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Gerät zur Zählung der Scheinenergie Die Erfindung betrifft die Zählung
der sogenannten elektrischen "Scheinleistung" und "Scheinenergie", welche von einem
Wechselstromverbraucher oder einem Wechselstrom verbrauchenden System verbraucht
wird.
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Die Scheinleistung ist das Produkt der Stromstärke und der Spannung
und wird in Kilovolt-Ampere (kVA) ausgedrückt, sie ist unabhängig von dem Phasenwinkel
# zwischen Spannung und Strom. Die Scheinleistung sollte unterschieden werden von
der Wirkleistung oder aktiven oder reellen Leistung, welche das Produkt der Stromstärke,
der Spannung und des Verlustfaktors (cos 9) ist und in Kilowatt (kW) ausgedrückt
wird In ähnlicher Weise wird die elektrische Scheinenergie in Kilovolt-Amperestunden
(kVAh) ausgedrückt. Sie ist ebenfalls unabhängig von dem Verlustfaktor oder Phasenwinkel
und steht im Gegensatz zur Wirkenergie, welche in Kilowattstunden ausgedrückt wird.
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Die vorliegende Erfindung steht in Beziehung zu der deutschen Patentanmeldung
P 25 22 624 vom 22.5.1975 der Anmelderin, welche auf die Zählung der Wirkleistung
und der Wirkenergie gerichtet ist und als Offeniegungsschritft DT-OS 25 22 624 erschienen
ist; diese wird nachstehend als "frühere Erfindung der Anmelderin" oder einfacher
als die "frühere Erfindung" bezeichnet. Es wird angenommen, daß der Leser des vorliegenden
Textes mit der früheren Erfindung vertraut ist und daher wird ein Teil der Beschreibung
in dem vorliegenden Text absichtlich kurz gefaßt, da weitere Einzelheiten in der
früheren Erfindung erscheinen.
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In der Vergangenheit wurden die Größen kVA und kVAh dadurch gemessen,
daß entweder die Spannung oder die Stromstärke gleichgerichtet wurde und dann das
gleichgerichtete Signal auf solche Weise in ein Wechselspannungssignal zurück rwandelt
wurde, daß es in Phase ist mit dem nicht-gleichgerichteten Stromstärke- oder Spangungssignal.
Diese in Phase befindlichen Komponen n wurden dann in dem Induktionsscheibenzähler
integriert. Ein anderes Verfahren zur Messung der Größe kVAh ist offenbart in dem
Artikel 58 mit dem Titel "An Electronic kVA Demand Meter" von P.J.
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Watson, vorgelegt auf der IEE 1972 International Conference on Metering
and Tariff, IEE-Konferenz-Veröfentlichung 92, wobei die Wirkleistung und die Blindleistung
in einem System getrennt ermittelt werden. Die Signale entsprechen der gemessenen
Wirkleistung und Blindleistung, werden dann jeweils quadriert und summiert. Die
Quadratwurzel des summierten Signals wird dann abgeleitet, um auf diese Weise die
Scheinleistung im System zu erhalten. Diese vorbekannten Verfahren zur Ermittlung
der Scheinleistung in einem elektrischen System beruhen entweder auf den Zählern
mit rotierenden Scheiben, welche unförmig sind und eine Anzahl von sich bewegenden
mechanischen Teilen besitzen, welche eine Wartung von Zelt zu Zeit erfordern, oder
sie beinhalten ein elektrisches System, welches die Anfangsmessung der Wirkleistung
und der Blindleistung erfordert, bevor die Scheinleistung ermittelt werden kann.
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Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Gerät
zur Zählung der Scheinenergie und der Scheinleistung zu
schaffen.
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Es ist ein Merkmal der Erfindung, ein solches Gerät zur Zählung der
Scheinenergie in einer Anordnung unter Verwendung von Festkörperschaltungen zu schaffen,
welche in Form von monolithischen integrierten Strukturen hergestellt werden können.
