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Scheitelwertgleichrichter mit sehr geringer Welligkeit der Ausgangsspannung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Scheitelwertgleichrichter mit sehr geringer
Welligkeit der Ausgangsspannung, bei dem ein Ladekondensator von unpolaren Halbwellen
einer eingangsseitig anliegenden Wechselspannung über einen Ladekreis mit kleiner
Zeitkonstante aufgeladen wird und sich über einen Ausgang kreis mit großer Zeitkonstante
entlädt.
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Bekannte Gleichrichter dieser Art (vgl. "Postleitfaden-Meßtechnik",
R.v.Deckers Verlag, 1962, S. 217, Bild 225) haben den Nachteil, daß infolge der
Zeitkonstante des Entladekreises, die ja zur Erreichung einer geringen Welligkeit
groß gegenüber der Schwingungsdauer der Wechselspannung sein muß, die Amplitude
der Ausgangsspannung einer Verringerung der Wechselpannungsamplitude nur sehr zögernd
folgt. Daher wirken sich Amplitudenverringerungen der Wechselspannung erst nach
vielen Perioden voll auf die Amplitude der Äusgangsspannung aus, während schnelle
Schwankungen der Wechselspannungsamplitude u.U. gar nicht oder nur stark verzerrt
auf die Ausgangsspannung übertragen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Scheitelwertgleichrichter
der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die vorstehend genannten Nachteile
vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwei oder mehrere
mit ihren Ladekreisen einander parallel geschaltete Ladekondensatoren vorgesehen
sind, von denen jeweils einer vor dem Beginn einer mit ihrem Scheitelwert zu speichernden
Halbwelle über einen parallel liegenden Schalter kurzzeitig entladen wird,
sich
während des Auftretens der Halbwelle auf deren Scheitelwert auflädt und im Zeitpunkt
des nachfolgenden Nulldurchgangs der Wechselspannung über einen zweiten Schalter
an den hochohmigen Gleichrichterausgang durchgeschaltet wird, und daß die Durchschaltung
jeweils bis zum Nulldurchgang der Wechselspannung nach der nächsten, in einem anderen
Ladekondensator mit ihrem Scheitelwert zu speichernden Halbwelle bestehen bleibt,
in welchem Zeitpunkt sie durch die Durchschaltung des dieser Halbwelle zugeordneten,
in analoger Weise zunächst entladenen und dann aufgeladenen Ladekondensators ersetzt
wird.
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Der mit der Erfindung erzielbare wesentliche Vorteil besteht insbesondere
darin, daß die Ausgangsspanung des Scheitelwertgleichrichters trotz kleiner Welligkeit
den Verringerungen oder Schwankungen der Wechselspannungsamplitude sehr rasch folgt.
Durch die Einfügung eines18O0-Phasenschiebers in einen Teil der l.adekreise kann
die Ausgangsspannung von Amplitudenschwankungen der Halbwellen beider Polaritäten
abhängig gemacht werden. Weiterhin erhält man bei einer kontinuierlichen Durchschal-bung
der nach Polaritäten getrennten Scheitelwerte an jeweils eigene Ausgänge zwei Ausgangsspannungen,
die zur Ermittlung des Spitzen-Spitzen-Nertes der Wechselspannung addiert werden
können.
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Die Bindung wird nachfolgend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter,
bevorzugter Ausfahrungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 das Prinzip
eines ersten Ausführungsbeispiels, bei dem jede positive Halbwelle der Wechselspannung
ausgewertet wird, Fig. 2 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise von Fig.
1,
Fig. 3 eine zweckmäßige schaltungstechnische Durchbildung des
Ausführungsbeispiels nach Fig. 1, Fig. 4 das Prinzip eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels,
bei.
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dem die Halbwellen beider Polaritäten ausgewertet werden, Fig. 5
Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise von Fig. 4, E'fg. 6 das Prinzip
eines weiteren Ausführungsbeispiels, das eine dem Spitzen-Spitzen-Wert der Wechselspannung
entsprechende Ausgangsspannung liefert, und Fig. 7 Zeitdiagramme zur Erläuterung
der Wirkungsweise von Fig. 6.
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Tn Fig. 1 ist der Eingang 1 eines Scheitelwertgleichrichters über
eine Gleichrichterdiode Gl mit der ersten Belegung eines Ladekondensators C1 verbunden,
dessen zweite Belegung an das Bezugspotential geschaltet ist. -Parallel zu C1 ist
ein Schalter S1 vorgesehen, über den sich 91 kurzzeitig entladen kann.
