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Differenzierender Stromverstärker Die Erfindung geht aus von einer
Verstärkeranordnung, mit der die Änderungsgeschwindigkeit einer Eingangsgröße mit
elektronischen Mitteln bestimmt werden soll. Anordnungen dieser Art sind bekannt.
Gewöhnlich bestehen sie aus einem Strommeßverstärker, vor dessen einer Eingangsklemme
ein Kondensator liegt.
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Strommeßverstärker sind im allgemeinen sehr stark gegengekoppelt.
Dabei wird das übersetzungsverhältnis dieser Verstärker durch die Gegenkopplungselemente
bestimmt. Durch eine starke Gegenkopplung kann der übersetzungsfehler auf einen
sehr kleinen Teil der üÜbersetzung herabgemindert werden. Die Inkonstanz der Betriebsspannungen
und der Verstärkungselemente wirkt sich nur noch auf diesen übersetzungsfehler aus,
der durch eine entsprechend starke Gegenkopplung fast beliebig klein gehalten werden
kann.
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Im formelmäßigen Ausdruck für die Ausgangsspannung einer differenzierenden
Verstärkeranordnung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und der Verstärkung
tritt, wie weiter unten noch genauer angegeben wird, ein Glied auf, das als Differentiationsfehler
gezeichnet werden kann. In diesem Glied ist als maßgeblicher Faktor der Wert der
Gegenkopplungselemente, im allgemeinen eines Widerstandes enthalten. Der Differentiationsfehler
hat die unangenehme Eigenschaft, mit zunehmender Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße
anzuwachsen.
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Es sind sowohl gegengekoppelte Differentiationsverstärker als auch
stromabhängige Gegenkopplungsglieder bei Meßverstärkern an sich bekannt.
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Die Aufgabenstellung, den bei einem stromgegengekoppelten Differentiationsverstärker
noch vorhandenen systematischen Differentiationsfehler frequenzunabhängig zu machen,
ist jedoch neu.
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Die Erfindung richtet sich auf einen Differentiationsverstärker mit
Stromgegenkopplung und ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Unabhängigkeit
des Differentiationsfehlers von der Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße in
der Gegenkopplungsschleife, wie bei Gegenkopplungsschaltungen an sich bekannt, ein
stromabhängiger Widerstand liegt.
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Mit Hilfe der Kombination eines an sich bekannten gegengekoppelten
Differentiationsverstärkers und eines ebenfalls an sich bekannten stromabhängigen
Gegenkopplungsgliedes wird eine neue Wirkung erzielt. Es wird der Differentiationsfehler
des Verstärkers unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des zu differenzierenden
Vorganges. Dieser mit einem stromabhängigen Gegenkopplungsglied bei einem Differentiationsverstärker
mit Stromgegenkopplung erreichte Erfolg bezieht sich auf die Eigenschaften des Verstärkers
und stellt an sich noch keine Änderung der Charakteristik von dem Verstärker vor-oder
nachgeschalteten Einrichtungen dar; wie sie ebenfalls schon zum Stande der Technik
gehört.
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Als stromabhängiger Gegenkopplungswiderstand kann beispielsweise die
Parallelkombination eines ohmschen Widerstandes mit einem Varistor verwendet werden.
Es ist aber auch möglich, zwei antiparallel geschaltete Dioden anzuwenden, beispielsweise
Halbleiterdioden.
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Die gewonnene Unabhängigkeit des Differentiationsfehlers von der Änderungsgeschwindigkeit
der Eingangsgröße ist aber nicht der einzige Erfolg der Anordnung nach der Erfindung.
Bei einer Differentiation besteht nämlich grundsätzlich zwischen der Ausgangsgröße
und der Eingangsgröße ein mit der Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße wachsendes
Verhältnis. Differentiationsschaltungen sind deshalb gegen Störungen mit hoher Frequenz
sehr empfindlich. Auch für diesen Fall schafft die Verwendung eines stromabhängigen
Gegenkopplungsgliedes weitgehend Abhilfe.
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Schließlich kann auch noch die Skala eines an den Differentiationsverstärker
angeschlossenen Meßgerätes mit Hilfe des stromabhängigen Gegenkopplungswiderstandes
linearisiert oder in gewünschter Weise entzerrt werden.
Die Erfindung
wird an Hand zweier Schaltskizzen, deren eine ein Ausführungsbeispiel darstellt,
näher erläutert.
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In Fig. 1 ist ein bekannter Differentiationsverstärker dargestellt.
