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Versärker mit veränderlichem Verstärkungsgrad Die Erfindung bezieht
sich auf einen Verstärker mit veränderlichem Versärkungsgrad, in dessen Rückkopplungsschleife
zwei über @e einen Spannungsteiler vorgespannte Dioden in und parallelschaltung
geschaltet sind.
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Derartige Verstärker sind z.B. aus der DAS 1 255 141 bekannt und
haben insbesondere als Summierverstärker die Aufgabe, dem Eingang des Verstärkers
Augeführte Eingangssignale mit möglichst großer Geschwindigkeit zu einem gemeinsamen
Ausgangssignal zu summieren. Dieses wird bei den bekannten Verstärkern dadurch erreicht,
daß bei Vorliegen kleiner Eingangssignale mit einem bessonders großen Verstärkungsgrad
des Verstärkers schnell ein Ausgangssignal ausreichenden
Signalpegels
erhalten wird, während bei Vorliegen größerer Eingangssignale der Verstärkungsgrad
durch die im Riickkopplungszweig liegende Diodenschaltung automatisch so weit verringert
wird, da keine Übersteuerung.des Verstärkers auftreten kann.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Allfgabe zugrunde, einen Verstärker
mit veränderlichem Verstärkungsgrad zu schaffen, der seinen Verstärkungsgrad nicht
nur in Abhängigkeit der Größe des Eingangssignals bzw. des aufgrund dieses erzeugten
Ausgangssignals seLbsttätig ändert, sondern zusätzlich noch eine frequenzabhängige
Verstärkungsregelung aufweist. Derartige Eigenschaften eines Verstärkers sind z.B.
besonders bei einem Regelverstärker erwünscht, dem die Aufgabe zugrundeliegt, insbesondere
bei mit Nichtlinearitäten behafteten-Regeisystemen die Einstellgenauigkeit zu erhöhen
und gleichzeitig die Dauer des Einschwingvorgangs so kurz wie möglich zu machen.
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Ausgehend von einem Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsgrad,
in dessen Rückkopplungsschleife zwei über je einen Spannungsteiler vorgespannte
Dioden in Antiparallelschaltung geschaltet sind, ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß den Dioden eine Serienschaltung als Kondensator und Impedanz
parallelgeschaltet ist.
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Wird dieser gemäß der Erfindung ausgebildete Verstärker als Regelverstärker
eingesetzt, so wirkt dieser oberhalb der durch die D odenschaltung gegebenen Spannungsschwellen
seines Ausgangssignales als rein proportional arbeitender Regler und wiirde damit
einen Istwert in kurzer Zeit ohne Überschwingen auf einen sich vom Sollwert unterscheidenden
Wert zurückführen, der die Regelabweichung darstellt und z.B. durch Nichtlinearitäten
des Regelsystems bedingt ist. Die Spannungsschwellen des Ausgangssignals, außerhalb
der der Regelver-
stärker ein proportionales Verhalten zeigt, sind
nun so gewählt, daß'diese aufgrund des proportionalen Verhaltens auftretende endliche
Regelabweichung innerhalb dieser Spannungsschwellen liegt, innerhalb derer der Regelverstärker
aufgrund des zusätzlich der Diodenschaltung parallelgeschalteten Kondensators ein
proportional-integrales Regelverhalten zeigt.
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Da dieses proportional-integrale Regelverhalten des Regelverstärkers
erst von einem relativ kleinen Wert einer Regelabweichung ausgeht, tritt auch nur
ein sehr geringes Überschwingen des Ausgangssignals um den Sollwert auf.
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Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert Im einzelnen zeigen: Figur 1 einen gemäß der Erfindung ausgebildeten
Regelverstärker; Figur 2 die Kennlinie dieses Regelverstärkers unter Vernachlässigung
der Phasenbeziehungen und Figur 3 eine Gegenüberstellung des mit dem gemäß der Erfindung
ausgebildeten Regelverstärkers erreichten Regelverhaltens gegenüber einem proportionalen
und proportional-integralen Regelverhalten, wobei die Regelabweichung#x in Abhängigkeit
der Zeit t dargestellt ist.
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Einem herkömmlichen Operationsverstärker 1 wird über einen Widerstand
R1 ein Eingangssignal ul zugeführt, während am Ausgang des Operationsverstärker
ein Ausgangssignal u2 abnehmbar ist. Der Ausgang des Orzerationsverst<arkers
ist iiber eine Reihenschaltung aus einem Kondensator C und Widerständen R2 und R3
unmittelbar mit dem Eingang des Operationsverstärker verbunden. I)er Kondensator
(« und der Widerstand R
sind dabei durch zwei in Antiparallelschaltung
geschaltete Dioden D1 und D2 derart überbrückt, daß jede der Dioden über ein einstellbares
Potentiometer P1 bzw. P2 mit einer Spannung solcher Polarität verhunden ist, daß
sie in Sperrichtung auf einen bestimmten am Potentiometer einstellbaren Wert vorgespannt
sind, wobei der jeweils andere Anschluß der Potentiometer mit dem Ausgang des Operationsverstetkers
1 verbunden ist.
