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Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer rasch veränderlichen Wechselspannung
in eine Gleichspannung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung
der Spitzenwerte einer rasch veränderlichen Wechselspannung in eine den Spitzenwerten
proportionale Gleichspannung.
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Auf verschiedenen Gebieten der Technik besteht häufig die Notwendigkeit,
bei sich schnell ändernden Wechseispan nungsgröBen,insbesondere von sehr kurzer
Dauer, deren Spitzenwert zu erfassen und für die Weiterbehandlung in eine proportionale
Gleichspannung umsuwande . Bei den bisher bekannten Schaltungsanordnungen wird die
Umwandlung über eine Diode und einen Kondensator durchgeführt. Diese Methode hat
aber den Nachteil, daß rasche Änderungen der Eingangs-Wechselspannung eine kurze
Ladezeitkonstante voraussetzen und andererseits eine sehr große Entladezeitkonstante
notwendig ist, um einen bei Spannungsimpulse sehr kurzer Dauer noch brauchbaren
Ausgangsspannungswert zu erhalten. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen kann
nun aber bei sich sehr schnell ändernden Eingangs-Wechselgrößen die Ausgangsspannung
nur bei zunehmender Amplitude mit der Ladezeitkonstante folgen. Wird die Eingangswechselgröße
jedoch sehr schnell kleiner, so kann auf Grund der großen Entladezeitkonstante die
Auegangsipannung
nicht mehr folgen.
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Für zahlreiche Anwendungsfälle, beispielsweise in.der Steuerungs-
u. Regelungstechnik muß jedoch die Forderung er füllt werden, daß die Ausgangsgröße
sofort, womöglich innerhalb einer Periode, dem neuen Spitzenwert folgt. Die Speiche
rung soll daher nur über eine Periodendauer erfolgen. Solche Anwendungsfälle sind
z.B. die Drehzahlmessung mit Impulsgebern für Steuerung und Regelung, geschwindigkeitsgesteuerte
Schaltungen für Oscilloscope sowie Werkzeugsmaschinensteuerungen u.dgl.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den genannten
Nachteil der bekannten Schaltungsanordnungen, demzufolge bei kleiner werdendem Spitzenwert
und großer Entladezeitkonstante der an-gezeigte Spitzenwert nicht folgen kann, zu
vermeiden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Wechselspannung
-einerseits über getrennte Kanäle den Eingängen zweier an sich bekannter Spitzenspannungsspeicher
mit kleiner Lade- u. größer Entladezeitkonstante, vorzugsweise von der Bauart mit
einem der Ladediode des Speicherkondensators vorgeschalteten, gegenkoppelten Operationsverstärker
zugeführt ist, daß an die Ausgänge der Spitzenspannungsspeicher eine Umschalt- u.
Summiereinrichtung zur wechselweisen Abgabe der Ausgangsspannungen der -Spitzenspan
nungsspeicher an den Ausgang der Schaltungsanordnung ange schlossen ist, daß die
Wechselspannung andererseits einer Triggerschaltung mit nachgeschalteter bistabiler
Schaltstufe zugeführt und an den beiden Ausgängen der bistabilen Schalt stufe je
eine monostabile Schaltstufe angeschlossen ist, deren Ausgang je mit dem Entladestromkreis
des -Speicb-erkondensators eines der beiden Spitzenspannungsspeicher verbunden ist,
und daß die beiden Ausgänge der bistabilen Schaltstufe mit den Steuereingängen der
Umschalt- u. Summiereinrichtung verbun den sind.
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Die Eingangs-Wechselspannung steuert somit einerseits die abwechselnde
Entladung der Speicherkondensatoren der beiden
Spitzenspannungsspeicher
und andererseits den Durchgang der gespeicherten Spannungen zur Summiereinrichtung,
Es wird also wechselweise je ein Spitzenspannungsspeicher, welcher über eine sehr
große Entladezeitkonstante verfügen kann, an.
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den Ausgang der Schaltungsanordnung geschaltet. Der Hauptvorteil der
erfindungsgemäßen Anordnung ist somit darin gelegen, daß während einer Periode beziehungsweise
dem zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse der auftretende Spitzenwert
praktisch zur Gänze gespeichert und darnach augenblicklich auf den neuen Spitzenwert
berichtigt wird, ob dieser nun größer oder kleiner als der vorangegangene Spitzenwert
ist. Dies bietet die Möglichkeit, bei Steueru. Regelsehaltungen tatsächlich den
momentanen Spitzenwert der Eingangs-Wechselspannung als Steuer-bzw. Regelgröße heranzuziehen.
