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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 zur Leistungsmessung in einem Wechselstromsystem.
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In
dieser Anmeldung bezeichnet der Ausdruck Verbraucher ein Gerät, das an
ein elektrisches Netz angeschlossen ist, wodurch das Gerät entweder
elektrische Leistung aus dem Netz aufnimmt oder elektrische Leistung
in das Netz einspeist.
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In
einem Kilowattstunden-Zähler,
in dem das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet werden kann, wird die Leistung normalerweise gemessen,
indem ein Signal pro portional zum Strom des Verbrauchers und ein
Signal proportional zur Spannung des Verbrauchers zuerst gebildet
werden. Anschließend wird
die transiente aktive Leistung zu einem bestimmten Zeitpunkt durch
Multiplikation des zum Strom proportionalen Signalwertes mit dem
Wert des zur Spannung proportionalen Signals berechnet. Die Energie,
die vom Verbraucher konsumiert wurde, wird durch eine Integration
der Leistung über
das gewünschte
Zeitintervall berechnet.
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Die
Messung des Stroms im Verbraucher basiert grundsätzlich auf einem Widerstand,
welcher den Strom auf einem Eisen- oder Ferritkern-Stromtransformator
durch Induktion in Spannung umwandelt, wobei der Primärstrom die
Spannung auf der sekundären
Spule über
magnetische Sensoren (beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistiver
Sensor) oder in bestimmten Fällen über einen Lichtwellenleiter,
der das magnetische Feld abtastet, induziert. Bei allen anderen
außer
dem widerstandsbasierten Transformator, basiert die Messung auf
die eine oder andere Weise auf der Verwendung des vom Primärstrom hervorgerufenen
Magnetfeldes.
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Bei
der Induktion bewirkt der im primären Schaltkreis des Stromtransformators
fließende Wechselstrom
einen sich relativ zur Zeit ändernden magnetischen
Fluss im Stromtransformator. Der magnetische Fluss induziert seinerseits
eine Spannung im sekundären
Schaltkreis des Stromtransformators. Diese Spannung im sekundären Schaltkreis
des Stromtransformators verhält
sich proportional zur Zeitableitung des Wechselstroms im primären Schaltkreis
des Stromtransformators. Um den Wert des im primären Schaltkreis des Stromtransformators
fließenden
Wechselstroms herauszufinden, wird die Spannung im sekundären Schaltkreis
des Stromtransformators im Bezug zur Zeit integriert.
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In
Lösungen
gemäß dem Stand
der Technik wird ein vom sekundären
Schaltkreis des Stromtransformators erhaltenes Strommesssignal integriert,
woraufhin das integrierte Strommesssignal mit dem Spannungsmesssignal
multipliziert wird, um die Leistung zu bekommen. In derartigen Lösungen werden üblicherweise
aktive, d.h. mit einem Verstärker versehene,
Integratoren verwendet. Dies ist deshalb so, weil das Ausgangssignal
eines induktiven Stromtransformators üblicherweise ein niedriges
Niveau hat. Wenn ein passives RC-Filterglied das Signal in der Basisfrequenz
sogar weiter auf ungefähr
ein Hundertstel dämpft,
war es üblicherweise
nicht möglich, einen
passiven Integrator in Lösungen
gemäß dem Stand
der Technik zu verwenden.
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Das
finnische Patent
FI 98865 des
Anmelders stellt ein auf Induktion basierendes Verfahren zur Messung
von Wechselstrom mit einem Messsensor zur Messung des Wechselstroms
und dessen Verwendung in einem Kilowattstunden-Zähler vor. Bei diesem Verfahren
ist ein Neigungsmesser von mindestens erster Ordnung in das elektrische
Leitersystem oder in seine unmittelbare Umgebung eingepasst, wodurch
der im Stromsystem fließende
Strom eine Spannung im Neigungsmesser induziert. Die Form des Stromleitersystems
und die Form der Spulenkonstruktion des Neigungsmessers sind derart aneinander
angepasst, dass das Ausgangssystem im wesentlichen unabhängig von
jeglichen kleinen Änderungen
ist, die hinsichtlich der relativen Positionen des Stromleitersystems
und des Neigungsmessers auftreten.
