DE2515538A1

DE2515538A1 - Synchron-demodulator

Info

Publication number: DE2515538A1
Application number: DE19752515538
Authority: DE
Inventors: David Alan Fox
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1974-04-11
Filing date: 1975-04-09
Publication date: 1975-10-30
Also published as: JPS50139665A; US3879670A; FR2267656A1; CA1050125A; GB1498725A

Description

DlPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

Düsseldorf, 7. April 1975 44,778
7531

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Synchron-Demodulator

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Demodulatoren und insbesondere auf Synchron-Demodulatoren zum Demodulieren veränderlicher elektrischer Signale.

Demodulatoren sind bekannte elektronische Geräte, zu denen auch Synchron-Demodulatoren gehören, deren Ausgang sowohl die Phasendifferenz als auch die Amplitudendifferenz zwischen zwei Eingangssignalen berücksichtigt. Verschiedene Anwendungen erfordern spezifische Kennlinien, minimierte Kosten und Baugröße bei gewünschten und gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Ausführungen.

Energiequellen werden häufig parallel betrieben, um energieerzeugende Anlagen zu erhalten, die zuverlässiger sind und mehr Flexibilität bei der Benutzung sowie vergrößerte Kapazität als eine einzelne Energiequelle bieten. Üblicherweise wird eine gleichmäßige Belastung der Energiequellen gewünscht, so daß keine der einzelnen Energiequellen überlastet ist. In Wechselstromsystemen sind zwei Größen vorhanden, die zur Erhaltung einer befriedigenden Lastverteilung eingestellt werden können. Das sind die betreffenden Spannungen der Energie-

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Telefon (0211) 32 08 58 Telegramme Custopat

quellen und außerdem die Phasenwinkel oder Phasendifferenzen zwischen den Ausgängen der Quellen.

Bei Spannungsungleichheit zwischen den Quellen tritt ein nicht ausgeglichener Strom auf, der im wesentlichen Blindstrom ist. Wenn eine Fehlanpassung der Phasenwinkel der Energie der beiden Quellen vorliegt, tritt eine Wirkstrom-ünsymmetrie in der gemeinsamen Sammelschiene auf. Wechselstrom-Generatoren sind üblicherweise mit einem Regler zur Steuerung der Spannung und einem Regler oder einem Drehzahl-Regler zur Steuerung der Drehzahl der Antriebsmaschine ausgerüstet. Für wirksamen Parallelbetrieb von Wechselstrom-Generatoren ist es notwendig, die Blind- und Wirkstrom-Ungleichförmigkeiten gesondert zu erfassen und dementsprechend die Frequenz- und SpannungsSteuerungen einzustellen. Die Schaltung im Spannungsregler zum Erfassen der Blindstrom-Ungleichförmigkeit wird Blindlastzweig- oder RLD(reactive load division)-Schaltung genannt.

Ferner ist die Verwendung einer brückenartigen Demodulatorschaltung bekannt, bei der ein Differenzstromsignal von einem Stromwandler in einem Phasenleiter dasu verwendet wird, eine von dieser und einer weiteren Phase angesteuerten Brücke zu verstimmen, wobei von einem Drei-Phasen-System ausgegangen wird. Der Ausgang dieser Schaltung ist. mit dem abtastenden Spannungsteiler des Reglers verbunden und stellt die Spannung des abtastenden Spannungsteilers des Reglers ein und verändert die Abtastspanirang nach oben oder unten. Der Regler stellt dann "die Generatorspannung ein, um die Strom-Ungleichförmigkeit zu minimieren. Solch eine Demodulator~RLD-Schaltung hat den Vorteil, daß der Phasenwinkel der von den Phasen Ä und B der abgegebenen Leistung abgeleiteten Besugsspannung durch Einstallung des Wertes eines Widerstandes leicht verschoben werden kann. Der Nachteil der Schaltung besteht dar- ' in, daß am Ausgang eine Rechtecksohwingung mit großer Amplitude auftritt, die durch ein L-C-Filter gefiltert werden muß.