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Das erfindungsgemäße Gerät umfaßt Einrichtungen zur Erzeugung von
Wechselstrom-Analogsignalen, welche repräsentativ sind für die Stromstärken und
Spannungen in dem überwachten System. Diese Analogsignale für die Stromstärke und
die Spannung werden jeweils gleichgerichtet, vorzugsweise mit Vollweg-Gleichrichtung,
und die gleichgerichteten Signale werden auf einen Impulsbreiten-und mplitudenmultiplikator
gekoppelt. Der Impulsbreiten- und Amplitudenmultiplikator liefert eine Folge von
impulsbreiten- und amplitudenmodulierten Impuls signalen mit einer Gleichspannungskomponente,
welche proportional ist dem Produkt der für Stromstärke und Spannung repräsentativen
Analogsignale Das Ausgangssignal des Multiplikators enthält auch noch eine Wechselspannungskomponente
, welche mittels eines Tiefpaßfilters ausgefiltert wird, so daß nur die Gleichspannungskomponente
bleibt. Dementsprechend ist das gefilterte Ausgangssignal des Multiplikators proportional
der Scheinleistung in dem elektrischen System. Die Scheinenergie wird erhalten,
indem das Signal für die Scheinleistung einem Analog-Impulsfolgefrequenz-Konverter
zugeführt wird, dessen Ausgangsimpulse gezählt werden, wobei dann die Zählzahl die
Größe kVAh darstellt Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden noch ersichtlich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung zusammen
mit den Abbildungen.
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Figur 1 ist eine Schaltzeichnung des erfindungsgemäßen Zählgerätes
für die Scheinleistung und die Scheinenergie.
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Figur 2 ist ein Takt diagramm und zeigt Wellenformen von gewissen
Signalen, welche durch das Gerät nach Figur 1 erzeugt werden.
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Figuren 3 und 4 sind vereinfachte Festkörperformen der symbolischen
Schalter 121 bzw. 151 der Figur 1.
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Figuren 5 und 6 sind ausführlichere Festkörperversionen der symbolischen
Schalter 121 bzw. 151.
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In den Abbildungen werden, soweit dies praktisch möglich ist, Einheiten
(d.h. Schaltungsbauteile oder -blöcke) mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
wie entsprechende Einheiten der früheren Erfindung. Einheiten, welche für die vorliegende
Erfindung besonders eigentümlich sind, werden mit Bezugsziffern aus drei Ziffern
bezeichnet.
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Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 1, in der das elektronische
Zählgerät für die Scheinleistung und die Scheinenergie in Form einer Schaltzeichnung
dargestellt ist. Die Lastspannung Vp des Systems ist über den Eingangsanschlüssen
11 und 12 zugeführt. Die Spannung Vp wird durch einen Potential-Transformator 16
transformiert, welcher eine geerdete Sekundärwicklung mit Mittelabgriff besitzt,
die ein analoges Wechselstromsignal-Paar + Vx und # Vx liefert. Die Signale + Vx
und # Vx werden den entsprechenden stationären Kontakten 117 und 119 eines synchronen
Schalters 121 zugeführt, der lediglich symbolisch in mechanischer Form gezeigt ist.
Die Bedeutung des Ausdrucks "synchron" wird noch nachstehend erläutert und Festkörperversionen
des Schalters 121 werden im Zusammenhang mit den Figuren 3 und 5 erläutert.
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Der bewegliche Kontakt 124 des symbolischen Schalters 121 wird durch
einen Rechenverstärker 123 betätigt zum Eingriff mit dem Kontakt 117 oder dem Kontakt
119, wobei ein Eingang des Verstärkers mit der Leitung + Vx verbunden ist und ein
zweiter Ein gang geerdet ist. Der synchrone Schalter 121 und der Verstärker 123
arbeiten, zusammen betrachtet, als synchroner Gleichrichter und insbesondere als
ein synchroner Vollweg-Gleichrichter im folgenden Sinne. Wenn immer das Signal +
Vx positiv ist, sogar auch nur geringfügig positiv ist, dann bewirkt der Verstärker
123, daß die Schalterkontakte 117 und 124 einander berühren, so
daß
die Halbperiode der positiven gleichgerichteten Spannung V x vom Kontakt 124 geführt
wird. Es wird auch noch Bezug genommen auf die Figur 2, in welcher eine Wellenform
(in Richtung des linken Randes) eine Bezeichnung besitzt, welche identisch mit dem
Signal ist, welches dieser Wellenform entspricht, im vorliegenden Beispiel Vx. Der
Leser sollte die Figuren 1 und 2 gleichzeitig betrachten.
