DE2347030A1 - Phasenschieberschaltung mit spannungskompensation - Google Patents

Description

Phasenschieberschaltung mit Spannungskompensation

Die Erfindung betrifft eine Phasenschieberschaltung mit Spannungskompensation .

In vielen Anwendungsfällen ist es erwünscht, daß man ein Signal erzeugen kann, das eine Punktion einer genauen Phasenverschiebung bezüglich eines eingangsseitigen Wechselstromsignals darstellt. Beispielsweise ist es in mit Thyristoren gesteuerten Schaltungsanordnungen bekannt, daß die effektive Ausgangsspannung eine Punktion des Zeitpunktes oder mit anderen Worten der Phasenlage in dem eingangsseitigen Wechselstromsignal ist, bei dem der Thyristor eingeschaltet oder zum Stromdurchlaß veranlaßt wird. Bei dieser Art Anwendungsfall wird normalerweise irgendeine Einrichtung vorgesehen, welche ein Einschaltsignal oder Gattersignal (gating signal) für den Thyristor bei einer bestimmten Anzahl von elek-

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trischen Graden oder einer bestimmten Phasenverschiebung nach dem Nulldurchgang der eingangsseitigen Wechselspannung liefert. Obwohl zahlreiche Schaltungsanordnungen angegeben worden sind, um die Phasenverschiebung zu erhalten, besteht die häufigste Anordnung möglicherweise in einem Reaktanz-Widerstandsnetzwerk, welches entweder fest oder einstellbar sein kann. Solche¹Netzwerke sind für die meisten Zwecke ausreichend. In bestimmten Fällen wird es jedoch sehr erwünscht, ein phasenverschobenes Gattersignal zu erzeugen, welches äußerst genau ist. Es ist jedoch bekannt, daß die Reaktanz-Widerstands-Netzwerke besonders anfällig sind für geringe Änderungen der Eingangsspannung und Eingangsfrequenz, so-daß hierdurch ein bedeutungsvoller Fehler oder Abweichung eingeführt werden kann.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Phasenschieber-Netzwerke oder Phasenschieber-Schaltungen mit Kompensation zu schaffen.

Es ist weiterhin eine Aufgabe, Phasenschieber-Netzwerke zu schaffen, welche ein aufeinander angepaßtes Transistorpaar anwenden, um Ströme zu vergleichen, die proportional zum Mittelwert und zum Momentanwert der Eingangsspannung sind.

Es ist weiterhin eine Aufgabe, spannungskompensierte Phasenschiebernetzwerke zu schaffen, die leicht einrichtbar sind zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer erwünschten Phasenverschiebung.

Diese und weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Paar Transistoren vorgesehen werden, welche im wesentlichen identische elektrische Eigenschaften besitzen. Vorzugsweise, werden die Transistoren auf einem einzigen monolithischen Substrat hergestellt, beispielsweise dadurch, daß sie Teil einer integrierten Schaltung sind. Die Basen der beiden Transistoren werden miteinander verbunden und es wird den beiden Basen eine gemeinsame

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Spannung zugeführt. In der Kollektor-Emitterstrecke eines ersten Transistors ist ein Strom vorhanden, welcher proportional dem Mittelwert der Eingangsspannung für eine Halbperiode ist. In der Kollektor-Emitterstrecke des zweiten Transistors ist ein Strom vorhanden, der proportional dem Momentanwert der Eingangsspannung ist. Der Kollektor und die Basis des ersten Transistors werden in einer Rückkopplungsanordnung miteinander verknüpft, welche bewirkt, daß der Gesamtstrom zu diesem Transistor zwischen der Basis und dem Kollektor gemäß dem Stromverstarkungsgrad des Transistors aufgeteilt wird. Wenn der Strom in der Kollektor-Emitterstrecke des zweiten Transistors geringer ist als im ersten Transistor, dann ist der zweite Transistor im Sättigungsbereich. In seiner Kollektor-Emitterstrecke kann dann die volle Stromstärke fließen und es ist praktisch keine Spannungsdifferenz am Kollektor bezüglich des Emitters vorhanden. Wenn der Strom in der Kollektor-Emitterstrecke des zweiten Transistors die Stromstärke des ersten Transistors übersteigt, wird der zweite Transistor aus dem Sättigungsbereich herausgetrieben und es erscheint am Kollektor eine Spannung bezüglich des Emitters. Diese Spannung dient als Anzeige der erwünschten Phasenverschiebung. In einem oder beiden Kollektor-Emitterkreisen der beiden Transistoren können Einstelleinrichtungen vorgesehen werden, so daß die Größe der von dem Ausgangssignal angezeigten Phasenverschiebung verändert werden kann.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich im Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Abbildungen.

