DE2347030C3 - Phasenschieberschaltung - Google Patents

Description

In vielen Anwendungsfäüen möchte man ein Signa¹ erzeugen, das eine Funktion einer genauen Phasenverschiebung bezüglich eines eingangsseitigen Wechselstromsignais darstellt. Beispielsweise ist es in thyristorgesteuerten Schaltungsanordnungen bekannt, daß die cffckti'.'s A"sg2"g£Ep2nnung ?ip·* Funktion des Zeitpunktes oder — mit anderen Worten — der Phasenlage in dem eingangsseitigen Wechselstromsignal ist, bei dem der Thyristor durchgeschaltet wird. Bei einem derartigen Anwendungsfall wird normalerweise irgendeine Einrichtung vorgesehen, weiche ein Steuersignal für den Thyristor bei einer bestimmten Anzahl von elektrischen Graden oder einer bestimmten Phasenverschiebung nach dem Nulldurchgang der eingangsseitigen Wechselspannung liefert. Es sind bereits zahlreiche Schaltungsanordnungen angegeben worden, um die Phasenverschiebung zu erhalten, wobei die wahrscheinlich häufigste Anordnung eine Reaktanz-Widerstandsschaltung ist, die entweder fest oder einstellbar ist. Solche Schaltungen sind zwar für die meisten Zwecke ausreichend. In bestimmten Fällen ist es jedoch sehr erwünscht, ein phasenverschobenes Gattersignal zu erzeugen, welches äußerst genau ist. Es ist aber weiterhin bekannt, daß die Reaktanz-Widerstandsschaltungen besonders anfällig sind für geringe Änderungen der Eingangsspannung und Eingangsfrequenz, so daß der dadurch verursachte Fehler sehr wesentlich sein kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sehr genau arbeitende Phasenschieberschaltung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Phasenschieberschaltung gelöst, die durch folgende an sich bekannte Merkmale gekennzeichnet ist:

a) einen Transformator mit einer in der Mitte angezapften Sekundärwicklung,

b) eine erste Vollweg-Gleichrichterschaltung, die der Sekundärwicklung parallel geschaltet ist und eine Filterschaltung umfaßt, die an ihrem Ausgang einen ersten Strom I_x liefert, der der mittleren gleichgerichteten Spsrnung proportional ist,

c) eine zweite Vollweg-Gleichrichterschaltung, die der ersten Gieichrichterschaltung parallel geschaltet ist und an ihrem Ausgang einen zweiten Strom /2 liefert, der dem Momentanwert der Eingangsspannung proportional ist,

d) zwei Transistoren mit im wesentlichen gleichen elektrischen Eigenschaften, an deren Basiselektroden die gleiche Spannung angelegt ist, wobei der erste Strom /1 dem Kollektor-Emitterkreis des ersten Transistors und der zweite Strom /₂ dem Kollektor-Emitterkreis des zweiten Transistors zugeführt ist, derart, daß die Ströme verglichen werden und ein Ausgangssignal entsteht, das eil. Maß für die Phasenverschiebung ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist wenigstens einer der Ströme durch wenigstens einen Widerstand selektiv variabel.

Weitere vorteilhafte Ausges?i!tungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen

insbesondere darin, daß die Phasenschieberschaltung einfach aufgebaut ist und Selbstkompensation bezüglich Änderungen in der Eingangsspannung besitz' und somit äußerst genau ist.

Da der Kollektor und die Basis des ersten Transistors in einer RückkopplungsanorJnung miteinander verknüpft sind, wird der Gesamtstrom zu diesem Transistor zwischen der Basis und dem Kollektor gemäß dem Stromverstärkungsgrad des Transistors aufgeteilt. 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 gewünschten Phasenverschiebung.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung der Schaltungsanordnung gemäß dem bevorzugten Ausfiihrungsbeispiel;

F'g. 2 zeigt eine Kurvendarstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung.

F i g. 1 zeigt eine Wechselspannungsquelle 10, die der Primärwicklung 12 eines Transformators 14 parallel geschaltet ist. Der Ti ansformator 14 ist mit einer Sekundärwicklung 16 ausgestattet, welche zur Herstellung einer gemeinsamen Leitung 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 de; eingangsseitigen Wechselspannung zu erhalten. Die Ausg?"^s^röße des ersten Paares der Dioden 20 und" ~*. »vird als Eingangsgröße einer Filterschalrung τ -eti.-trt. Diese ist in der Abbildung gezeigt in Forrr. eines ·. Verstandes 28 in Reihe mit einer Parallelschalr :' * eines Kondensators 30 und eii.es zweiten Widerst^..dts 32. Das Ausgangssignal des Filters bei _»* '.\ Fig. 1 ist dann ein Gleichstromsignal und proportional zum Mittelwert des gleichgerichteten Wechseleingangsstromes. Dieses Gleichstromsignal wird über einen Leiter 36 einem Widerstand 38 zugeführt. In der bevorzugten Ausführungsform ist dieser Widerstand aus noch zu erläuternden Gründen variabel, so daß durch den Widerstand 38 ein Strom /1 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 der gemeinsame Leiter 18 verbunden ist. Die Basis des Transistors 40 ist mit Hilfe einer Leitung 42 mit dem Kollektor des Transistors in einer Rückkopplungsan-Ordnung 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 g -meinsame Spannung zugeführt wird.