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Es folgt eine Fortsetzung der Erläuterung des synchronen Gleichrichters.
Wenn immer das Signal + V positiv ist (d.h. + V ist x - x negativ), dann wird der
Rechenverstärker 123 bewirken, daß die Kontakte 119 und 124 in Eingriff miteinander
sind, so daß erneut die Halbperiode der positiven gleichgerichteten Spannung V '
vom x Kontakt 124 geführt wird. Der Ausdruck "synchrone Gleichrichter" stammt aus
der Tatsache, daß die Bewegung des Schalterarms 124 synchron mit den Nulldurchgängen
der Signale + Vx und + V erx x folgt und das Ergebnis eine Vollweg-positive Gleichrichtung
in das Signal V 1 ist.
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x Die Figur 3 erleichtert das Verständnis der Bedeutung des Ausdrucks
"synchroner Gleichrichter" und zeigt gleichzeitig eine relativ einfache Festkörperausführung
des Schalters 121. In der Figur 3 wurden der Schalterarm 124 und seine Betätigung
weggelassen. Der Schalterarm 124 wurde durch ein Paar von Dioden ersetzt, die in
an sich bekannter Vollweg-Gleichrichterschaltung geschaltet sind. Obwohl die Anordnung
nach Figur 3 für die Zwecke der vorliegenden Erfindung benutzt werden könnte, müßten
die Dioden "ideale Dioden" sein oder diesen angenähert sein, d.h. (1) sie müßten
den Stromdurchlaß beginnen oder unterbrechen beim Nulldurchgang der Signale (# Vx
und # Vx) und (2) sie müßten im Stromdurchlaß praktisch eine kurzgeschlossene Schaltung
darstellen und im Nichtdurchlaßzustand eine virtuell unterbrochene Schaltung darstellen.
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Eine bevorzugte Festkörperausführung des Schalters 121 ist in Figur
5 gezeigt, welche die Figur 5 der früheren Erfindung darstellt, die lediglich in
dem Maße abgewandelt ist, so daß sie
mit Figur 1 des vorliegenden
Textes übereinstimmt. Es ist zu beachten, daß der Verstärker 123 der Figur 1 in
der Figur 5 wieder erscheint. Daher wird hier keine ausführliche Erläuterung der
Figur 5 gegeben. Die Ausführungstrom nach Figur 5 erreicht oder zumindest nähert
sich sehr weitgehend dem Betrieb einer idealen Diode und in diesem Sinne dem Betrieb
eines idealen synchronen Gleichrichters.
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Vor der Betrachtung der weiteren Verarbeitung des Signals V@' x wird
die Aufmerksamkeit des Lesers auf einen zweiten synchronen Schalter 151 gerichtet,
welcher mit einem Rechenverstärker 157 zusammenwirkt, um einen zweiten "synchronen
Gleichrichter" zu bilden. Die symbolischen Schalter 121 und 151 sind ähnlich mit
der Ausnahme, daß der Schalter 151 bipolare Vollweg-gleichgerichtete Spannungen
+Vy' und -Vy'erzeugt (s. Figur 1 und auch Figur 2).
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Die Figur 4 bezieht sich auf den Schalter 151 im gleichen Sinne wie
die Figur 3 auf den Schalter 121. Es ist zu beachten, daß in Figur 3 vier Dioden
gezeigt sind. Ein Paar erzeugt das Vollweggleichgerichtete positive Signal +Vy'
und ein zweites Paar erzeugt das Vollweg-gleichgerichtete negative Signal -Vy In
Analogie zu Figur 5 zeigt die Figur 6 eine bevorzugte Festkörperausführung des Schalters
157, welche den Betrieb einer "idealen Diode" erreicht oder mindestens annähert
und in diesem Sinne einen Betrieb eines "idealen synchronen Gleichrichters" erreicht.