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Vorzugsweise wird nach der Erfindung die Entladung des Speicherkondensators
jedes Spitzenspannungsspeichers von einem Feldeffekt-Transistor gesteuert, an dessen
Torelektrode die Ausgangsspannung der zugehörigen monostabilen Schaltstufe liegt.
Prinzipiell bestände auch die Möglichkeit, die Sntladung der Speicherkondensatoren
mit Hilfe eines relaisgesteuerten Kontaktes, beispielsweise eines Reed - Relaiskontaktes
mit hohem Isolationswiderstand und sehr kurzer Abfall- u.
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Ansprechzeit auszulösen, doch bietet ein Feldeffekt-Transistor demgegenüber
beträchtliche Vorteile. Während ein Feldeffekt-Transistor im gesperrten Zustand
einen sehr hohen Widerstand zwischen der Saug- u. Quellenelektrode aufweist, sinkt
dieser Widerstand im legenden Zustand, also beim Anlegen der Impulse spannung an
die Torelektrode des Feldeffekt-Transistors auf einen sehr geringen Wert ab, sodaß
eine sehr rasche Entladung des Kondensators erfolgt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Umschalt- u. Summiereinrichtung
an ihren beiden mit den Spitzenspannungsspeichern verbundenen Eingängen je zwei
in Serie geschaltete Widerstände auf, zwischen denen je ein mit dem zugehörigen
Ausgang der bistabilen Schaltstufe verbundener Feldeffekt
-Transistor
angeschlossen ist, und ist den ausgangs seitig miteinander verbundenen Widerständen
ein an sich bekannter, über einen Widerstand gegengekoppelter Summlerverstärker
nachgeschaltet. Das Verhältnis der in Serie liegen den Widerstände zum Gegenkopplungswiderstand
bestimmt dabei die Ausgangsgröße am Summierverstärker und damit das Verhältnis der
Ausgangsspannung zu dem am Eingang der Schaltungsanordnung auftretenden Spitzenwert
der Wechselspannung, Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher
erläuterte Es zeigen Fig. 1 das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der
Erfindung, Fig. 2 ein Detail des Spitzenspannungsspeichers und der Umschalt- u.
Summiereinrichtung aus Fig. 1 und Fig. 3 den Impulsplan der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Die Eingangs-Wechselspannung UE, die entsprechend Fig. 3 als zeitliche
Aufeinanderfolge von beliebig geformten Impuls sen verschiedenen Spitzenwertes angenommen
ist wird gleichzeitig über getrennte Kanäle zwei vollkommen identisch aufgebauten
Spitzenspannungsspeichern 1 und 2 sowie einer Triggerschaltung 3 zugeführt. Die
Spitzenspannungsspeicherschaltung kann im einfachsten Fall aus einem Kondensator
bestehen, welcher über eine Diode aufgeladen wird. Diese Anordnung hat jedoch den
Nachteil9 daß durch die Anlaufkennlinie (nicht linearer Teil der Diodenkennlinie)
kein linearer Zusammenhang zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße hergestellt
werden kann. Zur Vermeidung dieses Nachteiles empfiehlt sich eine Ausführung der
Spitzenspannungsspeicher nach Pigo 2, bei wel cher der Ladediode 10 des Speicherkondensators
11 ein Operationsverstärker 9 vorgeschaltet istO Um eine sehr hohe Entladezeitkonstante
zu erhalten, wird die Spannung am Kondensator über einen Feldeffekt-Transistor 13
gemessen. Die am Arbeitswiderstand 14 des Feldeffekt-Transistors 13 auftretende
Spannung wird über einen Widerstand 15 an den Bin gang des Operationsverstärkers
9 zurückgeführt. In Verbindung mit dem Eingangswiderstand 8 ergibt sich eine Ausgangsgröße,
die gleich ist dem Spitzenwert der Eingangsspannung UE, so ferne das Widerstandsverhältnis
aus Wen beiden Widerständen
8 und 15 richtig gewählt ist.