Pig. 1 ist eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenschieber-Netzwerkes.

Fig. 2 zeigt Wellenformen zur Verdeutlichung der Arbeitsweise dieser AusfUhrungsform.

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Pig. 1 zeigt eine Wechselstromleistungsquelle 10. über diese ist die Primärwicklung 12 eines Transformators 14 geschaltet. Der Transformator 14 ist mit einer Sekundärwicklung 16 ausgestattet, welche zur Herstellung einer Masseleitung 18 einen Mittelabgriff besitzt. Ein erstes Diodenpaar 20 und 22 und ein zweites Diodenpaar 24 und 26 sind jeweils über die mit Mittelabgriff ausgestattete Sekundärwicklung 16 des Transformators 14 geschaltet, um in an sich bekannter Weise eine Vollweggleichrichtung der eingangssei tigen Wechselspannung zu erhalten. Der Ausgang des ersten Paares der Dioden 20 und 22 wird als Eingang einem geeigneten Filternetzwerk zugeführt. Dieses ist in der Abbildung gezeigt in Form eines Widerstandes 28 in Reihe mit der Parallelkombination eines Kondensators 30 und eines zweiten Widerstandes 32. Das Ausgangssignal des Pilternetzwerkes bei 34 in Pig. 1 ist dann ein Gleichstromsignal und ist proportional dem Mittelwert des Wechselstromeinganges nach der Vollweggleichrichtung. Dieses Gleichstromsignal wird über einen Leiter 36 einem Widerstand 38 zugeführt. In der bevorzugten Ausführungsform wird dieser Widerstand aus noch zu erläuternden Gründen variabel ausgestaltet, so daß durch den Widerstand 38 ein Strom I₁ fließt, der proportional ist dem Mittelwert der eingangsseitigen Wechselspannung. Das freie Ende des Widerstandes 38 ist mit dem Kollektor eines ersten Transistors 40 verbunden, mit dessen Emitter die gemeinsame Sammelleitung oder Masseleitung 18 verbunden ist. Die Basis des Transistors 40 ist mit Hilfe einer Leitung 42 mit dem Kollektor des Transistors in einer Rückkopplungsanordnung so verbunden, daß sich der Gesamtstrom zwischen der Basis und dem Kollektor gemäß der Stromverstärkung des Transistors aufteilt. Die Basis des Transistors 40 ist außerdem mit der Basis eines zweiten Transistors 44 so verbunden, daß beiden Transistorbasen eine gemeinsame Spannung zugeführt wird. Das Ausgangssignal der zweiten Gleichrichter- . .. dioden 24 und 26 für die Vollweggleichrichtung ergibt ein Signal auf einer Leitung 46, welches proportional dem Moeentanwert der Eingangsspannung 1st. Das Signal auf der Leitung H6 wird «Inta Widerstand 48 zugeführt, welcher in ähnlicher Welse wie der Vl* derstand 38 eineteilbar sein kann. Die OrOnde hierfür werden nooh

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später erläutert. Es fließt dann in dem Widerstand 48 ein Strom welcher solange proportional dem Moment<*awert des Signals auf der Leitung 46 ist, wie der Transistor 44 im Sättigungszustand verbleibt. Das freie Ende des Widerstandes 48 ist mit dem Kollek tor des Transistors 44 verbunden, dessen Emitter ebenfalls mit der Masseleitung 18 verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors 44 ist auch über eine Leitung 50 mit einem geeigneten Impulsgenerator verbunden, dessen ausgang bei 54 angedeutet ist. Der Impulsgenerator 52 kann irgendeine geeignete Form annehmen, und muß so gestaltet sein, daß er eine Änderung seiner Eingangsspannung erkennt und daraufhin einen Ausgangsimpuls liefert. In der bevorzugten AusfUhrungsform kann der Impulsgenerator 52 ein monostabiler Multivibrator oder Univibrator sein.