Die Figur 6 ist eine etwas abgewandelte Version der Fig. r 6 der früheren Erfindung,
welche abgewandelt ist, so daß sie mit Figur 1 des vorliegenden Textes übereinstimmt
(es ist zu beachten, daß der Verstärker 157 in der Figur 6 wieder erscheint). Die
Figur ist noch in einem weiteren Punkt abgewandelt. Während in Figur 6 der früheren
Erfindung der Schaltungspunkt 76 geerdet ist, ist in Figur 6 der jetzigen Erfindung
der Schaltungspunkt 76 nicht geerdet, sondern bildet die Quelle des Ausgangssignals
-Vx'; das Ausgangssignal +V ' wird vom Schaltungspunkt 74 erhalten. Eine x weitere
ausführliche Beschreibung der Figur 6 wird hier nicht gegeben.
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Die Figur 1 zeigt einen weiteren symbolischen Schalter 22, welcher
in genau der gleichen Weise arbeitet wie der Festkörperschalter
22
in der Figur 1 der früheren Erfindung; der symbolische Schalter 22 ist beabsichtigt
als symbolische Darstellung des Festkörperschalters 22 der früheren Erfindung.
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Es wird nunmehr die Betrachtung der weiteren Verarbeitung des Signals
Vx' wieder aufgenommen. Das Signal wird über einen Widerstand R1 an den umkehrenden
(-) Eingang eines Komparators 17 gekoppelt. Ein Filterkondensator 127 ist vom umkehrenden
Eingang mit Erde verbunden, so daß eine gefilterte Form des Signals Vx', nämlich
das Signal VXAV an dem umkehrenden Eingang erscheint. Das Signal VXAV ist der Mittelwert,
d.h. die Gleichspannungskomponente des Signals V '. Es wird hierzu auch verwiesen
auf das Wellenforx mendiagramm V zu der Figur 2. Obwohl die Einfügung eines Filterx
kondensators 117 bevorzugt wird, kann dieser Filterkondensator 117 auch weggelassen
werden. Diese Weglassung würde nicht die Gleichspannungskomponente (VxAv) beeinträchtigen,
Weitere Einzelheiten zu diesem Punkt folgen später in der Beschreibung.
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Der Komparator 17 erhält als zweites Eingangssignal ein sich periodisch
veränderndes Signal, insbesondere ein Dreieckwellensignal VT von einem Dreieckwellengenerator,
der hier einfach als Anschluß 23 gezeigt ist, und welcher einem geeigneten Dreieckwellengenerator
entspricht, wie er in Figur 4 der früheren Erfindung gezeigt ist. In Figur 1 (ebenso
Figur 2) ist die Größe Ts die Periode der Dreieckwellenform.
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Der Komparator 17 arbeitet in praktisch der gleichen Weise wie der
Komparator 17 der "früheren Erfindung". Zu einer kurzen Wiederholung dieser Funktion
wird auf die Wellenformen VT und G der Figur 2 verwiesen. Es ist zu beachten, daß
die Wellenform VT Ereignisse darstellt, welche im Innern des Komparators 17 auftreten,
während die Wellenform G das Ausgangssignal des Komparators darstellt. Die Wellenform
G wird umgeschaltet nach oben oder nach unten immer dann, wenn der Pegel des Signals
VT den Pegel Signals VXAV kreuzt. Wenn VXAV einen niedrigeren Pegel als der in Figur
2 angedeutete Pegel hatte, dann ist das Signal G hoch während eines größeren Zeitientervalls
(in der Zeitspanne Ts) und
ist niedrig während eines kleineren Zeitintervalls
TA (in der Zeitspanne Ts). Daher wird das Signal G gemäß dem Pegel des Signals VXAV
impulsbreitenmoduliert.
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Ein Stromtransformator 18 ist in Figur 1 dargestellt und seine Eingangsanschlüsse
13 und 14 sind in Reihe mit dem Laststrom des elektrischen Systems geschaltet, für
welches die Scheinleistung und/oder die Scheinenergie gemessen wird. Der durch die
Primärwicklung des Stromtransformators 33 fließende Leitungsstrom wird in ein Paar
von Analogspannungen + Vy und + Vy an der Sekundärwicklung desselben umgewandelt.
Um zu gewährleisten, daß die Signa-+ Vy und + Vy sich symmetrisch zu einem Bezugspotential
ändern, beispielsweise zu Erde, sind passende Widerstände R2 und R3 über dem Ausgang
der Sekudärwicklung des Stromtransformators 18 vorgesehen. Der gemeinsame verzweigungpunkt
dieser Widerstände und des Mittelabgriffs der Sekundärwicklung des Transformators
18 sind mit der Quelle des Bezugspotentials verbunden (beispielsweise mit Erde).