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Das L-C-Filter ergibt eine lange Zeitkonstante, die das System zu langsam für neue, schnellere und einen schnelleren Ausgleich einer Ungleichförmigkeit erfordernde Generatoren macht. Solche gerade beschriebenen Demodulatoren wurden mit einer Zenerdiode als Kopplungsglied der betreffenden Brücke hergestellt und die Schaltungen werden als Zener-Demodulatoren bezeichnet.

Ein weiterer in bekannten RLD-Schaltungen verwendeter Demodulatortyp besteht aus einem Ring-Demodulator, bei dem ein Demodulator-Signal zwischen einen Vergleicher und einen Komparator im Regler angelegt wird. Weil dieser Demodulatortyp ausgeglichen ist, ergibt sich kein großes Wechselstromsignal am Ausgang, so daß dieses lediglich mit einem einzigen R-C-Netzwerk mit ziemlich schneller Zeitkonstante gefiltert werden kann. Der Nachteil dieser Schaltung besteht darin, daß sie zwei Wandler erfordert und die abgeleitete Phasenreferenz nur durch Hinzufügen eines Kondensators mit vorgewählter Kapazität über die belasteten Widerstände eines Stromwandlers einer der Phasen einstellbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfacheren, kompakteren und billigeren Demodulator zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Synchron-Demodulator gekennzeichnet durch einen ersten Eingang für ein erstes Signal veränderlicher Wellenform, einen zweiten Eingang für ein Bezugssignal einer vorbestimmten unveränderlichen Wellenform, eine Schaltung zum Erzeugen zweier Signale, die gegenüber dem ersten Signal um 0° bzw. 180° phasenverschoben sind und gleiche Spitzenwerte in bezug auf einen gemeinsamen Abgriff aufweisen, sowie durch eine Verstärkereinrichtung und eine Einrichtung zum Anlegen von geschalteten, die phasenverschobenen Signale aufweisenden Signale synchron mit dem Bezugssignal an einen Eingang der Verstärkereinrichtung, die einen Ausgang für ein demoduliertes Signal

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aufweist, das die Beziehung zwischen den phasenverschobenen Signalen und dem Bezugssignal darstellt.

Gemäß der Erfindung ist ein Synchron-Demodulator zur Aufnahme von Signalen vorgesehen, von denen eines veränderlich, wie in einem Phasenleiter ist und das andere ein vorgegebenes Bezugssignal mit einer bekannten Wellenform ist, wobei aus diesen Signalen ein demodulierter Ausgang erzeugt wird, der die Beziehung zwischen den ersten und den zweiten Signalen unter Berücksichtigung ihrer Phase und Amplitude repräsentiert. Das Gerät weist eine Einrichtung wie einen Signal-Transformator mit einer mit einem Mittelabgriff versehenen Sekundärwicklung auf, um zwei gegenüber dem ersten Signal phasenverschobene Signale zu erzeugen, die dann über eine Einrichtung wie einen Multiplikator oder einen eingangsgesteuerten Zweikanal-Verstärker (gate controlled two-channel input amplifier) an den Eingang eines Verstärkers wie eines Operationsverstärkers gelegt werden, von dem der demodulierte Ausgang erhalten wird.

Der genannte eingangsgesteuerte Zweikanal-Verstärker ist ein im Handel erhältliches Gerät und hat eine mäßige Verstärkung, als besondere Eigenschaft jedoch die Fähigkeit, bei an seine Eingangsklemmen gelegten verschiedenen Signalen wechselweise zwischen den betreffenden vorhandenen Eingängen umschalten zu können. Bei bestimmten Anwendungsfällen und insbesondere bei solchen, die für RLD-Schaltungen von Interesse sind, wird der Ausgang des eingangsgesteuerten Verstärkers an einen Operationsverstärker hoher Qualität zur erhöhten Verstärkung geführt. Es versteht sich jedoch, daß der Wechsel-Schalt-Verstärker und sein nachgeschalteter Verstärker in einem einzigen Gerät oder in einem integrierten Schaltkreis zusammengefaßt sein können.