Wie bereits zuvor angedeutet, sollen die beiden Transistoren und 44 im wesentlichen identische elektrische Eigenschaften besitzen, so daß ihr Verhalten bei Änderungen der Spannung im wesentlichen identisch 1st und auch ihre Veränderungen bei Temperaturänderungen im wesentlichen Identisch sind und hierdurch die vollständige Genauigkeit aufrecht erhalten bleibt, welche die Schaltung durch ihren Aufbau besitzt. Vorzugsweise werden diese Transistoren auf einem einzigen monolithischen Substrat ausgebildet, beispielsweise dadurch, daß sie auf dem gleichen Plättchen einer Integrierten Schaltung hergestellt sind.

Ein besseres Verständnis der Erfindung und ihrer Arbeitsweise ergibt sich aus der Fig. 2 in Zusammenhang mit der Flg. 1. Aus den Abbildungen ist ersichtlich, daß bei Zuführung einer Wechsel spannung zum Transformator 14 durch den Widerstand 38 und in der Kollektor-Emitterschaltung des Transistors 40 ein Gleichstrom zu fließen beginnt, dessen Amplitude proportional dem Mittelwert der zugeführten Spannung ist. Der Strom I₁ ist in Fig. 2 mit einem bestimmten Stromstärkewert dargestellt und es ist zu

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beachten, daß die Stromstärke eine Punktion der zugeführten Spannung und des Wertes des Widerstandes 38 ist. Für die erste Halbperiode gemäß der Darstellung in Pig. 2 ergibt sich bei der Zuführung einer Spannung das Einsetzen eines Stromflusses der Stromstärke I₂ durch den Widerstand 48 und in der Kollektor-Emitterschaltung des Transistors 44. Solange die Stromstärke geringer ist als I₁ bleibt der Transistor 44 im Sättigungszustand und ermöglicht einen Kollektor-Emitterstrom, welcher direkt proportional dem Momentanwert der zugeführten Spannung ist. Die Spannung am Kollektor des Transistors 44, welche auf der Leitung 50 zum Impulsgenerator erscheint, beträgt im wesentlichen Null. Wenn jedoch die Stromstärke I₂ gleich dem Wert I₁ ist, wird der Transistor 44 aus der Sättigung herausgezogen und seine Stromstärke wird im wesentlichen konstant bleiben, obwohl sich die Spannung auf der Leitung 4 6, bezogen auf die Masseleitung l8_# erhöht. Wenn die Steigerung der Stromstärke durch den Transistor 44 aufhört, wird sich seine Kollektorspannung stufenweise (incrementally) um den gleichen Betrag wie die Spannung auf der Leitung 46 erhöhen. Diese ansteigende Kollektorspannung wird auf der Leitung 50 auf dem Eingang des Impulsgenerators 52 erscheinen und bewirkt, daß der Generator ein Ausgangssignal auf der Leitung 54 erzeugt. Der Punkt, an dem diese Erzeugung eines Ausgangssignals auftritt, 1st in der ersten Halbperiode gemäß Fig. 2 in dem Punkt A dargestellt. Dieser Punkt entspricht dem Schnitt des Gleichstroms I₁ und der unteren der beiden Sinuswellen, welche mit I₂ bezeichnet ist.

