DE2136641C3 - Schaltungsanordnung zur Phasenverschiebung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gegenüber einer Wechselspannung frequenzunabhängig einstellbar phasenverschobenen Ausgangswechselspannung.

In der Meßtechnik werden vielfach Schaltungen benötigt, die eine Eingangswechselspannung um einen vorgegebenen Phasenwinkel verschieben. Dabei soll der Phasenwinkel zwischen der Ausgangs- und der Eingangswechselspannung unabhängig von der Frequenz konstant bleiben.

Für bestimmte Phasenwinkel, wie z. B. +90° oder —90°, lassen sich Netzwerke aus passiven Bauelementen aufbauen, die in einem bestimmten Frequenzbereich

κι die Forderung nach konstantem Phasenwinkel erfüllen. Für den Phasenwinkel —90° ist dies Netzwerk z. B. gegeben durch ein einfaches ÄC-Tiefpaßfilter, das genügend weit oberhalb seiner 3 dB-Grenzfrequenz betrieben wird. Ebenso kann mit einem einfachen

Ii Integrator ein Phasenwinkel von —90° realisiert werden. Allen diesen einfachen Schaltungen ist gemeinsam, daß die Amplitude der Ausgangswechselspannung sehr stark frequenzabhängig ist und damit die Auswertung erschwert Bei Veränderung der Frequenz im Arbeitsbereich um den Faktor 10 beträgt die Amplitudenänderung bei den 90"-Netzwerken ebenfalls einen Faktor 10.

Bekannt sind weiterhin Anordnungen, die aus zwei aktiven Netzwerken bestehen und bei denen die

2") Differenz der Phasenwinkel der beiden Ausgangswechselspannungen über einen vorgegebenen Frequenzbereich konstant gleich 90° bleibt. Durch die Tatsache jedoch, daß die Differenz der Winkel und nicht die Winkel selber konstant bleiben, ist diese Einrichtung für

to viele Anwendungen unbrauchbar. Außerdem ist der Aufwand bei größerem Frequenzbereichen relativ hoch und nur ein fester Winkel von 90° realisierbar.

Eine Möglichkeit zur frequenzunabhängigen Phasenverschiebung um beliebige Phasenwinkel im Bereich

π von 0° bis 360° ist die Benutzung eines Drehfeldtransformators. Werden dessen beiden feststehenden und um 90° mechanisch gegeneinander versetzten Wicklungen mit zwei um 90° elektrisch gegeneinander verschobenen Wechselspannungen U\ und 112 gespeist, so entsteht

•to in der Wicklung des feststehenden und um den Winkel φ mechanisch verdrehten Rotors eine Wechselspannung U}, die gegenüber einer der Eingangsspannungen um den Winkel φ verschoben ist. Voraussetzung für die Funktion ist dabei, daß die beiden feststehenden

ti Wicklungen mit zwei um 90° gegeneinander verschobenen Wechselspannungen mit gleichen Amplituden betrieben werden. Die Erzeugung einer um 90° verschobenen Wechselspannung mit konstanter Amplitude aus einer Eingangsspannung ist z. B. mit einem der

ι» oben angeführten 90°-Netzwerke möglich, wenn zusätzlich durch eine Regelschaltung dafür gesorgt wi'd, daß die Ausgangsamplitude mit der Eingangsamplitude übereinstimmt. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist der relativ große Aufwand. Hinzu

V) kommt, daß der Arbeitsbereich für die Frequenz, in dem ein Drehfeldtransformator noch vernachlässigbare Phasenfehler erzeugt, eingeschränkt ist.

Die genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen zur frequenzunabhängigen Phasenverschiebung

wi von Wechselspannungen werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß die Eingangswechselspannung eine Brückenanordnung speist, die in einem ersten Zweig einen Spannungsteiler enthält, der den Mittelpunkt der Wechselspannung am Eingang erzeugt, die in

hi einem zweiten Zweig einen komplexen Spannungsteiler aus der Serienschaltung einer Reaktanz und einem Wirkwiderstand enthält, von denen ein Element steuerbar ist, und die in einem dritten Zweig einen

einstellbaren Spannungsteiler enthält, dessen Ausgangsspannung mit der Spannung am Eingang in Phase liegt, und daß eine Regelschaltung die Phasenlage der Spannung zwischen dem einstellbaren Spannungsteiler und dem Teilerpunkt des steuerbaren Spannungsteilers mit der Phasenlage der Spannung am Eingang vergleicht und aus dem Diffsrenzsignal eine Stellgröße ableitet, die das steuerbare Element des steuerbaren Spannungsteilers so beeinflußt, daß sich ein Phasenwinkel von 90° zwischen den verglichenen Spannungen einstellt, und daß die Spannung zwischen dem Mittelpunkt der Spannung am Eingang und dem Teilerpunkt des steuerbaren Spannungsteilers die Ausgangswechselspannung ist, deren Phasenverschiebung gegenüber der Wechselspannung am Eingang durch die Einstellung des einstellbaren Spannungsteilers bestimmt ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F Ί g. 1 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer phasenverschobenen Spannung,

F i g. 2 ein dazu gehörendes Zeigerdiagramm.