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In
der finnischen Patentanmeldung
FI 20001048 des
Anmelders wird ein Induktionsstromtransformator zur Messung von
Wechselstrom vorgestellt. Der Stromtransformator weist einen Primärstromleiter
auf, worin zwei Stromschleifen von im wesentlichen kreisförmiger Gestalt
parallel geschaltet sind. Die Stromschleifen sind konzentrisch in
parallel übereinander
angeordneten Ebenen, mit einem Abstand zwischeneinander angeordnet.
Zwischen den Stromschleifen ist wenigstens ein Neigungsmesser in
einer Ebene oder Ebenen parallel zu den Stromschleifenebenen angeordnet.
Der Primärstrom,
der in den Stromschleifen des Primärstromleiters fließt, ist an
den wenigstens einen Neigungsmesser über ein Magnetfeld angeschlossen
und bewirkt darin eine zum Primärstrom
proportionale Spannung.
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Die
gattungsbildende
US 4,250,552 zeigt, wie
ein Indikatordiagramm bei AC-elektrischen Leistungsmessungen angewendet
werden kann. Die elektrische Parallele eines Indikatordia gramms
erhält man
durch Auftragen des Zeitintegrals der Spannungskomponente gegenüber der
Stromkomponente. Die Fläche,
welche durch die sich ergebende Kurve eingeschlossen wird, verhält sich
proportional zur Leistung je Zyklus der Stromkomponente, welche
an die Last geliefert wird. Durch Bestimmen dieser Fläche einmal
je Zyklus und anschließendem
Aufsummieren nachfolgender Flächen über eine
vorgegebene Zeitspanne, kann die von der Last aufgenommene Energie
ermittelt werden. Der Schaltkreis weist einen Integrator, welcher
die Spannungskomponente integriert und Mittel um einen Reset dieses
Integrators immer dann durchzuführen,
wenn eine Einheit auf der Abszisse erreicht wird, auf. Wenn das
Zeitintegral der Spannungskomponente gleich einem Einheitswert entlang
des Integrals der Spannungskomponente ist, wird die Stromkomponente
abgetastet. Die Abtastwerte der Stromkomponente werden akkumuliert, wobei
Gesamtwerte erzeugt werden, welche die durch den Verbraucher aufgenommene
Energie repräsentieren.
Der Stromzweig weist einen auf Induktion basierenden Stromtransformator
auf, wobei die Sekundärwicklung
dieses Stromtransformators ein Strommesssignal aufweist, welches
proportional zur Ableitung des Stroms ist. Diese Ableitung des Stroms wird
jedoch integriert, um ein Stromsignal zu erhalten, welches proportional
zum Strom ist und welches dann dazu verwendet wird, die durch den
Verbraucher aufgenommene Energie zu berechnen.
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Die
US 4,282,576 basiert – ebenso
wie die
US 4,250,552 – auf demselben
Prinzip der Verwendung eines Indikatordiagramms. Der Hauptunterschied
besteht darin, dass es in dieser Patentschrift keinen Stromtransformator
gibt, welcher die Ableitung des Stroms erzeugt. Der Stromtransformator
im Stromzweig erzeugt ein Stromsignal welches proportional zur Stromkomponente
ist.
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Die
EP 0 607 714 A1 offenbart
einen mehrstufigen frequenzmodulierten Schaltkreis und einen Signalverarbeitungsschaltkreis,
welcher wenigstens zwei Stufen der Frequenzmodulation und -demodulation
von Signalen, welche auf diesen Schaltkreis angewendet oder in diesem
erzeugt werden, aufweist. Das Modulations- oder Demodulationssignal
für jede Stufe
stellt eine effektive Rechteckwelle dar, wobei das Verhältnis der
Frequenzen der modulierten Signale für die ersten und zweiten Stufen
im wesentlichen dem Verhältnis
einer geraden ganzen Zahl zu einer ungeraden ganzen Zahl oder umgekehrt
derart entspricht, dass es im wesentlichen keine gemeinsamen Frequenzen
oder harmonischen Komponenten zwischen den ersten und zweiten modulierten
Signalen gibt.
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Die
US 4,459,546 offenbart einen
elektronisches Messer zur Messung von Funktionen, wie Leistung und
Energie eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung. Das Messgerät weist
zur Berechnung des Integrals der Spannung und des Stroms über einer
ausgewählten
Periode der Spannungswellenform einen analogen Integrator auf. Mittel
mit einem digitalen Mikroprozessor und einem Vergleichsschaltkreis
sind zur Erzeugung eines Spannungsniveaus, welches gleich der Größe des Stromintegrals
oder des Spannungsintegrals ist, vorgesehen. Auf diese Weise bestimmt
der Mikroprozessor den Wert des Spannungs- oder Stromsignals. Da
das Integral einer sinusförmigen
Welleform mit der Amplitude und dem Leistungsfaktor zusammenhängt, kann
der Mikroprozessor die Energie aus der Werten der Spannung und des
Stromintegrals berechnen.