In der folgenden Beschreibung werden drei verschiedene Anordnungen der grundlegenden Elemente beschrieben, die als

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Rückkopplungs-Typ, Inverter-Typ und Nicht-Inverter-Typ bezeichnet werden können. Der Rückkopplungs-Typ ist gekennzeichnet durch die Verbindung des Verstärkerausgangs mit dem Mittelabgriff der Signaltransformator-Sekundärwicklung und ist deshalb ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, weil, wie in der späteren Beschreibung gezeigt wird, der Inverter-Typ eine große Zahl von Widerständen erfordert und es ihm an Wirtschaftlichkeit sowie geringer Verlustleistung mangelt, während der Nicht-Inverter-Typ nur einen begrenzten Eingangsbereich für die Betriebsspannungen aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch' eine Ausführung einer Demodulatorschaltung nach der Erfindung im Zusammenhang mit einer RLD-Schaltung für Wechselstromgenerator-Belastungsausgleich ;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Schaltung des Demodulator-Teils des Systems nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Reihe von Wellenformen zur Veranschaulichung der Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine mehr ins einzelne gehende schematische Darstellung eines Teils der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung der Eigenschaften der Schaltung nach Fig. 1; und

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Fig. 6 und 7

vereinfachte schematische Schaltbilder weiterer Ausführungsformen der Demodulatorschaltung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Demodulator-Schaltung 10 nach der Erfindung innerhalb einer strichpunktierten Linie und im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Wechselstrom-Dreiphasen-Generatorsystem dargestellt sowie zwischen eine Quelle eines Bezugspotentials 12 und einen Komparator 14, der in bekannter Weise ausgebildet sein kann, geschaltet.

Die Demodulator-Schaltung weist einen eingangsgesteuerten Verstärker Z2 auf. Der Verstärker Z2 hat zwei Gruppen von Eingängen 15 und 16, die von einer Einrichtung zur Ansteuerung der Eingangskanäle innerhalb des Gerätes angesteuert werden. Der Verstärker Z2 ist vorzugsweise ein im Handel erhältliches Gerät, das von Herstellern wie Motorola als integrierter Schaltkreis geliefert sowie als "eingangsgesteuerter Zweikanal-Breitband-Verstärker" wie die Type MC1545 und außerdem in der Motorola-Veröffentlichung "Linear integratet Circuits Data Book" vom Dezember 1972 auf S. 7-213 bis 7-218 beschrieben wird. Obgleich dieser integrierte Schaltkreis eine bevorzugte Ausführungsform darstellt, ist erkennbar, daß ein als Multiplikator-Schaltung bekannter Schaltungsteil für die gewünschten Eigenschaften des eingangsgesteuerten Verstärkers Z2 eingesetzt werden kann.

Weil der Verstärker Z2 bei dieser Ausführungsform ein Verstärker ziemlich geringer Leistungsfähigkeit mit Differentialausgang und geringer Verstärkung ist, ist ein Verstärker Z1 an die Ausgänge 17 und 18 des Verstärkers Z2 angeschlossen, um die Verstärkung zu erhöhen und einen einzigen Ausgang 19 zu schaffen. Für bestimmte Zwecke werden die Verstärker Z1 und Z2 zusammen als ein Operationsverstärker angesehen.

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In Fig. 2 ist schematisch eine vereinfachte Schaltung dargestellt, bei der der Verstärkerteil Z sowohl den Verstärker Z1 als auch den Verstärker Z2 nach Fig. 1 enthält, während der Schalterteil S der Einrichtung zur Ansteuerung der Eingangskanäle des Verstärkers Z2 entspricht.

Das Gerät nach Fig. 1 weist ferner einen Signaltransformator T mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung 22 auf. Die Primärwicklung 23 des Sxgnaltransformators T wird mit einem ersten veränderlichen Eingangssignal wie von einem Stromwandler 24 an einer Phase (z. B. der Phase B) eines Systems versorgt, das ein zeitveränderliches elektrisches Signal mit einer veränderlichen Wellenform erzeugt. Die Enden der Transformator-Sekundärwicklung 22 sind über Widerstände R1 bzw. R2 an die Inverter-Eingänge des eingangsgesteuerten Verstärkers Z2 gelegt. Der Mittelabgriff der Signaltransformator-Sekundärwicklung 22 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers Z1 verbunden. Bei dieser Ausführungsform weist die Verbindung zwei in Reihe geschaltete Diodengleichrichter D1 und D2 auf. An diesem Mittelabgriff befindet sich der Ausgang des Demodulators.