In Fig. 1 speist die Wechselspannung P-O am Eingang eine Brückenanordnung mit drei Zweigen. Der erste Zweig besteht aus der Reihenschaltung von zwei gleich großen ohmschen Widerständen R_x und /?2, die den Mittelpunkt M der Wechselspannung am Eingang erzeugen. Im zweiten Zweig wird mittels eines einstellbaren ohmschen Widerstandes ER einü Spannungsteilung der Spannung am Eingang vorgenommen, deren Ergebnis der Teilerpunkt K ist. Das Teilerverhältnis k gibt das Verhältnis der beiden Spannungen K-O und P-O vor:

k =

K-O P-O

0 < k < 1

(D

Der dritte Zweig enthält einen weiteren Spannungsteiler aus einem steuerbaren ohmschen Widerstand SR und einer Reaktanz, in diesem Fall einer Kapazität C. Bei Veränderung des Wertes des steuerbaren Widerstandes SR bewegt sich in F i g. 2 der Teilerpunkt T in einer komplexen Ebene auf einem Thaieskreis über dem Zeiger der Eingangsspannung P-O. Die Spannung zwischen den beiden Teilerpunkten K und Γ wird nun einem Übersteuerungsverstärker K\ zugeführt, dessen Ausgangssignal ein Eingangssignal der Phasenvergleichs- und Regelschaltung PR darstellt, die z. B. aus einem phasenempfindlichen Gleichrichter und einem Regler mit Proportional- und Integralanteil besteht. Das zweite Eingangssig* .1 für diese Schaltung PR wird aus der Eingangsspannung P-O durch Übersteuerung und Begrenzen mittels Ki erzeugt. In der Pnasenvergleichs- und Regelschaltung PR wird die Phasenlage der beiden rechteckförmigen Spannungsverläufe miteinander verglichen und aus dem Ergebnis dieses Vergleichs ein Stellsignal gewonnen, das den steuerbaren Wide-stand SR so verändert, daß die beiden Eingangsspannungen eine Phasenverschiebung von 90° gegeneinander aufweisen. Die Ausgangsspannung Q-O ergibt sich aus der Differenz der beiden Spannungen M-O mit T-O mittels eines Differenzverstärkers DV.

Die Wirkungsweise der in Fig.! dargestellter, Schaltung wird anhand eines Zeigerdiagramms in F i g. 2 näher beschrieben, Der Zeiger P-O stellt die Eingangsspannung der Einrichtung mit dem Mittelpunkt Mund dem Teilerpunkt K dar. Der Teilerpunkt Tbewegt sich auf dem zugehörigen Thaieskreis, wenn sich die Frequenz der Eingangsspannung oder der Wert des steuerbaren Widerstandes SR ändert. Die Phasenlage zwischen den Zeigern P-O und K-T wird durch eine entsprechende Einstellung des steuerbaren Widerstandes SR mittels der Phasenvergleichs- und Regelschaltung PR konstant auf 90° gehalten. Der Phasenwinkel Φ zwischen den Zeigern P-O und T-M bzw. Q-O ist eine Funktion des eingestellten Teilerfaktors k:

Φ = arc cos (2Jt — 1) O < k < 1 (2)

Aus F i g. 2 und aus der Bedingung für k nach den Gleichungen (1) bzw. (2) ist ersichtlich, daß sich jeder beliebige Winkel im Bereich 0° und -180° einstellen läßt.

