DE2153191C3 - Phasenabhängiger Gleichrichter mit einer Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

4. Gleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (SW) aus einem elektronischen Schalter, insbesondere einem FET-Transistor, besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf einen phasenabhängigen Gleichrichter mit einer Schaltvorrichtung, die von einer Bezugsspannung fester Phase im Takt der gleichzurichtenden Eingangswechselspannung variabler Phase ein- und ausgeschaltet wird, insbesondere zur Verwendung als Signalvergleicher in selbsttätigen Steuereinrichtungen. Ein solcher Gleichrichter ist z. B. im Archiv für Elektrotechnik, Bd. XXXV (1941), H. 9, S. 533 bis 538, insbesondere S. 536, Bild 14, in Verbindung mit dem Text auf S. 535, 3. Abs. ff., beschrieben.

Solche phasenabhängige Gleichrichter werden z. B. als Signalverstärker in selbsttätigen Steuereinrich-

tungen und Regelungen, insbesondere zur Diskrimination von Eingangssignalen mit sehr schlechtem Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) verwendet. Bei Reglern kann der Vergleicher z. B. mit einem Servomotor kombiniert werden, wobei er dessen Drehmoment

is steuert und dessen Drehrichtung umkehrt. Um die Nachteile zu vermeiden, die mit den früher verwendeten mechanischen Schaiteinrichtungen verbunden waren, hat man sehr bald kontaktlos arbeitende Diodenbrücken verwendet, wie sie z. B. in der Zeitschrift »Electronics«, Februar 1954, auf S. 188 bis )90. gezeigt sind. Eine solche Schaltungsanordnung ist in F i g. 1 dargestellt. Bei diesem bekannten phasenabhängigen Gleichrichter müssen die Dioden D_x bis D₄ einander angepaßt sein, und die Schaltung muß durch

einen variablen Widerstand KR justiert werden. Da Transformatoren T₁ und T₂ verwendet werden, werden die Eigenschaften des Gleichrichters bei hohen und tiefen Frequenzen verringert und verschlechtert, überdies ist wegen der Nichtlinearität der Dioden D₁ bis D₄

und der Sättigung der Transformatorenkerne eine erwünschte Linearität zwischen Eingangs- und Ausgangssignal nicht erhältlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuen und verbesserten phasenabhängigen Gleichrichter zu schaffen, der eine ausgezeichnete Linearität und dieselben Eigenschaften über seine gesamte Bandbreite von den niederen bis zu den hohen Frequenzen aufweist und der keine Justierung benötigt.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleichrichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Verstärkervorrichtung gelöst, die durch eine Verstärkervorrichtung, die eine Brückenschaltung mit vier Widerständen und einen Operationsverstärker mit einem positiven und einem negativen Eingangs- und einem Ausgangsanschluß umfaßt, bei der ein Pol ihres Signaleingangs mit einem Pol ihres Signalausgangs verbunden ist, der erste Widerstand zwischen dem negativen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers, der zweite Widerstand zwischen den positiven Operationsverstärkereingang und die Verbindung zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang, der dritte Widerstand zwischen dem positiven Operationsverstärkereingang und dem nicht mit dem Signalausgang verbundenen Pol des Signaleingangs, der vierte Widerstand zwischen dem letzteren Pol und dem negativen Operationsverstärkereingang geschaltet und der Operationsverstärkerausgang mit dem nicht mit dem Signaleingang verbundenen Pol ihres Signalausgangs zusammengeschaltet ist, und bei

fo der in einem Zweig der Brückenschaltung die Schaltvorrichtung derart angeordnet ist, daß die Verstärkung der Verstärkervorrichtung in Abhängigkeit von der Offen- und der Geschlossenstellung der Schaltvorrichtung (SW) zwischen einem negativen und

f>5 einem positiven Wert schaltbar ist.