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Die erste Belegung von C1 ist über einen Schalter S2 an den Ausgang
2 des Scheitelwertgleichrichters durchschaltbar, an den ein hochohmig ausgebildeter
Ausgangskreis angeschlossen wird. Verbindet man die Klemme 2 mit dem Eingang eines
Impedanzwandlers 3 mit großem Eingangs- und kleinem Auægangswiderstand und benutzt
dessen Ausgang 4 als den Ausgang des Scheitelvrertgleichrichters, so kann sich hieran
auch ein niederohmiger Ausgangskreis anschließen. Der Impedanzwandler 3 besteht
zweckmäßigerweise aus einem Differenzverstärker, dessen nicht invertierender Eingang
mit der Klemme 2 und dessen invertierender Eingang mit dem Ausgang 4 verbunden ist.
Der Eingang 1 ist über eine Gleichrichterdiode Gl1 mit der ersten
Belegung
eines weiteres Ladekondensators a: w verbunden, dessen andere Belegung auf Massepotential
liegt. Parallel zu diesem ist ein Schalter S1' vorgesehen, während die erste Belegung
von Cl' über einen weiteren Schalter S2' an den Ausgang 2 des Scheitelwertgleichrichters
durchschaltbar ist.
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In Fig. 2 sind die Funktionsverläufe der an 1 liegenden Eingangsspannung
Ue und der an 2 (bzw. 4) auftretenden Ausgangsspannung Ua des Scheitelwertgleichrichters
nach Fig. 1 über der Zeit t dargestellt. Außerdem sind die an den Ladekondensatoren
C7 und C1' auftretenden Spannungen UC1 und UCl' in Abhängigkeit von der Zeit t veranschaulicht.
In Bunktionsdiagrammen der Schalter S1, S2, S1' und S2' sind die jeweiligen Schaltzustände
über den Zeitachsen t aufgetragen, wobei die in Höhe der Zeitachsen verlaufenden
Abschnitte jeweils den gesperrten Zustand charakterisieren, die hiergegen nach oben
versetzten Absctlaitte den leitenden Zustand.
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Wie as Fig. 2 ersichtli.ch ist, lädt sich C1 im Zeitabschnitt tO bis
tl auf den im Zeitpunkt t1 erreichten Scheitelwert der Wechselspannung Ue auf, wobei
die erreichte Ladespannung im Zeitpunkt t2 des nachfolgenden Nulldurchgangs über
den Schalter S2 an den Ausgang 2 durchgeschaltet wird. Diese Durchschaltung bleibt
bis zum Zeitpunkt t5 bestehen, d.h. bis zum Nulldurchgang nach der nächsten positiven
Halbwelle der Wechselspannung Ue. Der Scheitelwert der letztgenannten Halbwelle
wird im Ladekondensator Cl' gespeichert, der zu diesem Zweck im Zeitabschnitt t2-t3
über den dann leitenden Schalter S1' entladen wird und sich von t3 bis t4 auf den
Scheitelwert auflädt. Im Zeitpunkt t5 wird einerseits durch das Öffnen von S2 die
Ladespannung des Kondensators C1 vom Ausgang 2 abgeschaltet und gleichzeitig durch
das Schließen des Schalters S2' der in Cl' gespeicherte Scheitelwert an 2 durchgeschaltet.
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Auch diese Durchschaltung bleibt bis zum Nulldurchgang t8 nach der
folgenden positiven Halbwelle von Ue bestehen, in welchem Zeitpunkt sie wieder durch
die Durchschaltung des von t5 bis t6 über S1 entladenen und von t6 bis t7 aufgeladenen
Kondensators C1 ersetzt wird.
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Durch die beschriebenen Steuerungen der Schalter S1, S2, S1' und S2'
gelingt es, Amplitudenschwankungen der positiven Halbwellen der Eingangsspannung
Ue mit einer Verzögerung-von nur einer Viertelperiode in Form von Amplitudensprüngen
auf die Ausgangsspannung Ua des Scheitelwertgleichrichters zu über tragen.
