DE1901885C3 - Schaltungsanordnung zur Multiplikation zweier elektrischer Wechselgrößen, insbesondere zur Leistungsmessung - Google Patents

Description

In der Energieübertragungstechnik werden Meßgrößen im allgemeinen mit Hilfe von Meßwandlem aus dem Hochspannungsnetz abgeleitet. Für die Fernübertragung und Verarbeitung dieser abgeleiteten Größen ist es vorteilhaft, sie in proportionale Gleichstromwerte umzuwandeln. Insbesondere ist es erforderlich, aus den abgeleiteten Strom- und Spannungsgrößen einen Meßwert für die Leistung zu bilden und diesen in eine proportionale Gleichstromgröße umzuwandeln. Die Fernmeßtechnik benutzte bisher für diese Aufgabe vorwiegend dynamometrische Meßwerke, deren Drehmoment über ein Gleichstrom meßwerk kompensiert wurde. Es sind jedoch auch schon statische Leistungsmesser, beispielsweise auf der Grundlage des Hallmultiplikators, eingesetzt worden.

Ein anderes Multiplikationsprinzip ist unter der Bezeichnung »Impulsbreiten-Impulsamplituden-Modulation« bekanntgeworden, beispielsweise aus einem Aufsatz von L. D. A. Barber »Α High Speed Analogue Multiplier« in ELECTRONIC ENGINEER-

ING, April 1963, Seiten 242 bis 245. Dieses Prinzip beruht darauf, daß eine der miteinander zu multiplizierenden Größen mit Hilfe einer Schalteinrichtung getastet wird. Dabei wird die auf die Tastperiode bezogene Differenz zwischen Puls- und Pausendauer

proportional der zweiten der miteinander zu multiplizierenden Größen gemacht. Der zeitliche Mittelwert der getasteten Größe stellt dann das Produkt aus beiden Größen dar. Es ist weiterhin bekannt, zur Steuerung der Schalteinrichtung einen Multivibrator zu

ao verwenden, dessen Tastverhältnis von der zweiten Wechselgröße gesteuert wird.

So ist im SGS Fairchild »Application Report«, Januar 1965 »A Transistorized Variable Area Analog Multiplier«, Seiten 1 bis 6, ein transistorisierter Ana-

>5 logmultiplizierer beschrieben, der im wesentlichen aus einem Impulstastmodulator und einem davon gesteuerten Amplitudenmodulator besteht. Der Impulstastverhältnismodulator setzt sich aus einem freilaufenden ungesättigten und symmetrischen emittergekop- pelten Multivibrator zusammen, dessen beide Transistoren ihren Emitterstrom aus besonderen Stromquellen erhalten. Diese Stromquellen bestehen ebenfalls aus Transistoren, deren Emitter über Widerstände mit einer gemeinsamen dritten Stromquelle verbunden sind. Ihre Kollektoren sind an die Emitter der ihnen zugeordneten beiden Transistoren des Multivibrators angeschlossen. Die Basis des einen Transistors ist mit Erde verbunden, an die Basis des anderen Transistors ist eine dem einen der beiden miteinander zu multiplizierenden Faktoren entsprechende Spannung angelegt. Die gegenläufigen Ausgangsspannungen des Multivibrators steuern je einen Transistorschalter, an dem eine dem zweiten Faktor entsprechende Spannung liegt. An den beiden Transistor- schaltern liegt die dem zweiten Faktor entsprechende Spannung gleichphasig an. Die Ausgangsspannung des einen Transistorschalters muß deshalb einem Inverter zugeführt werden, an dessen Ausgang die jetzt mit umgekehrtem Vorzeichen auftretende amplitu denmodulierte Spannung über einen Addierer der nicht umgekehrten Ausgangsspannung des anderen Transistorschalter hinzugefügt wird. Als Inverter wird ein Gleichspannungsverstärker benutzt, doch schließt dies nicht aus, daß über die innere Kapazität der Transistoren eine Phasenverschiebung eintritt, so daß bei der Zusammensetzung der beiden Ausgangsspannungen der Schalttransistoren eine gegenseitige

• Phasenverschiebung auftritt, die zu einem Multiplikationsfehler führt.