Das dem transformierten Strom entsprechende Signalpaar wird auf ein erstes Paar
von Anschlüssen 143 und 145 und auf ein zweites Paar von Anschlüssen 147 und 149
gekoppelt Ein Paar von synchronen Schalter 152 und 153 verbinden abwechselnd die
Anschlüsse + und 147 bzw. 149 und 145 mit dem bipolaren Schalter 22. Die Schalter
152 und 153 werden synchron miteinander mittels des Ausgangssignals des Rechenverstärkers
157 betrieben. Die Schalter 152 und 153 sind zuvor in diesem Text zusammengefaßt
als synchroner Schalter 151 bezeichnet worden. Im Zusammenhang mit den Figuren 4
und 6 wurden Festkörperausführungen derselben beschrieben. Die Signale, welche tatsächlich
den bipolare Schalter 22 erreichen, sind die Vollweg-gleichgerichteten Versionen
+Vy und -Vy', siehe auch Figur 2.
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Man wird sich erinnern, daß das Signal VXAV einem Eingang des Komparators
17 zugeführt wird. Wenn man den Spitzenwert der Amplitude eines der Signale + Vx
oder # Vx einfach als Vx betrachtet, dann ist die Beziehung zwischen VXAV und Vx:
VXAV = 2V /# Man wird sich weiter erinnern, daß das Ausgangssignal G des Komparators
17 eine impulsbreitenmodulierte Impulsfolge ist, deren Impulsbreite proportional
der Ampltidue VXAV und damit der Amplitude
von V Vx ist. Das Signal
G wird auf einen Inverter 29 gekoppelt, welcher das komplementäre Signal G' erzeugt.
Das Signal G' betätigt den symbolischen Schalter 22 in der gleichen Weise wie in
der früheren Erfindung; in der vorliegenden Erfindung sind jedoch die von dem Schalter
22 durchgeschalteten Signale die bipolaren Vollweg-gleichgerichteten Signal +Vy'
und -Vy' und damit ist das Ausgangssignal des Schalters 22 das amplitudenmodulierte
und impulsbreitenmodulierte Signal Vz; siehe Figur 2, Wellenformen V ' und V Y z
Wenn man die Spitzenamplitude eines der beiden Signale #Vy oder #Vy als Vy betrachtet,
dann wird die Gleichspannungskomponente von +Vy' gegeben durch 2Vy/#. Die Signale
+Vy' und -Vy' enthalten auch sinusförmige Komponenten, diese werden jedoch durch
das Filter 31 ausgefiltert. Die Gleichstromkomponente VF des Signals Vz ist proportional
4VxVy/#², d.h. sie ist proportional der Scheinleistung. Das Signakl Vz enthält auch
sinusförmige Komponenten, diese werden jedoch durch das Filter 31 herausgefiltert,
durch welches das Signal VZ geleitet wird. Das Ausgangssignal des Filters ist die
Gleichstromkomponente VF, wie sie auch in Figur 2 angedeutet ist.
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Die obige Analyse wurde entwickelt für den Fall des Phasenwinkels
e = o, d.h. dem Verlustfaktor 1,00. Es ist zu beachten, daß Vx' und Vy in Figur
2 in Phase gezeigt sind. Wenn man jedoch in Gedanken einen anderen Leistungsfaktor
annimt, dann bedeutet dies, daß in Figur 2 Vx' gegenüber Vy' verschoben ist. Dies
wird weder die Gleichspannungskomponente VXAV noch irgendeine andere Gleichstromkomponente
beeinflussen und daher erhält man mit dem gleicehn V und dem gleichen V wie zuvor
ohne Rücksicht auf den Leix y stungsfaktor das gleiche VF, welches proportional
dem Produkt von Vx und Vy und damit eine Anzeige für die gleiche Scheinleistung
ist.