Eine Phasenverschiebung im Be^r·. ,oh von 0° bis + 180" läßt sich erreichen entweder durch eine Phasendrehung der Ausgangsspannung um 180° mittels eines Umkehrverstärkers oder dadurch, daß im steuerbaren Spannungsteiler in Fig. 1 die Lage der Reaktanz C und des steuerbaren Widerstandes SR gegeneinander vertauscht wird. Im letzteren Fall müßte gleichzeitig der Regelsinn entsprechend geändert werden und es würde sich ein Zeigerdiagramm ergeben, das dem nach F i g. 2 entspricht, wenn es an dem Zeiger P-O gespiegelt würde. Eine weitere Möglichkeit ist das Vertat sehen der Anschlüsse des Differenzverstärkers DV

Der Arbeitsbereich der Frequenz, in dem die Schaltung nach F i g. 1 eine Phasenverschiebung Φ entsprechend der Einstellung des Teilerverhältnisses k bewirkt, wird bestimmt durch die Güte der passiven Bauelemente und die Eigenschaften der verwendeten Verstärker und kann ohne erheblichen Auf-vand -echt groß sein, z. B. in einer ausgeführten Schaltung von 50 Hz bis 50 kHz.

Ei.ι Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist noch darin zu sehen, daß die Amplitude der Ausgangsspannung ohne zusätzliche Maßnahmen in einem festen Verhältnis von 1 :2 zur Amplitude der Eingangsspannung steht und dadurch, daii die Verstärkung des Differenzverstärkers DV in Fig. 1 zu 2 gewählt wird, gleich der Amplitude der Eingangsspannung gemacht werden kann.

Wird statt des einstellbaren Spannungsteilers ER nach Fig. 1 ein spannungssteuerbarer reeller Spannungsteiler eingesetzt, z. B. ein elektronischer Multiplizierbaustein, so ergibt sich eine Anordnung, die es gestattet, den Phasenwinkel über eine Spannung zu steuern.

Eine weitere Möglichkeit zur Anwendung der beschriebenen Schaltungsanordnung besteht darin, eine Anzahl dieser Anordnungen mit jeweils unterschiedlicher Phasenwinkeleinstellung gleichzeitig zu benutzen und auf diese Weist, ein n-phasiges symmetrisches oder unsymmetrisches in der Phasenverschiebung frequenzunabhängiges Spannungssystem aus einer frequ^nzvariablen Eingangsspannung zu erzeugen. Wrd ein Netz mit geradzahliger Phasenzahl η und symmetrischem

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mäßen Einrichtungen benötigt.

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Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer gegenüber einer Wechselspannung frequenzunabhängig einstellbar phasenverschobenen Ausgangswechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung (P-O)e\ne Brückenanordnung speist, die in einem ersten Zweig einen Spannungsteiler (R\, Ri) enthält, der den Mittelpunkt (M) der Wechselspannung (P-O) erzeugt, die in einem zweiten Zweig einen komplexen Spannungsteiler aus der Serienschaltung einer Reaktanz (C) und einem Wirkwiderstand (SR) enthält, von denen ein Element (SR) steuerbar ist, und die in einem dritten Zweig einen einstellbaren Spannungsteiler (ER) enthält, dessen Ausgangsspannung (K-O) mit der Wechselspannung (P-O) in Phase liegt, und daß eine Regelschaltung (PR) die Phasenlage der Spannung (K-T) zwischen dem einstellbaren Spannungsteiler (ER) und dem Teiierpunkt (T) des steuerbaren Spannungsteilers (C, SR) mit der Phasenlage der Wechselspannung (P-O) vergleicht und aus dem Differenzsignal eine Stellgröße ableitet, die das steuerbare Element (SR) des steuerbaren Spannungsteilers so beeinflußt, daß sich ein Phasenwinkel von 90° zwischen den verglichenen Spannungen (P-O, K-T) einstellt, und daß die Spannung zwischen dem Mittelpunkt (M) der Wechselspannung (P-O) und dem Teilerpunkt /T)des steuerbaren Spannungsteilers (C, SR)die Ausgangswechselspannung (Q-Q) ist, deren Phasenverschiebung (Φ) gegenüber der Wechselspannung (P-O) am Eingang durch die Einstellung (k) aes einstellbaren Spannungsteilers (£/ybestimmt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einstellbare Spannungsteiler (ER) ein spannungssteuerbarer Spannungsteiler ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Spannungsteiler (C, SR) aus einer Serienschaltung eines steuerbaren ohmschen Widerstandes und einer Reaktanz besteht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Spannungsteiler (C, SR) aus einer Serienschaltung einer steuerbaren Reaktanz und eines ohmschen Widerstandes besteht.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (PR)aus einem phasenempfindlichen Gleichrichter und einem Regler mit Proportional- und Integralanteil besteht.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß η auf verschiedene Phasenwinkel eingestellte Anordnungen gleichzeitig an eine Wechselspannung angeschlossen sind und daß die Ausgänge der Anordnungen ein n-phasiges Spannungssystem bilden.