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In Fig. 3 ist eine zweckmäßige schaltungstechnische Durchbildung der
Prinzipschaltung nach Fig. 1 dargestellt. Dabei ist zusätzlich ein als Differenzverstärker
ausgebildeter Eingangsverstärker 5 vorgesehen,.dessen nicht invertierender Eingang
mit der Eingangsklemme 1 verbunden ist und dessen Ausgang über einen Gegenkopplungszweig
mit der Antiparallelschaltung zweier Gleichrichter Gll und Gl2 mit dem invertierenden
Eingang verbunden ist. Der Gegenkopplungszweig hat die Aufgabe, die in Durchlaßrichtung
von G1 bzw. Gl' liegenden Spannungsschwellen zu kompensieren, was dadurch geschieht,
daß die Gegenkopplungswirkung bei einander angeglichenen Kennlinien der Gleichrichter
Gl, Gl', Gli und Gl2 erst oberhalb dieser Spannungsschwellen einsetzt. Die Schalter
S1, S2, S1' und S2' sind als Feldeffekttransistoren FT1, FT2, F1' und FT2' realisiert,
die über ihre Basiselektroden angesteuert werden. Zur Ableitung der hierzu benötigten
Steuerspannungen wird die am Ausgang von 5 abgreifbare Wechselspannung Ue in einem
Komparator 6 mit dem Bezugspotential verglichen, wobei 6 eine gleichfrequente und
gleichphasige Rechteckapannung 7 abgibt. Diese wird dem Zähleingang eines Flip-Flops
FF1 direkt und dem eines
Plip-Flops FF2 über einen Negator 8 zugeführt.
Wenn im Ruhezustand der Flip-Flops die Ausgänge Ql und Q2 auf "L" (hoher Spannungspegel)
und die Ausgänge Q1 und Q2 auf "0" (niedriger Spannungspegel) liegen, so ergibt
sich beim Auftreten der ersten und jeder folgenden negativen Flanke von 7 eine Zustandsumkehr
an den Ausgängen von FF1 und bei der ersten und jeder folgenden positiven Flanke
von 7 eine Zustandsumkehr an den Ausgängen von FF2.
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Legt man nun die Ausgangssignale von Ql und Q2 an die Eingänge eines
UlD-Gatters 9 und die Ausgangssignale von Q1 und Q2 an die Eingänge eines weiteren
UND-Gatters 10, so tritt im Zeitabschnitt t5 t6 am Ausgang von 9 und im Zeitabschnitt
t2-t3 am Ausgang von 10 jeweils ein logisches "L" auf, das nach einer Pegelanpassung
in Anpassungsgliedern 11 und 12 zur Aussteuerung von BU1 und FT1' in den leitenden
Zustand zur Verfügung steht. Die Ausgangssignale von Q1 und Q1 werden dann zweckmäßigerweise
nach vorheriger Pegelanpassung in weiteren Gliedern 13 und 14 zur Aussteuerung von
?22' und FT2 in den leitenden Zustand herangezogen.
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Das in Fig. 4 im Prinzip dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung
weist neben zwei Ladeicoridensatoren Cp und Cp', in deren Ladekreis wieder Cleichrichterdioden
Glp und Glp' angeordnet sind, zwei weitere Ladekondensatoren On und Cn' mit entsprechenden
Gleichrichterdioden Gln und Gln auf. Dabei dienen Cp und Cp' zur Speicherung der
Spitzenwerte zweier jeweils aufeinanderfolgender positiver Halbwellen von Uen Cn
und Cn' zur Speicherung der Spitzenwerte zweier jeweils aufeinanderfolgender negativer
Halbwellen. Zu diesem Zweck ist den Ladekreisen von Cn und Cn' ein 1800-?hasenschieber
15 gemeinsam zugeordnet. Die Ladekreise sämtlicher Ladekondensatoren liegen wieder
an der Eingangsklemme 1, an der die
Wechselspannung Ue auftritt.
Parallel zu Cp liegt ein Schalter Slp, über den sich Cp kurzzeitig entladen kann,
während die nicht auf BezugBpotential liegende Belegung von Cp über einen Schalter
S2p an den Gleichrichterausgang 2 durchschalfbar ist. In entsprechender Weise sind
dem Ladekondensator Cp' die Schalter Slip' und 82p', dem Ladekondensator Cn die
Schalter S1n und S2n und dem Ladekondensator Cn' die Schalter S1n' und S2n' zugeordnet.