Die erste oder linke Halbperlode nach Fig. 2 veranschaulicht auch die Verwendung der beiden variablen Widerstände 48 und 38 gemäß Fig. 1. Der Punkt A gemäß Figur 2 entspricht einer bestimmten Phasenverschiebung oder Verschiebung bezüglich des Nulldurchgangs des eingangsseitigen Wechselstroms. Entsprechend der Abbildung in Figur 2 beträgt diese Verschiebung etwa 30°. Wenn eine Änderung dieser Phasenverschiebung erwünscht ist, können jeder der beiden Widerstände 48 und 38 oder auch beide Wider-

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stände geändert werden. Zur Veranschaulichüng sei angenommen, daß der Widerstand 48 auf einen kleineren Wert eingestellt wird und dadurch eine größere Stromstärke in der Kollektor-Emitterschaltung des Transistors 44 gemäß der mit X₂' ergibt. Wenn dann der Widerstand 38 in seiner ursprünglichen Einstellung belassen wird, steigt ersichtlich der Strom I₂ mit einer höheren Anstiegsgeschwindigkeit an, so daß er den Strom/an einem Punkt B schneidet. Dieser Punkt B liegt in einem früheren Zeitpunkt als der Punkt A und entspricht einer geringeren Verschiebung des Phasenwinkels. Alternativ hierzu bewirkt die Einstellung des Widerstandes 38 auf einen kleineren Wert eine größere Stromstärke im Transistor 40 gemäß der mit I₁ ¹ bezeichneten Kurve in der ersten Halbperiode nach Fig. 2. Unter Verwendung dieser größeren Stromstärke I₁ mit der ursprünglichen Stromstärke I₂ ist ersichtlich, daß der Schnittpunkt C auftritt, welcher eine größere Phasenverschiebung beinhaltet. Daher können einer oder beide Widerstände 38, 48 abgeändert werden zur Änderung der Phasenverschiebung und damit zur Änderung des Zeitpunktes der Auslösung oder Triggerung des Impulsgenerators 52.

In der zweiten Halbperiode nach Figur 2 ist der Gesichtspunkt der Spannungskompensation veranschaulicht. Aus dieser Halbperiode ist ersichtlich, daß ähnlich der vorstehenden Beschreibung der Schnittpunkt der beiden Ströme I₁. und I₂ in einem Punkt D liegt und dieser einer Phasenverschiebung von etwa 30° entspricht. Wenn sich jetzt die Eingangsspannung beispielsweise im Sinne einer Erhöhung ändern würde, würden beide Stromstärken in Folge ihrer Ableitung aus der gleichen Versorgungsspannung eine Neigung zu einem Ansteigen bis zu einem Punkt besitzen, welcher durch die beiden zusätzlichen Kurven I₂'¹ und *i^fl veranschaulicht ist. Da die gleiche Spannungsänderung beide Stromstärken beeinflußt, ist auch der Anstieg proportional und es ist ersichtlich, daß der Schnitt dieser beiden Kurven bei der gleichen Phasenverschiebung erfolgt, wie ursprünglich vorgesehen und durch den Punkt D auf der Kurve angezeigt·

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Vorstehend wurde daher eine spannungskompensierte Phasenschieber-Schaltung beschrieben, welche äußerst genau ist und Selbstkompensation besitzt bezüglich Änderungen der Eingangsspannung. Diese Schaltung ist relativ einfach und vorzugsweise können zwecks Temperaturkompensation ihre kritischen Komponenten in Form der beiden Transistoren auf dem gleichen monolithischen Substrat angebracht werden. Vorstehend wurde eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird jedoch leicht mögliche Abwandlungen erkennen. Beispielsweise wurden die beiden Widerstände 48 und 38 als einstellbare Widerstände dargestellt. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß diese Einstellungen auf verschiedenste Weise vorgenommen werden können einschließlich einer Handeinstellung und einer automatischen Steuerung der Werte irgendwelcher Einrichtungen der Schaltung. Weiterhin wurde vorstehend die Erfindung unter Verwendung von NPN-Transistoren beschrieben. Es ist jedoch ersichtlich, daß mit gleicher Brauchbarkeit PNP-Transistoren verwendet werden können unter Vornahme entsprechender Änderungen der Polarität der zugeführten Spannungen.