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Die
US 5,521,572 A zeigt
einen luftgekoppelten Stromtransformator, welcher mit einem primären Stromleiter
und zwei sekundären
Spulen versehen ist, welche derart miteinander verbunden sind, dass das
elektromagnetische Feld, welches in jeder Spule durch einen externen
störenden
magnetischen Fluss induziert wird, subtrahierend ist, wohingegen
das durch den Strom in dem primären
Stromleiter induzierte elektromagnetische Feld addierend wirkt.
Zwei ferromagnetische Kernstücke
verstärken
die Unterdrückung
des durch den störenden
Fluss induzierten elektromagnetischen Felds. Keramische Spacer sind in
Luftspalten zwischen den Kernstücken
eingebracht, um die Spalten zur temperaturunabhängigen Erhaltung des Skalenfaktors
des Transformators festzuhalten.
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Es
ist die Augabe der Erfindung, ein gegenüber diesem Stand der Technik
besonders einfaches Verfahren zur Messung der Leistung in einem
Wechselstromsystem anzugeben.
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Die
kennzeichnenden Hauptmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 1 dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht
auf der Erkenntnis, dass man bei der Messung der elektrischen Leistung
eines Verbrauchers die Information über den wirklichen Wert des
Verbraucherstroms nicht unbedingt benötigt. Wenn der Stromtransformator
aus seinem sekundären
Schaltkreis ein Strommesssignal, welches proportional zur Zeitableitung des
Verbraucherstroms ist, liefert, kann die Integration auf das Spannungsmesssignal
des Spannungstransformators und nicht auf das Strommesssignal des
sekundären
Schaltkreises des Stromtransformators angewendet werden. Die elektrische
Leistung wird durch Multiplikation des zur Zeitableitung des Stroms
proportionalen Strommesssignals mit dem integrierten Spannungsmesssignal
ermittelt.
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Ein
Signal kann bezüglich
der Zeit auf viele verschiedene Arten integriert werden. Die Verfahren können analog
sein – entweder
nur auf passiven RC- oder LR-Schaltkreisen
oder auf aktiven, d.h. mit Verstärker
versehenen Schaltkreisen basierend. In digitalen Kilowattstunden-Zählern kann
die Integration von numerischen Verfahren durch verschiedene Algorithmen
des Zeit- oder Frequenzniveaus durchgeführt werden. Die Integration
arbeitet zufriedenstellend, wenn sie die Übergangsfunktion HI(jω) = (jω)–1 des
idealen Integra tors in dem betreffenden Frequenzbereich in jedem
Fall gut genug approximiert. Beispielsweise liegt der wichtige Frequenzbereich bei
der Kilowattstundenzählung üblicherweise
bei etwa 10 Hz-1 kHz. Auch darf die Integration keine störenden Signale
in anderen Frequenzbereichen erzeugen. Die Integration ist eine
Operation, die die niederfrequenten Signale verbessert und bei Gleichstrom
ist die Verstärkung
sogar unendlich groß.
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Zweckmäßige Integratoren
sollten derart implementiert sein, dass ihr Ausgangssignal hauptsächlich das
Integral des nützlichen
Teiles des Eingangssignals aufweist. Demzufolge besteht die Aufgabe
des Integrators hier darin, den idealen Integrator mit ausreichender
Genauigkeit im gewünschten Frequenzbereich
zu approximieren und alle Komponenten außerhalb dieses Frequenzbereichs
zu dämpfen.
Auch sollte er keine neuen Signale im Ausgangssignal erzeugen, insbesondere
beispielsweise Gleichstromkomponenten oder jegliches niederfrequentes
Rauschen. Damit der Integrator nicht zu viele harmonische Komponenten
bewirkt, muss er ausreichend linear sein.
