DE1128553B

DE1128553B - Schaltungsanordnung zur Erzielung einer mindestens annaehernd exakten Differentiation einer Spannung

Info

Publication number: DE1128553B
Application number: DEF30686A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Herbert Baehring
Original assignee: Fernseh GmbH
Current assignee: Robert Bosch Fernsehanlagen GmbH
Priority date: 1960-03-05
Filing date: 1960-03-05
Publication date: 1962-04-26
Also published as: US3206549A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

F30686IXd/21e

ANMELDETAG: 5. MARZ 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 26. A P R I L 1962

Für Regelschaltungen verwendet man zur Unterdrückung von Regelschwingungen Differenzierschaltungen. Die durch sie erhaltene Steuerspannung wirkt auf die Stellgrößen zusätzlich zur Proportionalsteuerung ein, z. B. zu dem Zweck, den Einfluß von unvermeidlichen Integrationseffekten zu unterdrücken. Es sind bereits elektrische Differenzierglieder bekannt, die diese Funktion näherungsweise erfüllen. Sie bestehen aus einer Kombination von Kondensator und Widerstand oder Widerstand und Spule entsprechend den Fig. la und Ib. Bei geeigneter Dimensionierung ist U₂ näherungsweise dem Differentialquotienten von «1 proportional. Genau ist die Spannung M₂:

duj _ ^u₂ dt

U₂ =

dt

wobei T_z die Zeitkonstante des Differenziergliedes, also in Schaltung gemäß Fig. la T_z = C · R und in Schaltung gemäß Fig. Ib T_z=^r, ist. Dies ergibt sich aus folgenden bekannten Zusammenhängen:

RJ- RJ=

dt

c ^J~^t

RdJ

dt ·

Durch Einsetzen von J und -j- erhält man die obige Formel.

u₂ kann also nur dann näherungsweise als Differentiation der Spannung «ι angesehen werden, wenn ■Φ- < Φ- ist. Dies gilt auch, wenn in Fig. Ib R der dt dt

Innenwiderstand einer Verstärkerröhre, L eine Induktivität oder ein Transformator im Anodenstromkreis

der Röhre und u\ = -Sr ist, wobei u_g die zu differenzierende Gittersteuerspannung und D der Durchgriff der Röhre ist. Eine nicht fehlerfreie Differentiation bringt stets die Gefahr mit sich, daß bei bestimmten Frequenzen eine Schwingung oder wenigstens Entdämpfung auftritt. Es sind bereits Mehrröhrenschaltungen bekannt, die den Differentiationsfehler beseitigen. In der Zeitschrift »Electronic Engineering«, Dezember 1953, S. 519 bis 521, werden Rechnungen und schematische Darstellungen zur Lösung des Problems der exakten Differentiation angegeben, wonach in einem Gleichstromverstärker mit 180° Phasenwendung eine Vergrößerung des Frequenzbereiches der Differenzierschaltung erzielt werden soll. Man erhält dort eine Ausgangsspannung, welche Schaltungsanordnung zur Erzielung

einer mindestens annähernd exakten

Differentiation einer Spannung

Anmelder:

Fernseh G. m. b. H.,

Darmstadt, Am Alten Bahnhof 6

Dipl.-Ing. Herbert Bähring, Darmstadt, ist als Erfinder genannt worden

eine proportionale und eine differenzierte Spannung als Ausgangsspannung liefert. Wenn auch für manche Aufgaben eine Kombination beider Spannungskomponenten erwünscht ist, so gibt es doch viele Aufgaben, bei denen nur die differenzierte Spannung gefordert wird. Die Arbeit enthält jedoch keine Angaben über die Lösung des Problems mit nur einer Röhre und nur einer Spannungsquelle, welche zugleich einen hohen Verstärkungsgrad und einen großen Frequenzumfang sicherstellt. Ferner ist in der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, 1957, Nr. 1, S. 7, eine Schaltung zur fehlerfreien Differentiation beschrieben, bei der zwei Röhren und zwei getrennte Anodenbatterien zum Betrieb der Röhren benötigt werden. Schließlich ist in der Zeitschrift »Elektronische Rundschau«, Nr. 9, 1959, eine Differentiationsschaltung mit schrittweiser Differentiation angegeben, bei der sich im Eingangskreis der einen Röhrenschaltung ein i?C-Spannungsteiler und im Ausgangskreis ein aus Widerstand und Induktivität bestehender Arbeitswiderstand befindet. Der Verstärkungsfaktor dieser Schaltung ist jedoch relativ gering, da er durch das Produkt aus Steilheit und Induktivität bestimmt ist und z. B. bei einer normalen Steilheit von S = 10 niA pro Volt erst bei einer Induktivität L — 100 H den Wert 1 erreichen würde. Der Fehler der Näherungsdifferentiation wird bei Verwendung der bekannten näherungsweise diffe-