Die Verslärkervorrichtung ist an sich bekannt aus der Zeitschrift »Elektronik« (1966), S. 231/232. »Arbeitsblatt Nr. 6«, Schaltung 2. Ihr Schaltbild ist in

2 dargestellt. Bei Anlegen einer Wechselspannung der beim Stand der Technik als Brücken^

wobei

π =

U-'-'J

stromverstärker arbeitenden Verstärkeranordnung
und Einfiigen der Schakvorrichtung in einen geeigne"-ten Brückenzweig arbeitet die bekannte Schaltung als
nhasenabhängiger Gleichrichter. Da die Brücke" extrem linear arbeitet, ist ein einwandfreies lineares
Verhalten des Gleichrichters gewährleistet. Bei Verwendune eines elektronischen Schalters, z. B. eines In F i g. 3 ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung

FET-Transistors. vereinigt die Erfindung die Voneile io gezeigt. Ein Widerstand R₆ ist reit einem bewegter kontaktlosen Gleichrichter mit dem extrem line- liehen Kontakt einer Schaltvorrichtung SW in einem aren Übertragungsverhalten des bek?nnten Brücken- Verbindungspunkt P₁' verbunden, während er mit Stromverstärkers. seinem anderen Ende in einem Verbindungspunkt P₃

■■--<=■ ' ■ mit einem Widerstand R₁ verbunden ist, dessen ande-

Im folgenden soll die Erfindung an einem Ausfuhrungsbeispiel _an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines bekannten kontaktlos arbeitenden phasenabhängigen Gleichrichters,

Fig. 2 ein Schaltbild des bekannten Brückenstromverstärkers,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild der vorliegenden Erfindung,

F i g. 4 ein Prinzipschaltbild mit einer kontaktlosen Schallvorrichtung,

pig. 5 die Form der Eingangs- und Ausgangssienale und der Bezugsspannung der in F i g. 4 gezeigte" Schaltung,

Fig. 6 ein ausführliches Schaltbild eines erfindunesgemäßen Ausführungsbeispiels, dessen größerer Teilin F i g. 4 gezeigt ist,

F i g. 7 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit Eingangs- und Ausgangssignal der in Fig. 6 gezeigten Schaltung und

F i g· 8 verschiedene Halbleiter-Schalteranordnungen für die Schaltvorrichtung.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindune wird eine kurze Bezugnahme auf den Stand der Technik hilfreich sein. Deshalb sei zunächst der in Fig "> "czeigte Brückenstromverstärker betrachtet.

bei dem ein Widerstand R₁ in einem Verbindungs- 4° Eingangssignal an dem negativen punkt P₁ mit einem variablen Widerstand R₃ und in Operationsverstärkers OP₂, so daß der W^ J^ einem Verbindungspunkt P₂ mit einem Widerstand Widerstandes R₄ als unendlich betrachtet we. den

ι ^ res Ende geerdet ist. Ein positiver Eingang (+) eines Operationsverstärkers OP^ ist mit dem Verbindungspunkt P₃ verbunden. Ein Widerstand R₄ ist auf einer Seite mit dem festen Kontakt der Schaltvorrichtung SW. auf der anderen Seite in einem Verbindungs-

punkt P; mit einem Widerstand R₅ verbunden. Der negative "Einsang (-) des Operationsverstärkers OP₂ ist*~mit dem Verbindungspunkt P'₂, der Ausgang des Operationsverstärkers OP₂ mit dem anderen Ende des Widerstands R₅ verbunden. Das Eingangssignal V,

wird zwischen dem Verbindungspunkt P₁' und Masse zugeführt, das Ausgangssignal V₀ wird zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OT₂ und Masse abgenommen.

fst die Schaltvorrichtung SW geschlossen, ist das Ausgangssignal K₀ gegeben durch

V₁.

(3)

wobei hi = V und η = -^-

ist.