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Ungeachtet
des Verfahrens zur Durchführung
der Integration ist es vorteilhaft, wenn das Integrationssignal
eine passende Größenordnung
aufweist oder leicht dazu gebracht werden kann, wenn es keine Gleichstromanteile
enthält
und ein Signal von enger Bandbreite ist. Es ist in der Tat vorteilhafter,
die Integration auf das Spannungssignal des Verbrauchers und nicht
auf die Ableitung des Stroms des Verbrauchers anzuwenden, weil:
- – es
ist üblicherweise
nicht notwendig, das Spannungssignal (z.B. 230 V) des Verbrauchers
zu verstärken,
wodurch jegliche schädliche
durch die Offset-Spannung des Verstärkers verursachte Gleichstromanteile
vermieden werden;
- – das
Spannungssignal des Verbrauchers enthält üblicherweise keine schädlichen
Gleichstromanteile oder wenn doch, nur sehr geringe;
- – das
Spannungssignal des Verbrauchers weist ein erheblich engeres Frequenzband
als das Stromsignal des Verbrauchers auf, wodurch die Integrationsaufgabe
einfach wird.
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Demzufolge
wird im erfindungsgemäßen Verfahren
der tatsächliche
Verbraucherstrom nicht ermittelt, aber es ist dennoch möglich, die
elektrische Leistung und Energie, die vom Verbraucher konsumiert
wird, zu berechnen.
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Nachfolgend
wird die erfindungsgemäße Lösung anhand
der in den Figuren der anhängenden Zeichnung
dargestellten Schaltkreise beschrieben, wobei eine Einschränkung der
Erfindung auf diese Schaltkreise nicht bezweckt ist.
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Es
zeigt:.
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1 eine
schematische Ansicht eines Messschaltkreises eines bekannten einphasigen
Kilowattstunden-Zählers;
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2 einen
bekannten aktiven, d.h. mit einem Verstärker versehenen Integrator,
der zur Implementierung der Erfindung verwendet werden kann; und
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3 einen
bekannten passiven Integrator, der zur Implementierung der Erfindung
verwendet werden kann.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Messkreises eines bekannten einphasigen
Kilowattstunden-Zählers.
Der Messkreis des Spannungszweiges weist einen Schutzschaltkreis 11 auf,
dessen Zweck darin besteht, den Kilowattstunden-Zähler vor Überspannungsspitzen
aus dem elektrischen Netz zu schützen.
Auf den Schutzschaltkreis folgt ein Spannungsschaltkreis 12,
der an die Spannung des Verbrauchers, in dem gemessen werden soll,
zwischen einem Phasenleiter und einem neutralen Leiter angeschlossen
ist. Im Spannungsschaltkreis entsteht ein für ein Multiplizierglied 15 geeignetes
Signalniveau der Netzspannung. Der Messschaltkreis des Stromzweiges
weist einen Stromtransformator 13, gefolgt von einem Vorverstärker 14,
auf, durch welchen das vom Sekundärschaltkreis des Stromtransformators 13 erhaltene
Spannungssignal auf ein für
das Multiplizierglied 15 geeignetes Niveau verstärkt wird.
Im Multiplizierglied 15 werden Signale, die proportional
zur Spannung des zu messenden Verbrauchers und proportional zum
Strom sind, miteinander multipliziert, wodurch man die vom Verbraucher
konsumierte elektrische Energie erhält. Ein mechanischer Rollenzähler oder
ein digitaler LCD-Bildschirm können
als Zähler 16 im
Messschaltkreis verwendet werden. Zusätzlich weist der Messschaltkreis standardisierte
Impulsausgänge 17 auf,
deren Impulszahl proportional zur elektrischen Energieaufnahme,
Impulse/Kilowattstunden, ist.
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In
Lösungen
gemäß dem Stand
der Technik wird das Signal, mit dem das Multiplizierglied 15 des Stromzweiges
versorgt wird, integriert, bevor der Wert des Strommesssignals mit
dem Wert des Spannungsmesssignals zur Ermittlung der Leistung multipliziert
wird. Demzufolge steht die Integration der Spannung der sekundären Seite
des induktiven Stromtransformators 13 zur Debatte, wozu
der Integrator im Stromzweig verbunden mit dem Eingangsgatter des
Multipliziergliedes 15 angeordnet ist.
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In
der erfindungsgemäßen Lösung wird
das Signal, mit dem das Multiplizierglied des Spannungszweiges versorgt
wird, integriert, bevor der Spannungsmesssignalwert mit dem Strommesssignalwert zur
Ermittlung der Leistung multipliziert wird. Andererseits wird das
Signal, mit dem das Multiplizierglied 15 des Stromzweigs
versorgt wird, nicht integriert. Der Integrator ist verbunden mit
dem Eingangsgatter des Multiplizierglieds 15 im Spannungsarm
angeordnet.