Das Ausgangssignal der zweiten Gleichrichterdioden 24 und 26 für die Vollweggleichrichtung ergibt ein Sig..a! auf einer Leitung 46, welches proportional dem Momentanwert der Eingangsspannung ist. Das Signal auf der Leitung 46 wird einem Widerstand 4" zugeführt, welcher in ähnlicher Weise wie der Widerstand 38 einstellbar sein kann. Die Gründe Hierfür werden noch erläutert. Es fließt dann ii dem Widerstand 48 ein Strom /2, welcher so lange proportional dem Momentanwert des Signals auf der Leitung 46 ist. wie der Transistor 44 im Sättigungszustand verbleibt. Das freie Ende des Widerstandes 48 ist mit dem Kollektor des Transistors 44 verbunden, dessen Emitter ebenfalls mit dem gemeinsamen Leiter 18 verbunden ist.

Der Koue^'ir Ηβς Transistors 44 ist auch über eine Leitung 50 mit einem geeigneten Impulsgenerator 52 verbunden, dessen Ausgang bei 54 angedeutet ist. Der Impulsgenerator 52 kann irgendeine geeignete Form haben und muß so gestaltet sein, daß er eine Änderung seiner Eingangsspannung erkennt und da.aufhin einen Ausgangsimpuls liefert. In der bevorzugten Ausführungsform kann der Impulsgenerator 52 ein monostabiler Multivibrator oder Univibrator ein.

Wie bereits zuvor angedeutet, sollen die beiden Transistoren 40 und 44 im wesentlichen identische elektrische Eigenschaften besitzen, so daß ihr Verhilten bei Änderungen de* Spannung im wesentlichen identisch ist und auch ihre Veränderungen bei Temperaiuränderungen im wesentlichen identisch sind und hierdurch die vollständige Genauigkeit aufrechterhalten 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 Schaltungsanordnung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel drr Erfindung und ihrer Arbeitsweise ergibt sich aus F i g. 2 in Zusammenhang mit Fig. I. Aus den Figuren ist ersichtlich, daß bei Zuführung einer Wechselspannung zum Transformator 14 ein Gleichstrom /1 durch den Widerstand 38 und die Kollektor-Emitterschaltung des Transistors 40 zu fließen beginnt, dessen Amplitude proportional dem Mittelwert der zugeführten Spannung ist. Der Strom U ist in Fig. 2 mit einem bestimmten Stromstärkewert dargestellt und es ist zu beachten, daß die Stromstärke eine Funktion der zugeführten Spannung und des Wertes des Widerstände·- 38 ist. Für die erste Halbperiode gemäß der Darstellung in F 1 g 2 ergibt sich bei der Zuführung einer Spannung das Einsetzen eines Stromflusses der .(romstarke /> durch den Widerstand 48 und in der Koüekior-F.nr.tterschaltung des Transistors 44. Solange die Sn >mstärke h kleiner ist als U. bleibt der Transistor 44 im Sättigiingszustand und ermöglicht einen Kollektor-Emitterstrom, welcher direkt proportional dem M mentanwert der zugeführten Spannung ist. Die Spannung am Kollektor des Transistors 44. welche auf der Leitung 50 /um Impulsgenerator erscheint, ist im wesentlichen Null. Wenn jedoch die Stromstärke /> gleich dem Wert Λ ist. wird der Transistor 44 aus der Sättigung herausgezogen und seine Stromstärke wird im wesentlichen konstant bleiben, obwohl sich die Spannung auf der Leitung 46. bezogen auf den gemeinsamen Leiter 18, erhöht. Wenn die Steigerung der Stromstärke durch den Transistor 44 aufhört, wird sich seine Kollektorspannung stiuenweise um den gleichen Betrag wie die Spannung auf der Leitung 46 erhöhen. Diese ansteigende Kollek'.orspannung 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 Punk;, an dem diese Erzeugung tines A.csgang'-Mgnals auftritt, ist in der ersten Halbperiode gemäß F 1 v. 2 in dem Punkt A dargestellt. Dieser Punkt entspricht dem Schnitt des Gleichstroms /-, und der unteren der beiden S nuswellen, welche mit /2 bezeichnet ist.