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Claims (10)

Patentansprüche

1.) Phasenschieberschaltung zur Festlegung einer vorgegebenen Phasenverschiebung bezüglich einer eingangsseitigen Wechselspannung, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) ein Paar Transistoren (²IO, 44) mit im wesentlichen identischen elektrischen Eigenschaften, wobei jeder Transistor eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor besitzt,

b) eine Einrichtung (42) zur Zuführung der gleichen Spannung zu den Basen jedes der beiden Transistoren (40, 44),

c) Einrichtungen (28, 30, 32) (38) zur Zuführung einer ersten Stromstärke proportional zum Mittelwert der positiven Halbperiode der Eingangsspannung zur Kollektor-Emitterschaltung eines ersten (40) der beiden Transistoren,

d) Einrichtungen zur Verbindung des Kollektors und der Basis des ersten Transistors (40) untereinander, und

e) Einrichtungen (48) zur Zuführung eines zweiten Stroms proportional zum Momentanwert der Eingangsspannung zur Kollektor-Emitterschaltung des anderen Transistors (44) zum Vergleich der Werte des ersten und zweiten Stroms und zur Erzeugung eines Ausgangssignals von der Kollektor-Emitterschaltung des anderen Transistors entsprechend der vorgegebenen Phasenverschiebung.

2. Phasenschieberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzei.chne t, daß sie weiterhin eine auf das Ausgangssignal ansprechende Impulserzeugereinrichtung (52) besitzt.

3. Phasenschieberschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Einrichtung (38, 48) zur selektiven Änderung der Amplitude für mindestens einen der beiden ersten und zweiten Ströme (I₁, I₂) besitzt.

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4. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung mindestens einen variablen Widerstand (38, 48) umfaßt.

5. Phasenschieberschaltung zur Festlegung einer vorgegebenen Phasenverschiebung bezüglich einer eingangsseitigen Wechselspannungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

a) einen Transformator (14) mit einer Primärwicklung (12), die mit der Spannungsquelle (10) verbunden ist, und einer Sekundärwicklung (16) mit Mittelabgriff,

b) eine Vollweggleichrichtereinrichtung (20, 22, 24, 26), welche mit der/Mittelabgriff versehenen Sekundärwicklung verbunden ist zur Erzeugung einer gleichgerichteten Spannung,

c) erste und zweite Transistoren (40, 44) mit im wesentlichen identischen elektrischen Eigenschaften, wobei Jeder der Transistoren eine Basis, einen Emitter und einen Kollektor besitzt,

d) eine Einrichtung zur gegenseitigen Verbindung der Basen des ersten und zweiten Transistors und damit zur Zuführung einer gemeinsamen Spannung zu diesen Basen,

e) eine Einrichtung zur Verbindung der Basis und des Kollektors des ersten Transistors,

f) eine erste Schaltungseinrichtung (28, 30, 32) zur Verbindung der Vollweggleichrichtereinrichtung (20, 22, 24, 26) und des ersten Transistors (40) zur Lieferung eines ersten Stroms (I₁) proportional zum Mittelwert der gleichgerichteten Spannung zu der Kollektor-Emitterschaltung des ersten Transistors, und

g) eine zweite Schaltungseinrichtung (46) zur Verbindung der Vollweggleichrichtereinrichtung mit dem zweiten Transistor (44) zur Lieferung eines zweiten Stroms (Ip) proportional zum Momentanwert der gleichgerichteten Spannung zu der Kollektor-Emitterschaltung des zweiten Traneistors (44)

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zum Vergleich der ersten und zweiten Stromstärken und zur Erzeugung eines Ausgangssignals, welches die vorgegebene Phasenverschiebung anzeigt.

6. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Impulsgeneratoreinrichtung (52) besitzt, welche auf das Ausgangssignal anspricht.

7. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine dieser ersten und zweiten Schaltungseinrichtungen zur Änderung der Amplitude der entsprechenden Stromstärke ausgestaltet sind.

8. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Schaltungseinrichtung Jeweils Einrichtungen (38, kB) zur Änderung der Amplitude der entsprechenden Stromstärke besitzen.

9. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungseinrichtung Filtereinrichtungen (28, 30, 32) enthält.

10. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzei ohne t, daß die Einrichtung zur Änderung der Stromstärke einen variablen Widerstand (38,48) umfaßt.

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