DE1613688A1

DE1613688A1 - Schaltungsanordnung zur Umformung einer Gleichstromgroesse in eine Wechselstromgroesse

Info

Publication number: DE1613688A1
Application number: DE1967G0051276
Authority: DE
Inventors: Castiglione Paul Victor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-01-10
Filing date: 1967-10-07
Publication date: 1970-10-08
Also published as: DE1613688B2; GB1196936A; DE1613688C3; US3436643A

Description

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General Electric Company, Sehenectady, U.Y. USA

Schaltungsanordnung zur Umformung einer Gleiehstromgröße in eine Wechselstromgröße

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung zur Umformung einer Gleiehstromgröße in eine Wechselstromgröße.

Bei großen Regelanlagen treten sowohl Wechsel— als auch . Gleichspannungssignale auf, da einige Bauelemente oder Bauglieder eine Wechselspannung und andere eine Gleichspannung, liefern oder benötigen. So erzeugen beispielsweise die meisten Meßschaltungen oder Meßgeräte Gleichspannungssignale, während andere Bauglieder, beispielsweise Motoren und Drehmelder, Wechselspannungssignale benötigen. Die Umformung von Gleichspannung in Wechselspannung bzw. von Gleichstrom in Wechselstrom ist daher-eine oft benutzte und benötigte analoge Funktion.

Die zuverlässigsten und betriebssichersten herkömmlichen Umformungsschaltungen und Gleichspannungsgrößen in Wechselspannungsgrößen benutzten magnetische Bauelemente. Diese Schaltungen arbeiten zufriedenstellend, wenn sie zusammen mit Hilfsschaltungen betrieben werden, die je nach dem besonderen Anwendurigszweck für die erforderliche Verstärkung, Impedanzanpassung usw. sorgen* Selbst die kostspieligsten magnetischen Umformungsschaltungen können jedoch nicht die Forderungen nach einer hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit erfüllen.

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Eines der Hauptprobleme bei magnetischen Baugliedern besteht darin, daß sie nach, einem vollkommen anderen Verfahren hergestellt werden als Halbleiterelemente_o Es ist daher nicht zweckmäßig, Schaltungseinheiten herzustellen, die sowohl Halbleiterelemente als auch magnetische Bauelemente enthalten» Die im Vergleich zu Halbleiterelementen großen magnetischen Bauelemente stehen aber auch einer kleinen gedrängten Bauweise der fertigen Schaltungseinheiten entgegen.

Ferner ist bei den meisten Anwendungszwecken von Schaltungsanordnungen zur Umformung von G-leiehspannungs— in Wechselspannungssignale eine Impedanzanpassung erforderlich, insbesondere wenn es sich bei den angeschlossenen Nutζschaltungen um Halbleiterschaltungen handelt. Da die Maßstabsfaktoren oft sehr groß sind und bzw. oder oft mehrere Nutζschaltungen an der Umfοrmungsschaltung parallel angeschlossen sind, dienen im allgemeinen weitere Verstärkerschaltungen zur Anhebung des Signalpegels, um die angeschlossenen NutzschaItungen hinreichend auszusteuern.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, unter Verwendung von Halbleiterelementen eine Schaltungsanordnung zur Umformung veränderlicher Gleichspannungssignale in amplitudenproportionale Wechselspannungssignale zu schaffen, bei der die im Zusammenhang mit den herkömmlichen magnetischen Schaltungsanordnungen beschriebenen Nachteile beseitigt sind.

Die Umformschaltung soll vor allem in analogen Regelanlagen, beispielsweise in Flugregelanlagen benutzt werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Schalter die

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ankommenden Gleichspannungssignale "tastet, daj3 ein Eulsgenerator, dessen Pulsfrequenz einige Male größer ist als die gewünschte Frequenz des Wecnselspannungssignals und dessen Impulse ihre Impulslänge sinusförmig mit der gewünschten Frequenz des Wechselspannungssignals periodisch ändern, den Tastschalter für die ankommenden Gleiehspanmmgs signale betätigt _f- daß eine Ausgangsschaltung ein auf, einen Signalpegel bezogenes s,ymmetrisehes Wechselspannungssignal liefert und dä'ß ein an den IPastschält er angeschlossenes und mit der Ausgangsschaltung Zusammenarbeitendes Filter die vom lastschalter getasteten Eingangssignale glättet und in ein sinusförmiges Signal umformt*

Ein Ausfuhrungsbeisplel der Erfindung soll an Hand von Figuren be sehr leben werd^fen.