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In Figur 2 ist die statische und dynamische Kennlinie der Ausgangsspannung
u2 in Abhängigkeit der Eingangsspannurlg u1 dargestellt, wobei deutlich zu erkennen
list, daß der Verstärker oberhalb der durch den Wert U20 gegebenen Spannungsschwellen
ein proportionales Verhalten zeigt, d.h. der Verstärkungsgrad des Verstärkers konstant
ist. Unterhalb der Spannungsschwellen U20 ist dagegen der Verstärkungsgrad des Verstärkers
sehr viel größer und außerdem, wie durch in Figur 3 as willkürliche Beispiele eingetragene
Parameter Cb ) 2 und #3 dargestellt, frequenzabhängig.
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Die Größe der Spannungsschwelle U20 wird bei vernachlässigbarer Durchlaßspannung
der Dioden durch das an den Potentiometern P1 und P2 eingestellte Spannungsteilerverhäitnis
und die Größe der an den Potentiometern liegenden Spannung U0 sowie in gewissen
Grenzen durch die Frequenz bestimmt. Für das Übertragungsverhalten des Verstärkers
gelten die folgenden Gleichungen: 1. Für eine Ausgangsspannung |u2| < U20 u2
R2 + R3 = - . (1 + ) und u1 R1 j# C(R2 + R3) 2. für eine Ausgangsspannung |u2| >
U20: u2 R2 1 U20 = - . - , wobei α das Spannungsteileru1 R1 1-α |u1|
verhältnis der Potentiometer P1 und P2 angibt.
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Aus diesen beiden Gleichungen ist zu erkennen, daß der Verstärkungsgrad
bei einer Ausgangsspannung u2, die kleiner als die Schwellspannrng U20 ist, gröber
als bei einem Ausgangssignal |u2| tu2 U20 und außerdem freouenzabhängig ist. Ist
dagegen die Ausgangsspannung 12 größer als die Spannungsschwelle U20, so ist der
Verstärkungsgrad kleiner als im ersten Fall und konstant, aiso frequenzunabhängig.
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Figur das Regelverhalten eines diesen Verstärker als Regelverstärker
benutzenden Reglers ergibt sich daher folgendes: Ein Regler mit einem rein oroportional-integralen
Regelverhalten, wie es in Figur 5 unter a dargestellt ist, erzielt zwar eine große
Genauigkeit, mit der nach einer bestimmten endlichen Einschwingzeit der Sollwert
zu erreichen ist, ist jedoch aufgrund dieser relativ großen Einschwingzeit nachteilig.
Bei einem Regler mit rein proportionalem Verhalten, wie es in Figur 5 unter b dargestellt
ist, tritt zwar diese lange Einschwingzeit nicht auf, ist jedoch der Sollwert nicht
genau zu erreichen. Mit Hilfe des gemäß der Erfindung ausgebildeten Verstärkers
werden nun die Vorteile dieser beiden Regelverhalten vereinigt, ohne daß jedoch
die Nachteile auftreten. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Regelverstärker bei
großen Ausgangssignalen, nämlich außerhalb der Spannungsschwellen U20, ein rein
proportionales Hegelverhalten, wie unter b in Figur 3 dargestellt ist, zeigt. Beim
Übergang zu kleineren Werten de Ausgangssignals, die also innerhalb der Spannungsschwellen
U20 liegen, zeigt der Regelverstärker jedoch proportional-integrales Verhalten,
wie es unter a in Figur 5 dargestellt ist. Da erst bei Erreichen eines relativ Kleinen
Wertes das proportional-integrale Verhalten des Regelverstärkers wirksam wird, sind
die Amplituden beim Uberschwingen des AIsga£igssigrIa1.s nur klein, wodurch auch
die Einschwingzeit klein wird. Dieses mit dem gemäß der Erfindung
ausgebildeten
Regelverstärker erreichte Regelverhalten ist in Figur 3 unter c dargestellt.
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Wie aus Figur 7 zu ersehen ist, ist mit dem beschriebenen-Regelverstärker
daher sowohl eine sehr genaue, als auch hinsichtlich der Einschwingzeit sehr schnelle
Zurückführung eines vom Sollwert abweichenden Istwertes auf den jeweils gewünschten
Sollwert möglich. Durch die mit Hilfe der Potentiometer in bestimmten Grenzen frei
wählbare Größe der Spannungsschwellen U20 ist dabei eine relativ freizügige Wahl
der in Figur 2 dargestellten Kennlinie des Verstärkers und damit auch des jeweils
gewünschten Regelverhaltens eines solchen als Regelverstärker eingesetzten Verstärkers
möglich.
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Patentansprüche: