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Scheitelwertgleichricher Die Erfindung betrifft einen Scheitelwertgleichrichter
zur Bestimmullg des Scheitelwertes von periodischen Wechselspannungen oder periodisch
auftretenden Impulsen für einen größeren Bereich der Wiederholfrequenz.
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Bekannt sid Scheitelwertgleichrichterschaltungen, die einen Speicherkondensator
1, einen Gleichrichter 2 und einen Entladewiderstand 1s besitzen (nach Fig. 1a).
Gemessen wird mit dem Meßinstrument 3 die Spannung aus der Spannungsquelle 5 am
Speicherkonden sator 1.
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Wenn diese Gleichrichter über einen größeren Frequenzbereich betrieben
werden soilen, muß auf den "Entladefchler" geachtet werder Der Entladefehler entsteht
dadurch, daß der Speicherkondensator 1 über den Widerstand 4 entladen wird. Fig.
1 b zeigt den Spannungsverlauf am Speicherkondensator. Der Fehler ist etwa gloich
h dem halben Betrag der durch das periodische Laden und Entladen entstehenden Sägezahnspannung.
Die Neigung der Entladekurve wird durch die Zoitkonstante R . C bestimmt. Dieser
Entladefehler ist bei gegebener Dimonsioniorung von R C der Frequenz der Wochzoizpannung
bzw. der der Pulsfolge umgekehrt proportional.
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Für dio praktische Anwendung darf die Zeitkonstante R . C nicht zu
groß gemacht werden, weil die Zeitkonstante gleichzeitig bestimmt,
mit
welcher Geschwindigkeit die Scheitelspannungsanzeige einer fallenden Meßgröße folgt.
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Der zwischen Frequenzabhängigkeit und Anzeigegeschwindigkeit zu schließende
Kompromiß soll an einem Zahlenbeispiel erläutert werden. Die Meßgröße U ist mit
dem relativen Entladefehler E behaftet: U =# (1-E) Der Entladefehler bei der Frequenz
f ist #### Die relative Anzeigegeschwindigkeit bei fallender Meßgröße ist dU 1 Udt=RC
Ein Scheitelspannungsmesser für Frequenzen zwischen f X 16 2/3 Hz und f = 300 Hz,
der mit einem Anzeigefehler von i 1 % davon E = 0,5 % Frequenzabhängigkeit, bemessen
werden soll, also mit E = 5 10-3, bekommt eine Zeitkonstante R#C#2f#E =6= Derartig
große Zeitkonstanten erschweren die Benutzung von Einrichtungen erheblich.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, eine Scheitelwertgleichrichteranordnung
zu schaffen, die ein günstigeres Verhältnis von Frequenzeifluß und Anzeigegeschwindigkeit
aufweist.
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Im folgenden werden einander entsprechend. Bauelemente mit dem gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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Die Erfindung geht aus von einem Scheitelwertgleichrichter mit Verstärker
nach Fig. 2. Diese Schaltung hat gegenüber der Schalt tung in Fig. 1 a zwei Vorteile:
1. Sie kann an hochohmige Quellen angeschlossen werden, denu die Speicherenergie
des Kondensators 1 wird von der Verstärkerschaltung 6 geliefert.
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2, Sie kann auch sehr genau Spannungen gleichrichter die voll gleicher
Größe wie die Schwellspannung des Gleichrichters 2 sind.
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Das liegt daran, daß der Verstärker 6 mit der am Kondensator 1 liegenden
Spannung gegengekoppelt wird. Der im Verstärkerzweig liegende Gleichrichter 2 hat
scheinbar eine um den Verstärkungsfehler kleinere Schwellspannung. Der Kompromiß
zwischen froquenzabhängigem Entladefehler und Anzeigegeschwindigkeit muß für diese
Schaltung genau so eingegangen werden wie für die nach Fig. 1 a.
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Von dieser Schaltung ausgehend, gibt die Erfindung einen Weg an, wie
das Verhältnis von Fehlergrenze und Entladegeschwindigkeit wesentlich, mindestens
um den Faktor 10, verbessert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch den Scheileiwertgleichrichter zur Bestimmung
des Sdieitelwertes von veriodischen Wechsel spannungen oder periodisch auftrenden
Impulsen fiir einen größeren Bereich der Wiederholfrequenz nach der Erfindung dadurch
gelöst, daß Mittel zur zweimaligen Gleichrichtung und Speicherung der Scheitelspan
nung vorgesehen sind1 derart, daß ein Verstärker oder ein Gleichrichter einen Speicherkondensator
lädt1 solange die Kondensator~ spannung unter der Eingangsspannung liegt, und daß
die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers fällt, sobald Gleichheit erc rcicht
ist, Anhand der Fig. 3 wird die Erfindung näher erläutert.
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Der Speicherkondensator 1 wird über den Gleichrichter 2 aus dem Differenzverstärker
6 geladen. Der Entladekreis wird aus einem Widerstand 12 und einem Transistor if
gebildet. Zur Anzeige des Scheiteiwertes ist hier ein Verstärker 23 mit d.m nachgeschalteten
Anzeigeinstrument 3 vorgesehen. Vom Ausgang des Verstärkers 23 führt die Gegenkopplung
auf den Minus-Elngang des Differenzverstärkers 6 - am PluseEingang liegt die zu
messende Spannung der Spannungsquelle 5. Diese Schaltung ist für die Gleicht richtung
positiver Signale eingerichtet (für negative Signale muß der Gleichrichter 2 umgepolt
werden) und arbeitet folgen.
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dermaßen: Ein positives Signal auf dem Plus-Eingang des Differenzverstärkers
6 erzeugt ein positives Ausgangssignal. Unter Umständen ist dabei der Verstärker
positiv übersteuert. Über den Gleichrichter 2 wird der Speicherkondensator 1 aufgeladen.
Seine Spannung wird über den Verstärker 23 auf den Minus-Eingang des Differenzverstärkers
6 zurückgeführt. Wenn diese Spannung gleich der am Minus-Eingang liegenden Spannung
wird1 fällt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 6, und der Ladevorgang
am Speicherkondensator 1 hört auf. Er beginnt erst wieder, wenn der Plus-Eingang
des Differenzverstärkers 6.positiver als der MinusEingang wird Dieser Teil der Schaltung
ist bekannt und wird oft zum schnellen und genauen Gleichrichten kleiner Spannungen
verwendet. Gemäß der Erfindung wird diese -Schaltung mit weiteren Teilen zum verzögerten
schnellen Entladen des Speicherkondensators 1 ausgestattet. Dazu gehörten der schon
erwähnte Transistor 11 und der Widerstand 12 als Entladeschalter, ein weiterer Gleichrichterkreis
mit der Diode 8, dem Kondensator 7 und dem Widerstand 9, ein parallel zum Anzeigeinstrument
liegender Spannungsteiler 249 25 und eia weiterer Differenzverstärker 10.
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Die Kondensatoren 1 und 7 sind während einer Ladeperiode, wie oben
beschrieben1 auf annähernd gleiche Spannung aufgeladen. Am Verstärker 10 ist dann
der Minus-Eingangm positiv gegenüber dein
Plus-Eingang, sein Ausgang
also negativ. Dadurch wird der Transistor 11 gesperrt, eine merkbare Entladung des
Speicherkondensators 1 findet nicht statt. Solange die Spannung der Spannungsquelle
5 steigt werden beide Kondensatoren l und 7 geladen; fällt si, so verschwindet sofort
die Ausgnngsspannung des Dif ferenzverstärkers 6 vollständig, und der Kondensator
7 kann sich über den Widerstand 9 entladen. Wenn die Spannung am Kondensator 7 etwas
-unter den durch den Spannungsteiler 24, 25 gegebenen Bruchteil gefallen ist, gibt
der Verstärker 1-0 ein positives Ausgangssignal der Transistor 11 wird leitend und
entlädt über den Widerstand 12 dei Speicherkondensator 1 derart, daß über die Steuerung
durch len Verstärker 10 beide Kondensatorspannungen dem Verhältnis entsp-echen,
das der Spannungsteiler aus den Wider ständen 24 und 23 vorgibt. Diese Entladung
geht solange vor sich, bis die Spannung der Spannungsquelle 5 gleich oder etwa größer
als die Spannung des Speicherkondensators 1 ist. Der dann einsetzende Ladestof lädt
die Kondensatoren i und 7 wieder auf. Da= durch wird über cen Verstärker 10 der
Transistor 11 gesperrt. Es hat also nur ein kleiner kurzzeitiger Spannungseinbruch
stattgefunden.