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Die Triggerschaltung 3 besteht im wesentlichen aus einem Sehmitt-Trigger
in Verbindung mit einer monostabilen Sçhaltstufe. Sie hat die Aufgabe, bei Überschreiten
eines einstellbaren Ansprechpegels, der zweckmäßigerweise knapp über dem Nullwert
der Eingangsspannung liegen soll, ein Ausgangssignal konstanter Amplitude und konstanter
Breite abzugeben. Mit diesem in Fig. 3 ersichtlichen Ausgangsimpuls U1 wird eine
bistabile Schaltstufe 4 angesteuert. An den beiden Ausgängen der bistabilen Schaltstufe
4 treten daher zwei um 180° phasenverschobene Rechteckspannungen U2 und U3 auf.
Mit jeder dieser beiden Ausgangsspannungen U2 und U3 wird eine monostabile Schaltstufe
5 bzw. 6 angesteuert, an deren Ausgang Impulsspannungen U4 und U5 konstanter Amplitude
und konstanter Breite zur Verfügung stehen. Diese Impulse dienen zur raschen Entladung
des Speicherkondensators il der Spitzenspannungsspeicher 1 und 2.
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Die Entladung der Speicherkondensatoren 11 kann über einen relaisgesteuerten
Kontakt, beispielsweise einen Reed-Relaiskontakt mit hohem Isolationswiderstand
und sehr kurzer Abfall- u. Ansprechzeit erfolgen. Bei der Schaltungsanordnung nach
Fig. 2 steuert hingegen ein Feldeffekt-2ransistor 12 die Entladung des Speicherkondensators
11. Dieser besitzt m gesperrten Zustand einen sehr hohen Widerstand zwischen der
Saug- u. Quellenelektrode. Im leitenden Zustand hingegen, also bei Anlegen der Impulsspannung
U4 bzw U5 an die Torelektrode des Feldeffekt-Transistors 12, besitzt der Widerstand
zwischen der Quellen- u. der Auffangelektrode einen sehr kleinen Wert.
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Der Kondensator 11 wird daher sehr rasch entladen.
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Die Ausgänge der beiden Spitzenspannungsspeicher 1,2 sind mit den
Eingängen einer Umschalt- u. Summiereinrichtung 7 verbunden, deren Aufgabe darin
besteht, die Ausgänge der beiden Speicher 1 und 2 alternierend mit dem gemeinsamen
Ausgang der Schaltungsanordnung zu verbinden. Dabei ist zu.beachten, daß zu dem
Zeitpunkt, in dem der Spitzenspannungsspeicher 1 auf den Ausgang geschaltet ist,
der andere Spitzenspannungsspeicher 2 vollkommen gesperrt sein muß. Dies kann entweder
durch Verwendung von Relais erfolgen, oder besser durch die
aus
Fig. 2 ersichtliche Schaltungsanordnung. Bei dieser sind an den beiden Eingängen
der Umschalt- u. Summiereinrichtung 7 jeweils zwei in Serie geschaltete Widerstände
16, 17 bzwO 20 21 vorgesehen, zwischen denen je ein mit dem zugehörigen Ausgang
der bistabilen Schaltstufe 4 verbundener- Feld effekt-Transistor 18 bzw. 25 angeschlossen
ist. Die Widerstände 17, 21 sind ausgangsseitit miteinander verbunden und an den
Eingang eines nachgeschaltet, über einen Widerstand 22 gegenkoppelten Summierverstärker
19 angeschlossen. Die Torelektroden der Feldeffekt-Transistoren 18 bzw. 23 sind
je mit einem Ausgang der bistabilen Schaltetufe 4 verbunden.
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Das Verhältnis der in Serie liegenden Widerstände 16, 17 bzw.
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20, 21 zum Gegenkopplungswiderstand 22 bestimmt die Ausgangsgröße
am Summierverstärker 19. Wie aus dem Impulsplan Fig. 3 ersichtlich, wird wechselweise
der Transistor 18 und 23 leitend und damit wechselweise entweder die Ausgangsspannung
U6 oder U7 der beiden Spitzenspannungsspeicher 1 und 2 an den Eingang des Summierverstärkers
19 geschaltet.
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Aus dem Impulsplan nach Fig. 3 sind die Spannungen an den Ausgängen
der einzelnen Schaltungsteile entsprechend den Bezeichnungen in Figo 1 und 2 ersichtlich.
Die Ausgangsspannung UA9 welche am Ausgang der Umschalt-u. Summiereinrichtung 7
auftritt, ist demnach eine abgestufte Gleichspannung, deren Größe gleich bzw. proportional
den Spitzenwerten UE1, UE2.... der Eingangs-Wechselspannung UE ist.