Bei der Erfindung wird durch eine verhältnismäßig

einfache Maßnahme der Inverter und nachfolgende

Addierer überflüssig, so daß auch die durch beide Schaltungsteile eingeführten Fehlerquellen entfallen. In einer nicht vorveröffentlichten älteren Anmel-

dung, deutsche Auslegeschrift 1591963, ist eine elektronische Multiplikationseinrichtung zur Multiplikation zweier elektrischer Wechselgrößen nach dem Prinzip der Impulsbreiten-Impulsamplituden-

Modulation, insbesondere zur Messung elektrischer Leistung vorgeschlagen worden, die einen emittergekoppelten, astabilen Transistormultivibrator zur Impulsbreitenmodulation aus zwei dem Multivibrator zugeordnete besondere Stromquellen aufweist. Die Stromquellen bestehen aus je einem Transistor, des-. sen Kollektor an den Emitter des zugehörigen Transistors des Multivibrators angeschlossen ist und dessen Emitter über einen Widerstand an einer Batteriespannung liegt. Dabei sind die Basen der beiden Transistoren der Stromquellen mit beiden Enden der Sekundärwicklung eines Wandlers verbunden, deren Mittelanzapfung an einer konstanten Bezugsspannung liegt. Diese Schaltungsanordnung weist weiterhin einen Amplitudenmodulator auf, der aus zwei im Sekundärkreis eines Stromwandlers liegenden elektronischen Schaltern besteht, deren Steuerelektroden an den Multivibrator angekoppelt sind. Bei der älteren Anmeldung liegen die Schaltstrecken der elektronischen Schaltet an den Enden der Sekundärwicklung des Stromwandlers. Die beiden Enden sind außerdem durch zwei temperaturunabhängige Präzisionswiderstände miteinander verbunden. Dem Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände kann dann eine Spannung entnommen werden, die dem Multiplikationsprodukt entspricht. Das Multiplikationsergebnis ist wesentlich von der Genauigkeit des Teilungsverhältnisses der Präzisionswiderstände abhangig.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, an Stelle dieser Präzisionswiderstände eine Anordnung zu schaffen, die temperaturunempfindlicher ist und keine Präzisionsbauteile erfordert.

Eine Schaltungsanordnung zur Multiplikation zweier elektrischer Wechselgrößen nach dem Prinzip der Impulsbreiten-Impulsamplituden-Modulation, insbesondere zur Messung elektrischer Leistung, mit einem emittergekoppelten, astabilen Transistormultivibrator zur Impulsbreitenmodulation und mit zwei dem Multivibrator zugeordneten besonderen Stromquellen, die aus je einem Transistor bestehen, dessen Kollektor an den Emitter des zugehörigen Transistors des Multivibrators angeschlossen ist und dessen Emitter über einen Widerstand an einer Batteriespannung liegt, wobei die Basen der beiden Transistoren der Stromquellen mit den beiden Enden der Sekundärwicklung eines ersten Wandlers verbunden sind, deren Mittelanzapfung an einer konstanten Bezugsspannung liegt und bei der ein Amplitudenmodulator vorgesehen ist, der aus zwei im Sekundärkreis eines Stromwandlers liegenden elektronischen Schaltern besteht, deren Steuerelektroden an den Multivibrator gekoppelt sind, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler eine mittenangezapfte Sekundärwicklung aufweist, an deren Anzapfung das Produkt der beiden miteinander zu multiplizierenden Wechselgrößen abnehmbar ist.

Der mittenangezapfte Stromwandler macht die Präzisionswiderstände, die bei der Schaltung nach der älteren Anmeldung notwendig waren, überflüssig. Ein induktives Teilerverhältnis ist weniger temperaturabhängig als ein Teilerverhältnis aus Widerständen.

Die Wicklungsenden der Sekundärwicklung können zweckmäßig durch entgegengesetzt gepolte und in Serie geschaltete Zenerdioden verbunden sein. Diese Maßnahme dient zur Begrenzung von Überstromstößen.