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Um das Signal VF umzuwandeln, welches proportional der Scheinleistung
ist, in ein Signal, das proportional zur Scheinenergie in dem elektrischen System
ist, ist ein Konverter 33 für die Umwandlung von Analogwerten in Impulsfolgefrequenzen
vorgesehen. Die
Funktion des Konverters 33 für die Umwandlung von
Analogwerten in Impulse besteht in der Integration und Quantisierung der Scheinleistung,
welche proportional zur Spannung VF am Ausgang des Tiefpaßfilters 31 ist. Der Konverter
33 für die Umwandlung von Analogwerten in Impulswerte kann irgendeine gewünschte
bekannte Bauform besitzen. Das Ausgangssignal des Analog-Impulsfolgefrequenz-Konverters
ist eine Impulsfolge, in der jeder Impuls eine quantisierte GrRße der Scheinenergie
Wq darstellt, gegeben durch den folgenden Ausdruck:
wo K eine Dimensionskonstante, Tq die Quantisierungszeitperiode und Pa die gemessene
Scheinleistung des Systems ist.
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Daher liefert der Wandler für die Umwandlung von Analogwerten in Impulsfolgefrequenz
an seinem Ausgang eine Folge von Impulsen, und die angesammelte Zahl von Ausgangs
impulsen stellt die gesamte elektrische Energie im System dar. Das Ausgangssignal
des Analogimpulswandlers wird auf eine Einheit 39 mit Zählwerk und Anzeige gekoppelt,
welche die Impulse aufspeichert und in Dezimaleinheiten die angesammelte Scheinenergie
in kVAh anzeigt und aufzeichnet.
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Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform kann auf vielfältige Weise
abgewandelt werden. Eine Abwandlung wurde zuvor erwähnt, nämlich die Auslassung
des Kondensators 127. Dies wird die Gleichstromkomponente des Signals Vx' nicht
beeinträchtigen; es würde jedoch dazu führen, daß in der Impulsbreitenmodulation
des Signals G sinusförmige Komponenten vorhanden sind und würde daher eine größere
Filterfähigkeit für das Filter 31 notwendig machen.
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Eine weitere abgewandelte Form besteht darin, daß erneut der Kondensator
127 weggelassen ist. Statt dessen ist ein Kondensator vom Schalteranschluß 122 mit
Erde verbunden. Dieser letztere Kondensator würde ebenfalls eine Filterfunktion
ausüben und auch noch eine Aufladefunktion. In einem solchen Falle wäre das Signal
+Vx' ein stationäres gleichstromähnliches Signal mit einer Amplitude gleich Vx.
Mit anderen Worten würde der Schalter 121 als
ein Spitzengleichrichter
anstatt als Mittelwertgleichrichter arbeiten, Eine solche Modiiikation würde lediglich
die Proportionalitätskonystante für die Gleichstromkomponente von +V t ändern und
sonst in keiner Weise das Arbeitsprinzip beeinflussen. Bei einer weiteren Modifikation
können sowohl der angenommene Aufladekondensator als auch der Kondensator 127 vorgesehen
sein. In einer weiteren Modifikation kann der Schalter 121 lediglich für Halbweg-Gleichrichtung
vorgesehen sein; in einem solchen Falle sollten jedoch der angenommene Aufladekondensator
und vorzugsweise auch der Kondensator 127 enthalten sein.
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In ähnlicher Weise können Aufladekondensatoren vom Schalteranschluß
154 mit Erde verbunden werden und vom Schalteranschluß 156 mit Erde. Auch hier würde
man eine Spitzengleichrichtung erhalten anstelle einer Mittelwert-Gleichrichtung
für die Signale +Vy' und -Vy'. In ähnlicher Weise könnte der Schalter 151 lediglich
für Halbweg-Gleichrichtung der Signale +Vy' und -Vy' einrichtet werden, wobei vorzugweise
die Aufladekondensator enthalten sind.
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Eine weitere Modifikation würde in einem Aufladekondensator bestehen,
der vom Schalteranschluß 27 nach Erde geschaltet ist. In allen beschriebenen Modifikationen
würde sich mit Ausnahme der Änderungen der Proportionalitätskonstanten keine Einwirkung
auf die Gleichstromkomponenten der verschiedenen gleichgerichteten Signale ergeben,
Es ist zu beachten, daß letztendlich das Filter 31 alle sinusförmigen Komponenten
ausfiltert und lediglich die Gleichstromkomponenten durchläßt.