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Fig. 5, in der neben dem zeitlichen Verlauf der Eingangaspan nung
Ue wieder die Schaltzustande der genannten Schalter in Form von zeitabhängigen Xunktionsdiagrammen
entsprechend Fig. 2 dargestellt sind, läßt erkennen, daß der von tO bis t1 auS den
Spitzenwert der ersten positiven Halbwelle aufgeladene Ladekondensator Cp zum Zeitpunkt
t2,'d.h. beim Äiftreten des Nulldurchgangs nach dieser Halbwelle, über S2p an den
Ausgang 2 durchgeschaltet wird und daß diese Durchschaltung bis zum Zeitpunkt t4
bestehen bleibt, d.h. solange, bis der Nulldurchgang nach der nächsten, mit ihrem
Spitzenwert im Ladekondensator Cn zu speichernden Halbwelle negativer Polarität
erreicht ist. In diesem Zeitpunkt wird dann die Durchschaltung von Cp durch die
Durchschaltung von Cn über S2n ersetzt, die ihrerseits wieder bis zum Zeitpunkt
t6, d.h. bis zum Erreichen des Nulldurchgangs nach der nächstfolgenden, in Cp' mit
ihrem Spitzenwert zu speichernden, positiven Halbwelle bestehen bleibt. Die im Zeitabschnitt
t4-t6 auftretende positive Halbwelle wird dann anschließend von t6-t8 iiber S2p'
an den Ausgang 2 durch schaltet und weiterhin die von t6 bis t8 auftretende, negative
Halbwelle, die in Cn' mit ihrem zum Zeitpunkt t7 auftretenden Spitzenwert gespeichert
wird, über den von t8 bis tlo geschlossenen Schalter S2n'. Nach t10 treten dann
wieder dieselben Durchschaltvorgänge auf wie nach t2.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 liefert mit der in Fig. 5 dargestellten
und vorstehend beschriebenen Steuerung der einzelnen Schalter an der Klemme 2 eine
Ausgangsspannung Ua, die Amplitudenschwankungen der positiven und negativen Halbwellen
der eingangsseitigen Wechselspannung IJe mit einer maximalen zeitlichen Verzögerung
von einer Viertelperiodendauer berücksichtigt.
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Fig. 6 zeigt das Schaltungsprinzip eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung, das aus einer unsymmetrischen Wechselspannung Ue eine Gleichspannung
Ua ableitet, die dem Spitzen-Spitzen-Wert von Ue entspricht. Hierbei sind zwei Teilschaltungen
nach Fig. 1 vorgesehen, wobei die Schaltungsteile der ersten mit einem zusätzlichen
"p" gekennzeichnet sind, die Schaltungs teile der zweiten mit einem zusätzlichen
"n". Der zweiten Ueilschaltung ist ein 180°-Phasenschieber 16 vorgeschaltet, der
den Ladekreisen für die Ladekondensatoren Oln und C1n' gemeinsam zugeordnet ist.
Der Eingang 1p der ersten Teilschaltun und der F4Xinang von 16 sind an einen gemeinsamen
Schaltungseingang 1g geführt, an dem die unsymmetrische Weohselspannung Ile auftritt.
Die Ausgänge 2p und 2n der Teilschaltungen sind an die beiden Eingänge einer Additionsschaltung
17, r.B.
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eines Addierverstärkers, geschaltet, an dessen Ausgang 18 die dem
Spitzen-Spitzen-Wert von Ue entsprechende Spannung Uss auftritt.
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Die Steuerung der zur ersten Teilschaltung gehörenden Schalter S1p,
S2p, S1p' und S2p', die den Funktionsdiagrammen der Fig. 7 entnommen werden kann,
erfolgt entsprechend Fig. 2, während die Steuerung der zur zweiten Teilschaltung
gehörenden Schalter Sln, S2n, S1n' und S2n' bezüglich der negativen Halbwellen von
Ue in gleicher Weise erfolgt. Daher entsteht am Ausgang 2p eine Spannung, die den
Spitzenwert der positiven
Halbwellen ausdrückt, während die an
2n auftretende Spannung den Spitzenwert der negativen Halbwellen nachbildet.
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Beide Spannungen werden in der Additionsschaltung 17 zu der Ausgangsspannung
Uss zusammengesetzt.
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Um die zeitlichen Toleranzen der Durchschaltvorgänge auszugleichen,
kann am Gleichrichterausgang ein Speicherkondensator vorgesehen werden, der durch
die in den einzelnen Ladekondensatoren gespeicherten Scheitelwerte jeweils auf-
bzw. umgeladen wird. Dieser S4aicher.'sondensator ist in den Figuren 1 und 3 mit
19 bezeichnet, in Fig. 4 mit 20 und in Fig. 6 mit 21 und 22.
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Bevorzugte Ansenclungstnöglichkeite-n eines Scheitelwertgleichrichters
nach der Erfindung ergeben sich in der elektrischen Meßtechnik bei der Gleichrichtung
alteriiativ anschaltbarer Wechselspannungen, insbesondere solcher mit stark unterschiedlichen
Amplituden.
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7 Patentansprüche 7 Figuren