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Claims

renzierenden Spannungsteiler, bestehend aus einem Li = z\ + i₂
Kondensator und einem Widerstand oder einem ^ , . „ .„ _

Widerstand und einer Induktivität sowie einer Ver- ^l ^ ^{a k} '

stärkerstufe mit Gegenkopplung, erfindungsgemäß 3. I_nRk = h^i ~ ^U2
ddh bii dß di diffid

gpp gg hi

dadurch beseitigt, daß die zu differenzierende ⁵ 4 ;/; =1ί;Λ

Spannung zwischen dem freien Ende des Spannungs- -22 c J ¹

teilers und die Kathode einer Verstärkerröhre anliegt, folgt:

daß der Abgriff des Spannungsteilers mit dem Gitter J^₁ J₀,

der Verstärkerröhre verbunden ist und der Fuß- "2 = «1 '-β- + ~i^R\C.
punkt des Spannungsteilers wechselspannungsmäßig 10

zwischen einem Arbeitswiderstand im Anodenstrom.- Aus den bisherigen Gleichungen, insbesondere kreis und der Anode liegt daß die mindestens _d Gleichung U₂ = T_z -*L, geht hervor, daß annähernd exakt differenzierte Spannung zwischen dt
der Kathode der Röhre und dem Punkt zwischen dem M₂ um so größer wird, je größer T_z gewählt wird. Arbeitswiderstand und der Anode der Röhre oder 15 Sofern der Innenwiderstand von U₁ klein genug ist, zwischen dem Gitter der Röhre und dem Fußpunkt hat die Vergrößerung von T_z keine nachteilige des Spannungsteilers abnehmbar ist und daß das Wirkung. Bei großem Innenwiderstand der Span-Produkt aus Steilheit der Röhre und Arbeitswider- nungsquelle U₁ bedingt jedoch die Rückwirkung der stand wesentlich größer als 1, vorzugsweise größer am Kathodenwiderstand auftretenden Spannung als 10 ist. 20 auf die Eingangsspannung M₁ eine Verformung der-Die Erfindung wird an Hand der Fig. 2a, 2b, 3, 4, selben, so daß man aus diesem Grund T_z und die 5a und 5b veranschaulicht. In allen Beispielen ergibt damit verbundene Verstärkung der Anordnung nicht die Funktion der Verstärkerröhre Rö und des Wider- beliebig hoch treiben kann. Dennoch kann im Standes Rk die Wirkung einer Kathodenstufe. Die „ . , „ , . „ U₂ ..... an R_k auftretende Spannung ist, wenn das Produkt 25 ^meinen der Faktor T_z = ^ um em Viel-

aus Steilheit S der Röhre und Rk S ■ Ric > 1 ist, faches größer gewählt werden als bei der näherungspraktisch gleich der Steuerspannung M₂, und es wird weisen Differentiation über C und R allein.

dann M₂ = T_z ■ **L. Wie oben ist T_z die Zeitkonstante , .^In _t ^den Ausführungsbeispielen der Fig. 2a und 2b

^z dt konnte als Nachteil empfunden werden, daß die

der näherungsweise differenzierenden Schaltglieder. 30 Eingangsspannung M₁ vom Erdpotential frei sein

In Fig. 2a wird die Zeitkonstante durch das muß. Demgegenüber ist in den Fig. 5a und 5b sowohl Produkt der Impedanzen R und C gebildet. Die zu die Eingangsspannung M₁ als auch die Ausgangsdifferenzierende Spannung wird an das freie Ende spannung u₂ auf das Gleichstromnullpotential bedes Kondensators C und an die Kathode der Röhrei?ö zogen. Beide Schaltungen unterscheiden sich von gelegt und die exakt differenzierte Spannung an Rk 35 Fig. 2a und 2b nur dadurch, daß die Gleichstromabgegriffen, quelle der Verstärkerröhre zwischen den Wider-

Fig. 2b zeigt die entsprechende Schaltung bei Ver- stand Rk und die Kathode der Röhre geschaltet ist, wendung eines aus einer Induktivität L und einem ferner, daß R bzw. L nicht unmittelbar^ sondern über Widerstand R bestehenden Spannungsteilers. In der einen Kondensator C₁ an Rk angeschlossen werden Schaltung nach Fig. 2b kann das Ohmsche Schalt- 4° und daß die erforderliche Gittervorspannung über glied R der Li?-Kombination sinngemäß der Innen- einen Gitterwiderstand R_g zugeführt wird. Die Gitterwiderstand einer Verstärkerröhre R_v sein. Dann ist vorspannung kann in an sich bekannter Weise durch