Der Signaltransformator T bildet eine Einrichtung zur Bildung von zwei phasenverschobenen Signalen mit Phasenverschiebungen von 0° bzw. 180° in bezug auf das Signal am Stromwandler 24 und mit gleicher Signalhöhe im Hinblick auf einen gemeinsamen Bezugspunkt, der der Mittelabgriff der Sekundärwicklung 22 ist. Diese beiden phasenverschobenen Signale werden über die Widerstände R1 und R2 an den Verstärker Z2 angelegt. Ferner wird an die nicht-invertierten Eingänge des Verstärkers Z2 über eine Leitung 26 eine Referenzwelle angelegt, die von der Ankopplung des Generatorfeldes 28 und von dem Bezugspotential 12 aus einer geregelten Gleichspannungsquelle gebildet wird.

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Der Signaltransforitiator T kann ein Windungsverhältnis von eins-zu-eins haben. Wenn in Fig. 2 der Schalter S sich in der dargestellten unteren Position befindet, ist das untere Ende der Sekundärwicklung 22 über die Regelwirkung des Verstärkers virtuell mit dem Bezugsanschluß kurzgeschlossen. Das bedeutet, daß die Spannung am Mittelabgriff der Sekundärwicklung 22 gleich der Eingangsspannung an der Primärwicklung 23 ist. Wenn der Schalter S in die andere Position bewegt wird, wird das obere Ende der Wicklung mit der Bezugsspannung kurzgeschlossen und der Ausgang besitzt die entgegengesetzte Polarität.

Die Widerstände R6 und R7 liefern Ströme, die von der Phase B bzw. der Phase C erhalten werden, um den der Phase B um nacheilenden Transistor Q1 anzusteuern. Der Kollektor des Transistors Q1 steuert den Kanalauswahl-Eingang des Verstärkers Z2 in Phase mit dem Blindstrom der Phase B, und veranlaßt, daß die Schaltung die Blindkomponente des Laststromes demoduliert.

Fig. 3 veranschaulicht repräsentative, innerhalb der Schaltung auftretende Wellenformen. Die Spannung der Phase B ist in sinusförmig veränderlicher Wellenform dargestellt, obgleich die Schaltung auch mit beliebigen periodischen Wellenformen zufriedenstellend arbeitet. Die Spannung am Kollektor des Transistors Q1 ist um 90° phasenverschi signal der Phase B nacheilend dargestellt.

des Transistors Q1 ist um 90° phasenverschoben dem Spannungs-

Ein Laststromsignal, das lediglich die Wirklastkomponente enthält, würde in Phase mit der Spannung, wie dargestellt auftreten. Der Demodulator invertiert Halbwellenteile des Signals (wenn der Kollektor des Transistors Q1 niedriges Potential besitzt), um das demodulierte Signal zu erzeugen, wie dargestellt. Es wird bemerkt, daß der Mittelwert des demodulierten Signals gleich Null ist und somit keine Vorspannung erzeugende Wirkung auf den Betrieb des Spannungsreglers ausübt.

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Ein Blindlastsignal, das dem Spannungssignal um 90° nacheilt (und somit in Phase mit der Kollektorspannung des Transistors Q1 ist) , tritt auf. Durch Invertieren von abwechselnden Halbwellen des Blindlastsignals wird die Wellenform erzeugt, die als gleichgerichtetes Signal einer Vollwelle erscheint. Dieses Signal hat eine Netto-Gleichstrom-Wirkung und erteilt der Reglerbezugsspannung eine Vorspannung, um die Erregung des Generators zu verringern.

Die folgenden geeigneten Größen und weiteren Bestimmungen werden beispielsweise für ein Gerät mit einer Demodulations-Schaltung 10 nach Fig. 1 in einem speziellen Generatorsystem angegeben:

Operationsverstärker Z1 Typ 741

eingangsgesteuerter Verstärker Z2 Typ MC1545

Widerstände R1 und R2 4.700 Ohm

Widerstand R3 (über Wicklung 23) 8>9 Ohm

Widerstand R4 5.600 0hm

Widerstand R5 12.000 0hm

Widerstand R6 36.000 Ohm

Widerstand R7 18.000 0hm

Transistor Q1 Typ 2N2219A

Kondensator C1 0,1 ,uF

Stromwandler 24 Windungsverhältnis

2.375 : 1

Der Generator war für 75 KVA, 115 V, 3 Phasen, 400 Hz zur Verwendung in der Luftfahrt ausgelegt.