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Fig. 4 a zeigt der zugehörigen Spannungsverlauf in der Schaltung nach
Fig. 1 a, Fig. Ii b den Verlauf in der Schaltung nach der Erfindung (Fig. 3).
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Von den beiden Var. äufen sind nur die Spitzen der gleichzurichtenden
Spannungswellen als senkrechte Striche gezeichnet die Nullinien sinf unterdrückt.
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In Fig. i a ist die Veitkonstanta R . C des Entladekreises aus Speicherkondensator
1 und Entladewidorstand 4 so gewähl t, daß der Speicherkondensator 1 während einer
Periode um t % entladen wird. Der Entladefehler E beträgt also 0,5 %.
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In Fig. 4 b ist die Zeitkonstante R , C des Entladekreises aus
Speichlorkondensator
1 und Entladewiderstand 4 sehr groß, die Ent-Ladezaitkonstante des zweitek aus dem
Kondensator 7 und dem Widerstand 9 gebildeten Kreises dagegen auf 10 % je Periode
eingestellt.
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Der Verstärker 10 in Fig. 3 bleibt für zehn Perioden nach dem letzten
Ladestoß gesperrt. Die dann einsetzende schnelle Entladung erreicht maximal 10 %
des ursprünglichen Kondensatorwertes (l), dann setzt mit einem neuen Ladestoß der
Zyklus von neuem an. Da sich die Entladung auf zehn Perioden erstreckt, ist auch
hier der Entladefehler E n 0,5 %.
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Wenn nach dem ersten Ladestoß eine Spannungsabsenkung um z. B.
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20 % stattgefunden hat, folgt die Schaltung nach Fig. 1 a ihr so fort
mit 1 % je Periode, hat also nach ca. 20 Perioden den neuen Wert erreicht. In der
Schaltung nach Fig. 3 ändert sich in den ersten zehn Perioden praktisch gar nichts.
Dann aber beginnt eine schnelle Entladung, die nach zwei Perioden auf den neuen
Wert führt, alzo nur etwa die halbe Einstollzeit benötigt Bei Spannungsabsenkung
von z. B. 10 % ist bei der gewählten DiS mcnsionierung praktisch Gleichheit zwischen
beiden Schaltungen erreicht.
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Der Vorteil der Schaltung nach der Erfindung liegt darin, daß statt
einer Zeitkonstante, die zur Erreichung eines kleinen Maß= fehlers E groß seil muß,
zwei elnander ablösende Zeitkonstanten wirksam werden, eine sehr große zu Beginn
der Entladung und eine kleine, die nach einer gewissen Zeit wirksam wird.
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Die Schaltung nachFig. 3 ist nicht die einzige mögliche, die die oben
beschriebene Funktion zeigt. Statt die Kondensatoren 1 und 7 auf gleiche Spannung
aufzuladen und den Spannungsteiler 24 25 einzuführen, kann auch flach Fig. 5 der
Kondensator 7 aus einer höheren Spannung geladen werden. Der Verstärken 10 und der
Transistor lt können dann durch eine Diode 15 ersetzt werden.
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Die beiden unterschiedlichen Ladespannungen können auch durch
einen
Transfermtor 16 erzeugt werden.
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Fig. 6 zeigt eine Variante1 die ohne den Verstärker 23 arbeitet.
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Der Spannungsteiler 24, 25 tritt an die Stelle des Entladewider= standes
4.
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Die Wafil der zweckmäßigen Variante hängt von der Eingangs spannung
und deren Belastbarkeit1 der Art der zu verwendenden Verstärker (oft durch andere
Teile im Gerät vorgegeben) usw. ab. Allen gean meinsam ist die Funktion1 daß sie
zweimal die Scheitelspannung gleichrichten und speichern5 einmal mit hoher Präzision
und großer Zeitkonstante auf der Speicherkondensator 1 und ein zweites Mal auf dem
Kondensator 7 mit geringerer Genauigkeit und kleinerer Zeitkonstante. Der Spannungsabfall
am zweiten Kondensator 7 wird dabei durch Vergleich mit der Spannung am Speicherkondensator
1 beim Unterschreiten eines bestimmten vorgebbaren Verhältnisses und durch den Übergang
von der langsamen Entladung des Kondensators 1 zur schnellen Entladung bewirkt.
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7 Seiten Beschreibung 9 Patentansprüche