M₁ = «i, U₉ die zu differenzierende Spannung und L Unterteilung der Anodenspannungsquelle gewonnen

D werden, wobei der Teilungspunkt mit der Kathode

die Induktivität oder ein Transformator im Anoden- 45 der Röhre bzw. Erde verbunden wird. C₁ muß dabei

Stromkreis dieser Röhre R_v mit dem Durchgriff D. groß gegenüber C sein, kann aber auch durch eine

In Fig. 3 ist dies dargestellt. In dieser Schaltung Glimmlampe ersetzt werden. Die Spannung

wird wie bei Fig. 2b die näherungsdifferenzierte „, Jw₁ , , , . , ,

Spannung von dem mit der Induktivität in Serie "* = -T_x ·-£kann nunmehr an der Anode der

liegenden Widerstand, im vorliegenden Falle dem 50 Röhre gegen 0 abgenommen werden; die Gleichinnenwiderstand der Vorröhre R_v, abgegriffen und Spannungskomponente läßt sich durch einen Kondenan die Gitterkathodenstrecke der Kathodenstufe Rö, sator, eine Glimmlampe oder eine Zenerdiode Rk angelegt. Beide Röhrensysteme können vorteil- eliminieren. In den Fig. 5a und 5b ist für die Abhaft in einem Kolben untergebracht sein. Z ist eine trennung der Gleichspannungskomponente ein Kon-Glimmlampe zur Gleichspannungsanpassung. 55 densator in der Ausgangsleitung gestrichelt ein-

In Fig. 4 setzt sich die an der Röhre Rö liegende gezeichnet.

Spannung aus der zu der Eingangsspannung M₁ Diese Schaltungen lassen sich z. B. sehr vorteilhaft durch Spannungsteilung an U₁, R₂ erhaltenen in Regelschaltungen verwenden, bei denen die Regelproportionalen und aus der an .R₁, C näherungs- spannung durch einen Integrationsvorgang gewonnen differenzierten Spannung zusammen. 60 wird.

Die exakte Differentiation tritt auch noch dann

auf, wenn näherungsweise der differenzierten Span- PATENTANSPRÜCHE:
nung, z. B. durch Spannungsteilung, eine andere

überlagert werden soll, wie dies in Fig. 4 dargestellt 1. Schaltungsanordnung zur Erreichung einer

ist. Hier soll der differenzierten Spannung ^L U₁C ^6s *™tetom annähernd exakten Differentiation

* dt einer Spannung unter Verwendung eines

eine der Spannung M₁ proportionale überlagert näherungsweise differenzierenden Spannungswerden. Dies ist der Fall, denn aus teilers, bestehend aus c Inem Kondensator und

einem Widerstand oder einem Widerstand und einer Spule, sowie einer Verstärkerstufe mit Gegenkopplung, dadurch gekennzeichnet, daß die zu differenzierende Spannung zwischen dem freien Ende des Spannungsteilers und der Kathode einer Verstärkerröhre anliegt, daß der Abgriff des Spannungsteilers mit dem Gitter der Verstärkerröhre verbunden ist und der Fußpunkt des Spannungsteilers wechselspannungsmäßig zwischen einem Arbeitswiderstand (Rk) im Anodenstromkreis und der Anode liegt, daß die mindestens annähernd exakt differenzierte Spannung zwischen der Kathode der Röhre und dem Punkt zwischen dem Arbeitswiderstand (Rk) und der Anode der Röhre oder zwischen dem Gitter der Röhre und dem Fußpunkt des Spannungsteilers abnehmbar ist und daß das Produkt aus Steilheit (S) der Röhre und Arbeitswiderstand (Rk) wesentlich größer als 1, vorzugsweise größer als 10 ist. ao
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der näherungsweise differenzierten Spannung eine andere Spannung, z. B. durch Spannungsteilung, überlagert ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Röhre an Erde liegt und daß der Fußpunkt des Spannungsteilergliedes mit der Anode über einen Blockkondensator oder eine Glimmröhre und mit der Kathode über einen Gitterwiderstand (R_g) und eine Gittervorspannungsquelle verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenspannungsquelle in an sich bekannter Weise in einen Gitterspannungsteil und einen Anodenspannungsteil unterteilt ist und der Teilungspunkt mit der Kathode der Röhre verbunden ist.
5. Abänderung der Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ohmsche Komponente des Differenziergliedes durch den Innenwiderstand einer Verstärkerröhre R_v (Fig. 3) gebildet ist und daß die zu differenzierende Spannung dem Gitter dieser Röhre zuführbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Elektronische Rundschau, Nr. 1, 1957, S. 7, und

Nr. 9, 1959, S. 336 bis 338;
Electronic Engineering, Dezember 1953, S. 519

bis 521.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 577/198 4.