Ein Beispiel für den Aufbau der Gleichspannungsquelle für das Bezugspotential 12 und die Ankopplung (Rückkopplung) 28 ist in Fig. 4 dargestellt. Obgleich es nicht notwendig ist, im einzelnen auf die Wirkungsweise der Schaltungsteile nach Fig. 4 einzugehen, werden geeignete Größen der Bauteile in Verbindung mit den oben angegebenen Größen für die Demodula-

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- 10 tions-Schaltung 10 angegeben:

Kondensator C2 0,1 /UF

Widerstand R10 100 KOhm

Kondensator C3 1,8 ,uF

Widerstand R11 3.000 0hm

Zenerdiode D4 6,4V Durchbruchsspannung

Widerstand R12 1.210 0hm

veränderlicher Widerstand R13 5.000 0hm

Widerstand 14 12.100 0hm

Die neue Schaltung bietet den Vorteil leichter Einstellbarkeit des Bezugsphasenwinkels zwischen den Phasen B und C durch Veränderung der Widerstände R6 und R7. Ferner ist nur ein magnetisches Bauteil, der Signaltransformator T, erforderlich. Die Leichtigkeit der Einstellung und der Elimination eines magnetischen Bauteils bedeutet, daß die neue Schaltung bei konstant steigenden Lohnkosten und fallenden Kosten für integrierte Schaltkreise Preisvorteile bietet.

In Fig. 5 ist eine typische Leistungskurve der Schaltung nach Fig. 1 dargestellt, die die gute Linearität der Blindlastkurve 30 über einen großen Laststrombereich veranschaulicht.

Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen zusätzliche weitere Ausführungen der Erfindung in vereinfachter Form. In Fig. 6 ist ein Inverter-Typ-Demodulator dargestellt, bei dem der Ausgang des Verstärkers Z (der die Verstärker Z1 und Z2 aufweist) an die Enden der Signaltransformator-Sekundärwicklung 22 über Widerstände 40 gekoppelt ist, die den grundsätzlichen Nachteil dieser Ausführung bilden. In Fig. 7 ist eine Ausführung eines Nicht-Inverter-Typs mit einem begrenzten Eingangsbereich dargestellt.

Patentansprüche:

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Claims

- 11 Patentansprüche ;

f1) Synchron-Demodulator, gekennzeichnet durch einen ersten Eingang für ein erstes Signal veränderlicher Wellenform, einen zweiten Eingang für ein Bezugssignal einer vorbestimmten unveränderlichen.Wellenform, einer Schaltung zum Erzeugen zweier Signale, die gegenüber dem ersten Signal um 0° bzw. 180° phasenverschoben sind und gleiche Spitzenwerte in bezug auf einen gemeinsamen Abgriff aufweisen, sowie durch eine Verstärkereinrichtung und eine Einrichtung zum Anlegen von geschalteten, die phasenverschobenen Signale aufweisenden Signale synchron mit dem Bezugssignal an einen Eingang der Verstärkereinrichtung, die einen Ausgang für ein demoduliertes Signal aufweist, das die Beziehung zwischen den phasenverschobenen Signalen und dem Bezugssignal darstellt.
2. Synchron-Demodulator, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung zweier phasenverschobener Signale einen Signaltransformator mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung aufweist.
3. Synchron-Demodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen invertierenden Eingang und einen nicht-invertierenden Eingang aufweist und daß die Einrichtung zum Anlegen mit dem invertierenden Eingang verbunden ist, während der nicht-invertierende Eingang auf einem Bezugspotential gehalten wird.
4. Synchron-Demodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang ein gemeinsamer Abgriff ist.
5. Synchron-Demodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung einen invertierenden Eingang aufweist und daß der Ausgang über Widerstände an die Schaltung gekoppelt ist.

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6. Synchron-Demodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der invertierende Eingang mit dem Ausgang verbunden ist.
7. Synchron-Demodulator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen einen eingangsgesteuerten Zweikanal-Verstärker aufweist.

UN/hs 3

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