Widerstand R4 und dem Feldeffekt-Transistor FET, also der Spannungsabfall zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A den Wert Ul betragen, weil der Spannungsabfall zwischen den Punkten P und B gleich demjenigen zwischen den Punkten A und B ist.
Aus der Eingangsspannung zwischen den Punkten B und E wird mit den Brücken-Widerständen R8, R2 und R3 und dem durch den Widerstand Rl und den Kondensator Cl gebildeten Tiefpass eine Fühlungsspannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP erzeugt, welche von diesem mit der um die Referenzspannung Ub reduzierten Ausgangsspannung zwischen den Punkten B und A verglichen wird. Sehr langsame Spannungsänderungen beispielsweise der Frequenz fl zwischen den Punkten B und E werden durch den Tiefpass nicht geglättet und deshalb auf den Ausgang der Glättungseinrichtung übertragen. Etwas schnellere Spannungsänderungen beispielsweise der Frequenz f2 < fl, zwischen den Punkten B und E hingegen werden durch den Tiefpass Rl, Cl blockiert. Dadurch wird beispielsweise die Brummspannung der Stromversorgung geglättet und nicht auf den Ausgang übertragen.
Durch die hohe Verstärkung des Regelkreises, die hauptsächlich durch die Gegenkopplungsimpedanz C2 bestimmt wird, ist die Ausgangsimpedanz zwischen den Punkten B und A sehr klein. Die Dioden D6 und D7 führen den Strom zur Erzeugung der Speisespannung des Operationsverstärkers OP und der Referenzspannung beim Einschalten und schützen den Leistungstransistor FET vor Überbelastung. Sie können auch durch einen Widerstand oder gegebenenfalls durch eine einzige Diode, beispielsweise eine Zenerdiode, ersetzt werden.
Das durch den Widerstand Rl 1 und den Kondensator C4 gebildete RC-Glied trägt lediglich zur Stabilität der Schaltung, beispielsweise bei einer Frequenz f3 > f2, bei und kann daher in manchen Fällen entfallen. Die Diode D4 verhindert, dass das Potential am Emitter des Transistors T um mehr als etwa 0,7 Volt negativer als das Potential an seiner Basis wird.
Schliesslich ist noch zu bemerken, dass für den Zweck der Erfindung der Operationsverstärker OP speisespannungsmässig auch in irgendeiner anderen Form eingefügt werden kann.
Auch zur Erzeugung der Referenzspannung Ub kann eine beliebige Spannungsquelle zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP und dem Ausgang A, gegebenenfalls über Widerstände oder andere Bauelemente, eingefügt werden.
Sofern die zulässige Speisespannung der Operationsverstärkers OP nicht überschritten wird, kann der Widerstand R7 und die Zenerdiode Z auch entfallen und der Referenzanschluss B' mit dem Bezugspotential B verbunden werden.