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Nachfolgend
sind zwei bekannte und für
die erfindungsgemäße Lösung geeignete
Integratoren anhand der 2 und 3 beschrieben.
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2 zeigt
einen aktiven, d.h. mit einem Verstärker versehenen Integrator
20.
Der Schaltkreis weist einen Operationsverstärker
21, einen ersten Widerstand
R
1, verbunden mit dem Eingangsgatter des
Operationsverstärkers
21,
einen zweiten Widerstand R
2 parallel zwischen
das Eingangs- und das Ausgangsgatter des Operationsverstärkers
21 geschaltet
und einen Kondensator C auf. Die Übergangsfunktion eines derartigen
Schaltkreises ist:
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Der
Schaltkreis muss so dimensioniert werden, dass der Ausdruck ω
min·C·R
2 ausreichend groß, vorzugsweise ≥ 100 ist.
Bei hohen Frequenzen (ω ≥ ω
min) nähert
sich die Übergangsfunktion
H(jω) der Schaltung
der Funktion:
was wie folgt geschrieben
werden kann:
was wiederum den Standardwert
mal die Übergangsfunktion
des idealen Integrators darstellt. Bei niedrigen Frequenzen nähert sich
die Übergangsfunktion dem
Wert –R
2/R
1, welcher die
Gleichstromverstärkung
der Schaltung ist. Die eigene Offsetspannung des Verstärkers wird
ebenfalls durch den Koeffizienten –R2/R1 in das integrierte Signal
summiert.
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Wenn
die Lage so ist, dass eine Phasenspannung Uin =
230 V eines an ein Niedrigspannungsnetz angeschlossenen Verbrauchers
direkt in den Integrator geleitet wird, kann der Integrator derart dimensioniert
werden, dass R2 = R1 =
1 MΩ und
C = 300 nF gilt. Hierdurch ist der Phasenfehler des Integrators
bei einer Frequenz von 50 Hz schon angemessen gering, das Ausgangssignal
des Integrators ist zur Weiterverarbeitung geeignet groß, und die Gleichstromverstärkung ist
ungefähr
1.
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Für den Fall,
dass ein geringes Signal einiger Volt in den Integrator geleitet
wird, muss das Verhältnis
R2/R1 hoch, vorzugsweise ≥ 100 sein.
Dadurch erhöht sich
die Gleichstromverstärkung
mindestens auf einen Wert von 100, was schädlich sein kann.
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Der
in 2 dargestellte aktive Integrator ist mehr für die Integration
eines hohen Signals, z.B. 230 V Phasenspannung, als für die Integration
eines niedrigen zur Ableitung des Stroms proportionalen Signals
geeignet.
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3 zeigt
einen einfachen passiven RC-Integrator
30. Die Übergangsfunktion
des Schaltkreises ist:
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Der
Schaltkreis muss so dimensioniert werden, dass der Ausdruck ωmin·R·C ausreichend
groß, vorzugsweise ≥ 100 ist.
Wenn R2 = R1 für den in 2 gezeigten
Schaltkreis gewählt
wird, funktioniert dieser Schaltkreis gleich wie der in 2 dargestellte.
Jedoch wird kein Verstärker
in diesem passiven Schaltkreis benötigt, wodurch jegliche schädliche Offsetspannung
eines Verstärkers
ebenfalls vermieden wird.
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Der
Schaltkreis sollte so dimensioniert werden, dass R1 =
1 MΩ und
C = 300 nF gilt. Dadurch dämpft
der Schaltkreis die Phasenspannung des Verbrauchers auf ein Spannungsniveau
von 230 V, welches ein geeigneter Wert zur Weiterverarbeitung des Signals
ist.
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Vorstehend
wurden nur einige Beispiele der Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung vorgestellt,
und es ist offensichtlich für
den Fachmann, dass innerhalb des Schutzbereiches der in den anhängenden
Ansprüchen
präsentierten
erfinderischen Idee zahlreiche Modifikationen möglich sind.
was wiederum den Standardwert mal die Übergangsfunktion des idealen Integrators darstellt. Bei niedrigen Frequenzen nähert sich die Übergangsfunktion dem Wert –R2/R1, welcher die Gleichstromverstärkung der Schaltung ist. Die eigene Offsetspannung des Verstärkers wird ebenfalls durch den Koeffizienten –R2/R1 in das integrierte Signal summiert.