Ist die Schaltvorrichtung SW geöffnet, liegt kein

verbunden ist" Ein Gleit- oder Schleifann des _{kann Fo},_{gHch ist} „ ₌ «s. _{= 0} und

V₀ =

variablen Widerstands R₃ ist mit einem positiven Eingang ( + ) eines Operationsverstärkers 0P_] ver- 4,s bunden, das andere Ende des variablen Widerstands R₃ ist geerdet. Der negative Eingang ( —) des Operationsverstärkers OP_x ist mit dem Verbindungspunkt P₂, der Ausgang des Operationsverstärkers mit dem anderen Ende des Widerstands R₂ verbunden. Das so Eingangssignal V₁ wird zwischen Verbindungspunkt P₁ und Masse zugeführt. Das Ausgangssignal V₀ wird _{sQ wjrd Gldch (3) zu} zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OP, und Masse abgenommen. Ist der Widerstand zwischen dem positiven Eingang (+) des Operationsverstärkers OP_x und der Masse » R₃ und der Widerstand zwischen dem positiven Eingang ( + ) des Operationsverstärkers OPi und dem Verbindungspunkt P₁ (1 - o) R₃, wie in F i g. 2 gezeigt, so ist das Ausgangssignal K₀ gegeben durch

Ist die Schaltvorrichtung SW geschlossen und

H =

V_n = -

Hl

Hl + 1

R R

Wenn -~ = 2 >n und -=¹- = »« ist, so ergeben sich in

Κ» κ*

Abhängigkeit davon, ob die Schaltvorrichtung SW offen oder geschlossen ist, folgende Ausgangssignale:

R,

V₁.

(D

geschloss
SW geschlossen: K₀ =

(H + I

In einer einfacheren Form:

Κ, = ^m~ " ν-

(2)

.SH offen:

m +

V₁

Der erfindungsgemäße Synchrongleichlichter basiert somit auf einer Schaltung, die einen Schalter oder Halbleiterschalter aufweist und Gleichung (6) erfüllt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf F i g. 4 ausführlich beschrieben. Drain D oder Source S eines Feldeffekttransistors FET ist mit einem Widerstand R^ in einem Verbindungspunkt P[' verbunden, dessen anderes Ende in einem Verbindungspunkt P₃ mit einem Widerstand R-, verbunden ist. Das andere Ende des Widerstands R'₇ ist geerdet. Der positive Eingang (+) eines Operationsverstärkers P₃ ist mit dem Verbindungspunkt P₃ verbunden. Source S oder Drain D des Feldeffekttransistors FET ist mit einem Widerstand Ri verbunden, dessen anderes Ende in einem Verbindungspunkt P'i mit einem Widerstand R, verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers ΟΡ$ ist mit dem anderen Ende des Widerstands R'₅, der negative Eingang (-) des Operationsverstärkers 0P_z ist mit dem Verbindungspunkt P'₂ verbunden. Eine Bezugsspannung E_R wird der Steuerelektrode G des Feldeffekttransistors FET zugeführt, und das Eingangssignal K₁ wird zwischen dem Verbindungspunkt PJ' und Masse zugeführt, wogegen das Ausgangssignal F₀ zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers OP₃ und Masse abgenommen wird.

Wenn eine Bezugsspannung E„ anliegt und ein Eingangssignal, das mit ihr in Phase ist (siehe F i g. 5), ist der Feldeffekttransistor FET während des

ersten Halbzyklus 0 — y eingeschaltet, so daß der

Operationsverstärker 0P$ das Eingangssignal K₁ mit negativer Polarität (—) verstärkt. Als Folge davon ist die Phase des Ausgangssignals K₀ der des Eingangssignals K₁- entgegengesetzt. Während des zweiten

Halbzyklus

α -

ist der Feldeffekttransistor

FET ausgeschaltet, so daß der Operationsverstärker OP₃ das Eingangssignal K, mit positiver Polarität verstärkt. Als Folge davon ist das Ausgangssignal K₀ mit dem Eingangssignal K,- in Phase. Somit tritt das in

ίο F i g. 5 dargestellte Ausgangssignal K₀ auf.