UI sei seine Eingangsspannung und Uz seine Ausgangsspannung. Im Leitungszug der
einen Eingangsklemme ist ein Kondensator C angeschlossen. Eine Ausgangsklemme ist
mit einer Eingangsklemme über einen Widerstand R verbunden. Diese Verbindung stellt
die Gegenkopplungsschleife dar, und R ist der sogenannte Gegenkopplungswiderstand.
Die Verstärkung ohne Gegenkopplung wird durch V gekennzeichnet.
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Aus dieser Figur kann folgende Formel abgeleitet werden:
wobei
das Differentiationssymbol darstellt. Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß
die Ausgangsgröße U2 der Änderungsgeschwindigkeit der Eingangsgröße (P - Ui)
proportional ist. Die übersetzung des Verstärkers wird durch den Gegenkopplungswiderstand
R bestimmt. Das Glied -
stellt den Differentiationsfehler (Integralanteil) dar. Wird nun an Stelle des Gegenkopplungswiderstandes
R ein stromabhängiger Widerstand D verwendet, so bleibt das Differentiationsprinzip
der Verstärkeranordnung erhalten. Infolge der von der Eingangsgröße abhängigen übersetzung
läßt sich jedoch je nach Charakteristik des Gegenkopplungswiderstandes D die gewünschte
Konstanz des Differentiationsfehlers
gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit P erzielen. Dazu sollte der Gegenkopplungswiderstand
D einen mit zunehmendem Strom abnehmenden Widerstandswert haben. Wird, wie aus der
Fig.2 zu ersehen ist, als Gegenkopplungsglied die Parallelschaltung eines Varistors
und eines ohmschen Widerstandes angewendet, so wird auch das mit der Anderungsgeschwindigkeit
P wachsende Verhältnis zwischen Ausgangsgröße und Eingangsgröße für hohe Frequenzen
begrenzt. Dazu kann die Parallelschaltung aus Varistor und ohmschem Widerstand so
bemessen werden, daß im nutzbaren Differentiationsbereich eine konstante Übersetzung
durch den Parallelwiderstand R bewirkt wird und im nicht interessierenden Bereich
hoher Frequenzen der Varistor D wirksam wird und die Ausgangsgröße begrenzt.
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Wie eingangs schon erwähnt, lassen sich aber auch gewünschte Charakteristiken
zwischen der Anderungsgeschwindigkeit einer Eingangsgröße und der Ausgangsgröße
einstellen. Besteht der stromabhängige Gegenkopplungswiderstand D z. B. aus Halbleiterdioden,
so gilt
(nach E. S p e n k e : »Elektronische Halbleiter«, Verlag Springer, Berlin, 1955,
S.100). Der Widerstand R einer solchen Anordnung ist
wobei iD = Durchlaßstrom, is,, = Sperrstrom (Sättigungsstrom), e = elektrische
Elementarladung, k = Boltzmannsche Konstante, T = absolute Temperatur. ist. Führt
man diesen Widerstand R in der Formel (1) für die Übersetzung ein und berücksichtigt,
daß CUIP - !D ist, so ist die zu erwartende übersetzung zwischen Eingangs-
und Ausgangsgröße in ihrem nichtlinearen Zusammenhang klar erkennbar. Für die Änderungsgeschwindigkeit
einer Eingangsgröße kann also eine aussteuerungsabhängige übersetzung angegeben
werden. Damit ist ein gewünschter Skalenverlauf für ein Instrument herzustellen.
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Als Anwendungsbeispiel für die im letzten Abschnitt angeführte Eigenschaft
der Anordnung nach der Erfindung wird die Messung der Periode eines Kernreaktors
angegeben. Die Periode wird aus der Differentiation des logarithmierten Neutronenflusses
im Reaktor abgeleitet. Man erhält die Beziehung
wobei (h der Neutronenfluß und z die Reaktorperiode darstellt. Die Beziehung (4)
liefert also unmittelbar den Kehrwert der Reaktorperiode r. Damit ergibt sich für
große Periodenwerte eine zusammengedrängte, für kleine Periodenwerte eine gedehnte
Skale. Durch Anwendung der aussteuerungsabhängigen übersetzung bei einem Differentiationsverstärker
kann also eine Periodenskale linearisiert bzw. entzerrt werden.
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In Fig. 2 ist das Blockschaltbild eines Differentiationsverstärkers
nach der Erfindung dargestellt. D ist dabei ein stromabhängiger Widerstand, beispielsweise
ein Varistor oder eine Halbleiterdiode.