Zur Kompensation der Phasenfehler der Wandler werden an geeigneten Stellen, beispielsweise parallel zu den Sekundärwicklungen aogeschlossene Kondensatoren verwendet.

Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist zum Zwecke der Summierung oder Subtraktion der Leistungen verschiedener Netze oder mehrerer Phasen eines Netzes vielfach verwendbar. Die Ausgänge der Schaltungsanordnungen werden dann auf eine gemeinsame Verstärkereinriclitung geschaltet.

Die Erfindung wird an Hand einer Figur, die ein

ίο Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung zur Leistungsmessung darstellt, näher erläutert.

Der Primärwicklung eines Stromwandlers W₁ wird ein Strom / zugeführt. Die Sekundärwicklung des Stromwandiers W₁ ist in der Mitte angezapft und über

is einen Widerstand R₁ mit Masse verbunden. An dem Widerstand A₁ fällt eine Spannung ab, die der zu messenden Leistung proportional ist. Die Enden der Sekundärwicklung des Wandlers W₁ sind mit den Emittern von Schalttransistoren Tr₁ und 7V₈ verbunden,

»o deren Kollektoren an Masse angeschlossen sind. Die Wicklungsenden sind außerdem mil zwei Zenerdioden Z₃ und Z₄ miteinander verbunden, die dem Schutz gegenüber Stromspitzen dienen. Ein Kondensator C₂ liegt ebenfalls an den Wicklungsenden. Er

ist Bestandteil einer Einrichtung zur Phasenkorrektur des Stronwandlers. Zwei nicht näher bezeichnete Widerstände an den Sekundärklemmen des Stromwandlers W₁ dienen zur Erzeugung einer in gewissen Grenzen einstellbaren Spannung. Die Schalttransistoren

Tr₇ und 7V_S werden an ihren Basisanschlüssen über Verstärkertransistoren Tr₅ bzw. 7V₆ gesteuert. Die Verstärkertransistoren 7V₅ und 7V₆ verstärken die Ausgangssignale eines aus Transistoren Tr₁ und 7V₂ aufgebauten Multivibrators, die über Widerstände A₂' bzw. A₃' an ihre Basisanschlüsse gelangen. Arbeitswiderstände A₂ bzw. A₃ des Multivibrators verbinden die Transistoren Tr₁ und Tr₂ mit einer positiven Betriebsspannung + LZ₈. Die gleiche Spannung wird außerdem über einen Widerstand A₇ den Verstärkertransistoren 7V₅ und 7V₆ zugeführt. Die Basisanschlüsse der Transistoren Tr₁ und 7V₂ sind über Zenerdioden Z₁ bzw. Z₂ zu den Kollektoren des jeweils anderen Transistors geführt. Weiterhin sind die Basisanschlüsse über zwer Widerstände, die nicht näher bezeichnet sind, mit Masse verbunden. Die Emiitter der Transistoren Tr₁ und Tr₂ des Multivibrators sind über einen Kondensator C miteinander verbunden. Der Multivibrator ist emittergekoppelt. Sein Tastverhältnis wird durch die Emitterströme Z₁ bzw. Z₂ gesteuert. Zu einem bestimmten Zeitpunkt sei der Transistor Tr₁ leitend und der Transistor Tr₂ gesperrt. Dann fließt durch den Transistor Tr_x und den Widerstand R₂ der Strom I₁ und I₁. Dabei wird der Kondensator C durch den Strom I₂ aufgeladen. Erreicht nun

5,5 das Potential am Emitter des Transistors Tr₂ das Potential an dessen Basis, so wird der Transistor Tr₂ leitend. Daraufhin sperrt der am Widersland R₃ und Zf₃' auftretende Spannungsabfall den Transistor Tr₁ und der Summenstrom Z₁ und I₂ fließt durch den Transistör Tr₂ und den Widerstand A₃'. Dabei wird der Kondensator C durch den Strom Z₁ entladen. Sind Emitter- und Basisspannung von Tr₁ wieder annähernd gleich, dann setzt der Rückkippvorgang ein.