Ähnliche Bauteile sind in äen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen«

Fig, 1 ist ein schematisches Sehaltbild einer Ausführungs— form nach der Erfindung.

Fig. 2 und 3 zeigen Zeitverläufe, diezum Verständnis der in Fig. 1 dargestellten Schaltung dienen. ~

Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, . \

Bei dem in Fig« 1 gezeigten Ausführungsbeispiel liefert ein Wechselspannungsgenerator 11 ein sinusförmiges Signal mit einer Frequenz, die gleich der gewünschten Frequenz des von der TJmformüngsschaltung gelieferten Wechselspannungssignals ist. Der Generator 11 kann ein normales Hetz-

gerät mit einer Bezugsfrequenz von 400 Hz sein. Das 400-Hz-Signal wird in einem Pulslängenmodulator 12 in einen Puls mit modulierter Pulslänge umgeformt. Ein 80-kHz-0szillator 13 bestimmt die Tastfrequenz des Pulslängenmodulators 12. Bas Ausgangssignal des Modulators ist eine rechteckförmige Impulsfolge mit einem Gleichspannungspotential von 0 Volt und einem zum Schalten dienenden Gleichspannungspotential. Das mittlere Tastverhältnis während einer 400-Hz-Periode beträgt 50 #. Das Ausgangssignal des PuIslängenmodulators 12 ist in Pig. 2 gezeigt.

Das umzuformende Gleichspannungssignal wird einem Eingangswiderstand R1 zugeführt. Der eine Teil des ankommenden Gleichspannungssignals ist an ein Filter 15 und der andere Teil nach Umkehrung seiner Polarität in einem Umkehrverstärker 17 an ein Filter 16 gelegt. Pur diese 'Vorzeichenumkehr kann ein herkömmlicher Gleichspannungsverstärker mit einem hohen Verstärkungsgrad oder ein Rechenverstärker "benutzt werden, dessen Eingangswiderstand R2 gleich dem Rückführwiderstand R3 ist. Die den Filtern 15 und T£> zugeführten Signale werden von Parallelschaltern 18 und 19 getastet oder moduliert. Da die Kennlinie von analogen Schaltern nicht ideal ist, werden in herkömmlicher Weise Widerstände R4 und R5 bzw, R7 und R8 zur Annäherung an die offene und geschlossene Schaltbedingung "des Stromkreises benutzt. Zur Umformung der rechteckförmigen Impulsfolge in eine Sinusform dienen einfache T-Filter, die aus Widerständen R6 und R10 bzw* R9 und R11 sowie Kondensatoren 02 bzw. 01 bestehen. Da ein herkömmliches NOR-Glied 14 die vom Modulator 12 an den Parallelschalter 19 gelieferten Schaltsignale invertiert, also das Komplement der dem Schalter 18 zugeführten Signale bildet, sind die gefilterten und getasteten Signale in Phase» Die entstehenden sinusförmigen Signale haben die gleiche Amplitude und eine

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GleiehspannungskoiDponente von gleicher Araplitudey aber entgegengesetzter.Polarität» Diese beiden Signale werden addiert, wobei sich ihre Sleichspannungskomponenten aufheben. Hierzu werden die Signale direkt an die beiden Eingangswiders tande RTO und R11 eines Glei.ehspannungsverstärkers 20 mit einem RückführwiderstandR12 gelegt« Mit dem Rückführwiderstand R12 kann man den Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers 20 einstellen. Die sich ergebende Wellenform am Yerstärkerausgang ist in."Fig.. 3 gezeigt. ·

Die Trägerfrequenzkomponenten und die Harmonischen von 400 Hz in den den Filtern zugeführten Signalen werden soweit beseitigt, daß das Weehselspannungssignal am Ausgang im allgemeinen den Anforderungen für eine Regelanlage genügt. Wenn der Oberwellengehalt sehr gering sein soll, dann können weitere herkömmliche Filtereinrichtungen vorgesehen werden. ν .

Bei dem in Fig. T gezeigten symmetrischen Schaltungsaufbau (Brückenanordnung), in der ein 3?eil des ankommenden Gleichspannungssignals mit umgekehrter Polarität verarbeitet wird, sind keine in Reihe geschaltete Kopplungskondensatoren zur Beseitigung der Sleichspannungskomponenten notwendig» Dadurch wird die Bandbreite der Umformungsschaltung erhöht und ihr Frequenzverhalten verbessert.-Die Schaltungsanordnung zur Umformung eines Gleichspannungssignals in; ein Wechselspannungssignal kann auch noch einen Multiplikator enthalten. Diese Multiplikation kann dadurch ausgeführt werden, daß die Amplitude des dem Modulator 12 zugeführten 400-Hz-Signals verändert wird«

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in Fig, 4- gezeigt« Im Modulator werden weitgehend integrierte Schaltungen be-

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nutzt. Ein als integrierte Schaltung 27 aufgebauter'Rechenverstärker mit zwei Ausgängen liefert zwei symmetrische Ausgangssignale unterschiedlicher Polarität, die der veränderlichen Amplitude des ankommenden Gleichspannungssignals proportional sind. Dadurch braucht man an die Eingangssignale nicht allzu hohe Anforderungen zu stellen und man erhält in bezug auf die positiven und negativen Stromkreise eine bessere Symmetrie der Schaltungsanordnung, so daß die Signale leichter angepaßt und geschaltet werden kön-, nen. Die Transistoren 28 bis 30 stellen die Parallelschalter für den negativen und positiven Stromkreis dar. Das Umschalten dieser" Schalter wird von einer integrierten . Verstärkerschaltung 35 gesteuert. Dieser Verstärker liefert für die Schalttransistoren in Abhängigkeit von einem Wechselspannungsbezugssxgnal und von den durch Transistoren bis 34 erzeugten OszillatorSignalen pulslängenmodulierte Signale, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind. Die Verstärkerschaltung 35 erzeugt hochfrequente Sehaltimpulse, die sinusförmig über die Bezugsfrequenzperiode pulslängenmoduliert sind. .

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Claims

Pat entansprüche

11';■} Schaltungsanordnung zur Um formung eines Gleichspannungssignals in ein Wechselspannungssignal, da d;u r c h g e k e nn ze i c Ii net* daß ein !Eas tsehalt:er (18,19) die ankoBsmenden &leiohspannungssignale tastet, daß ein Pulsgenerator (i 1,12,13,173» dessen Ireqiuenz einige Male größer als die gewünscnte Irequenz des abgegebenen ¥ecJi- · selspannungssignals-ist und dessen-Irapulse iii ihrer Impulslänge sinusförmig mit der gewünsenten PreguenZ des ¥ecnselspannungssignals moduliert sind, den Tastscnälter (18,19) ansteuert, daß eine Ausgangsschaltung (2Q)/ein auf einen Signalpegel bezogenes symmetrisches ¥echselspannungssignal liefert, tmä daß ein an den Tastschalter (18,19-) angeschlossenes und mit der Ausgangsschaltung (20) zusammenvrirkendes Filter (15,16) die getasteten Eingangssignale glättet und in ein sinusförmiges Signal umformte
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1_s d a du r c h gekennzei c h η e t , daß ein zum Pulsgenerator gehöriger Signalgenerator (i1) ein sinusförmiges Signal liefert, dessen Amplitudekonstant ist und dessen Frequenz der gewünschten Frequenz des abgegebenen Wechselspannungssignals entspricht, daß zur Umformung des sinusförmigen Signals in sinusförmig pulslängenmodullerte Schaltimpulse, die zum Ansteuern des Tastsehalters dienen, ein Taktsignalgeneratoif (I3)i dessen Frequenz mindestens 10 mal so hoch ist wie die Frequenz des sinusförmigen Signals, an einen Pulslängenmodulator (12) angeschlossen ist, daß ein UmkehrverBtärker (17) die Polarität des ankommendenSleiOhspannungösignals umkehrt und ein dem urBprünglielien Crleichepannungasignal entsprechendes Parallelsignal umgekehrter Polarität liefert, daß es sich bei dem Filter um zwei Filter schaltungen (E9,E1T,eibzWc E6,R10,02) handelt, die die \ Ihnen zugeführten pulslän«enmodulierten Signale In slnus-

förmige Signale umwandeln, daß die Tastschalter (18,19) zum Tasten des ankommenden Gleichspannungssignals und des Parallelsignals umgekehrter Polarität auf die pulslängenmodulierten Schaltimpulse ansprechen und an die entsprechenden FiIterschaltungen (15,16) angeschlossen sind, und daß die Ausgangsschaltung einen gleichspannungsgekoppelten Rechenverstärker (20) enthält, dessen Eingang an die Filter schaltungen angeschlossen ist und der das gewünschte Wechselspannungssignal an seinem Ausgang liefert.

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