Die erste oder linke Halbperiode nach F i g. 2 veranschaulicht auch die Verwendung der beiden variablen Widerstände 48 und 38 gemäß Fig. 1. Der ^r-unkt A gemäß Fig. 2 entspricht einer bestimmten Phasenverschiebung oder Verschiebung bezüglich des Nulldurchgai.gs des eingangsseitigen Wechselstroms. Entsprechend der Abbildung in t- 1 g / betragt diese Verschiebung etwa 30°. Wenn eine Änderung dieser Phasenverschiebung erwünscht ist. können jeder der beiden Widerstände 48 und 38 oder auch beide Widerstände gemeinsam geändert werden. Zur Veranschaulichung sei angenommen, daß der Widerstand auf einen kleineren Wert eingestellt wird und dadurch eine größere Stromstärke h' in der Kollektor-Emiiterschaltung de- Transistors 44 fließt. Wenn dann der Widerstand 38 in seiner ursprünglichen Einstellung belassen wird, steigt ersichtlich der Strom h mit einer höheren Anstiegsgeschwindigkeit an, so daß er den Strom /1 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 hiT. u bewirkt die Einstellung des Widerstandes 38 auf einen kleineren Wert eine größere

Stromstärke im Transistor 40 gemäß der mit /[' bezeichneten Kurve in der ersten Halbpericde nach F i g. 2. Unter Verwendung dieser größeren Stromstärke 1\ mit der ursprünglichen Stromstärke I₂ ist ersichtlich, daß der Schnittpunkt Cauftritt, welcher eine größere Phasenverschiebung beinhaltet. Daher können einer oder beide Widerstände38; 48 abgeändert werden zur Änderung der Phasenverschiebung und damit zur Änderung des Zeitpunktes der Triggerung des Impulsgenerators 52.

In der zweiten Halbperiode nach Fig.2 ist der Gesichtspunkt der Spannungskompensation veranschaulicht. Aus dieser Halbperiode ist ersichtlich, daß ähnlich der vorstehenden Beschreibung der Schnittpunkt der beiden Ströme /ι und h in einem Punkt D liegt und dieser einer Phasenverschiebung von etwa 30° entspricht. Wenn sich jetzt die Eingangsspannung

einer

beispielsweise im Sinne einer Erhöhung ändern würde, würden beide Stromstärken infolge ihrer Ableitung aus dergleichen Versorgungsspannüng bis zu einem Punkt ansteigen, welcher durch die beiden zusätzlichen Kurven h" und 1\" 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, die ursprünglich gebildet und durch den Punkt D auf der Kurve angezeigt ist.

Im vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die beiden Widerstände 38 und 48 als einstellbare Widerstände dargestellt. Diese Einstellung kann auf verschiedenste Weise geschehen, beispielsweise per Hand oder durch eine Regelung. Weilerhin wurden zwar NPN-Transistoren beschrieben, es können aber auch PNP-Transistoren verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Phasenschieberschaltung, gekennzeichnet durch folgende an sich bekannte Merkmale:

a) einen Transformator (14) mit einer in der Mitte angezapften Sekundärwicklung (16),

b) eine erste VoHweg-Gleichrichterschaltung (20, 22), die der Sekundärwicklung (16) parallel geschaltet ist und eine Filterschaltung (28, 30, 32) umfaßt, die an ihrem Ausgang (34) einen ersten Strom (Λ) liefert, der der mittleren gleichgerichteten Spannung proportional ist,

c) eine zweite Vollweg-Gleichrichterschaltung (24, 26), die der ersten Gleichrichterschaltung parallel geschaltet ist und an ihrem Ausgang einen zweiten Strom (/2) liefert, der dem Momenianwert der Eingangsspannung proportional ist,

d) zwei Transistoren (40, 44) mit im wesentlichen gleichen rlektrischen Eigenschaften, an deren Basiselektroden die gleiche Spannung angelegt ist, wobei der erste Strom (A) den Kollektor-Emitterkreis des ersten Transistors (40) und der zweite Strom (/2) dem Kollektor-Emitterkreis des zweiten Transistors (44) zugeführt ist, derart, daß die Ströme verglichen werden und ein Ausgangssignal entsteht, das ein Maß für die Phasenverschiebung ist.

2. Phasenschiebersehaltur.g nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet. Je. J wenigstens einer der Ströme (/1, /2) durch wenigstens einen Widerstand (38,48) selektiv variabel ist.

3. Phasenschieberschaltung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf das Ausgangssignal ansprechender Impulsgenerator (52) vorgesehen ist.

4. Phasenschieberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (40, 44) auf dem gleichen monolithischen Substrat angeordnet sind.