1st das Eingangssignal andererseits bezüglich der Bezugsspannung phasenungleich, wie in F i g. 5 unter K₁- gezeigt, tritt das als K₀ gezeigte Ausgangssignal auf. Wenn das Eingangssignal bezüglich der Bezugsspannung um 90° phasenverschoben ist, wie unter V" dargestellt, tritt das unter K₀' dargestellte Ausgangssignal auf. In diesem Fall wird der Mittelwert des Ausgangssignals Null.

In Fig. 7 ist das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangssignal des in Fig. 4 dargestellten Synchrongleichrichters gezeigt, und man kann sehen, daß der Gleichrichter eine ausgezeichnete Linearität aufweist.

Um die Bezugsspannung E_R zu erhalten, wird eine Diode D₅ parallel zu einem Widerstand R₈ geschaltet, wie in F i g. 6 gezeigt. Die Kathode der Diode5 ist mit der Steuerelektrode G des Feldeffekttransistors FET, die Anode ist mit der negativen Spannungsquelle — E verbunden. Ein Kondensator C, über den das Referenzsignal zugeführt wird, ist mit der Steuerelektrode G verbunden.

An Stelle des in F i g. 4 gezeigten Schaltelement! FET können die in Fig. 8 gezeigten FET-Schalterelemente verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Phasenabhängiger Gleichrichter mit einer Schaltvorrichtung, die von einer Bezugsspannung fester Phase im Takt der gleichzurichtenden Eingangswechselspannung variabler Phase ein- und ausgeschaltet wird, insbesondere zur Verwendung als Signalvergleicher in selbsttätigen Steuereinrichtungen, gekennzeichnet durch eine Verstärkervorrichtung (OP, R₄, R₅, R₆, R₇), die eine Brückenschaltung mit vier Widerständen (R₄, R₅, R₆, R₇) und einen Operationsverstärker (OP) mit einem positiven und einem negativen Eingangs- und einem Ausgangsanschluß umfaßt, bei der ein Pol ihres Signaleingangs mit einem Pol ihres Signalausgangs verbunden ist, der erste Widerstand (R₅) zwischen den negativen Eingang (P₂) und den Ausgang des Operationsverstärkers, der zweite Widerstand (R₇) zwischen den positiven Operationsverstärkereingang und die Verbindung zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang, der dritte Widerstand (R₆) zwischen den positiven Operationsverstärkereingang (P₃) und den nicht mit dem Signalausgang verbundenen Pol des Signaleingangs (P₁), der vierte Widerstand (R₄) zwischen den letzteren Pol (P₁) und den negativen Operationsverstärkereingang (P₂) geschaltet und der Operationsverstärkerausgang mit den nicht mit dem Signaleingang verbundenen Pol ihres Signalausgangs zusammengeschaltet ist, und bei der in einem Zweig (P₁ - P₂) der Brückenschaltung (R₄, R₅, R₆, R₇) die Schaltvorrichtung (SW) derart angeordnet ist, daß die Verstärkung der Verstärkervorrichtung (OP, R₄, R₅, R₆, R₇) in Abhängigkeit von der Offen- und der Geschlossenstellung der Schaltvorrichtung (SW) zwischen einem negativen und einem positiven Wert schaltbar ist.

2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schaltvorrichtung (SW) in Reihenschaltung mit dem vierten Widerstand (R₄) befindet und zwischen diesem und dem nicht mit dem Signalausgang verbundenen Pol des Signaleingangs der Verstärkervorrichtung (P,) angeordnet ist.

3. Gleichrichter nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verhältnis erster Widerstand (R₅) zu viertem Widerstand (R₄) zum Verhältnis zweiter Widerstand (R₇) zu drittem Widerstand (R₆) wie 2:1 verhält