Die Emitterströme Z₁ und I₂ der Transistoren 7V₁

6,5 und Tr₂ des Multivibrators werden über je einen Transistor Tr₃ bzw. TV₄ gesteuert. Dazu sind die Emitteranschlüsse der Transistoren des Multivibrators mit den entsprechenden Kollektoranschlüssen der Tran-

sistoren Tr₃ und Tr₄ verbunden. Die Emitter der Transistoren 7V₃ und Tr₄ liegen über Emitter-Widerstände R₄ bzw. R₅ an einer negativen Betriebsspannung - U₈, an der auch Kollektor-Widerstände der Verstärkertransistoren 7>_s bzw. Tr_h liegen. Die Basisanschlüsse der beiden Transistoren Tr₂ und Tr₄ sind über einen Widerstand R₈ miteinander verbunden. An beide Basisanschlüsse sind außerdem die Enden der Sekundärwicklung eines zweiten Wandlers W₂ geführt, dessen Primärwicklung an einer Spannung U liegt. Aus Gründen der Verkleinerung ist der Wandler W₂ ebenfalls als Stromwandler ausgebildet. Seine Primärwicklung wird über einen Widerstand Rv mit einem aus der Spannung U abgeleiteten Strom gespeist. Mit Hilfe des Widerstandes Rv ist auch eine einfache Meßbereichsänderung möglich. Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren Tr₃ und Tr₄ kann von Null verschieden sein, ohne daß deshalb ein Linearitätsfehler auftritt, sofern nur beide Basis-Emitter-Spannungen gleich sind. Sie können dann als ein Teil einer Vortriebs- oder Referenzspannung V angesehen werden und damit bei der Wahl dieser Referenzspannung berücksichtigt werden. Der Temperaturgang dieser Referenzspannung ist zweckmäßig so zu wählen, daß er den Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tr₃ und Tr₄ kompensiert. Die Emitter-Widerstände R₄ und R₅ brauchen nicht gleich groß zu sein, weil bei der Steuerung der Transistoren Tr₃ und Tr₄ mit Wechselspannung Fehler in der einen Halbwelle durch gleich große Fehlei in der anderen Halbwelle kompensiert werden. Die Phasenkorrektur des Wandlers W₂ wird mit Hilfe eines der Sekundärwicklung parallel liegenden Kondensators C, bewerkstelligt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Multiplikation zweier elektrischer Wechselgrößen nach dem Prinzip der Impulsbreiten-Impulsamplituden-Modulation, insbesondere zur Messung elektrischer Leistung, mit einem emittergekoppelten, astabilen Transistormultivibrator zur Impulsbreitenmodulation und mit zwei dem Multivibrator zugeordneten besonderen Stromquellen, die aus je einem Transistor bestehen, dessen Kollektor an den Emitter des zugehörigen Transistors des Multivibrators angeschlossen ist und dessen Emitter über einen Widerstand an einer Batteriespannung liegt, wobei die Basen der beiden Transistoren der Stromquellen mit den beiden Enden der Sekundärwicklung eines ersten Wandlers verbunden sind, deren Mittelanzapfung an einer konstanten Bezugsspannung liegt und bei der ein Amplitudenmodulator vorgesehen ist, der aus zwei im Sekundärkreis eines Stromwandlers liegenden elektronischen Schaltern besteht, deren Steuerelektroden an den Multivibrator gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler (W₁) eine mittenangezapfte Sekundärwicklung aufweist, an deren Anzapfung das Produkt der beiden miteinander zu multiplizierenden Wechselgrößen abnehmbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsenden der Sekundärwicklung des Stromwandlers (W₁) über entgegengesetzt in Serie geschaltete Zenerdioden (Z₃, Z₄) miteinander verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Sekundärwicklung des ersten Wandlers liegenden Basisanschlüsse der Transistoren (Tr₃, Tr₄) über einen Widerstand (R_g) miteinander verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der Phasenfehler der Wandler (W₁, W₂) Kondensatoren (C₁, C₂) verwendet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schaltungsanordnungen zum Zweck der Summierung oder Subtraktion der Leistungen verschiedener Netze oder mehrerer Phasen eines Netzes auf eine gemeinsame Verstärkereinrichtung geschaltet sind.