DE2739471C3 - Gleichrichterschalung zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf \nalogrechner und betrifft insbesondere eine Gleichrichterschaltung zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom.

Gegenwärtig gilt als Entwicklungstendenz für die Meßtechnik die Analyse der Meßergebnisse durch ein automatisches Informationsverarbeitungssystem und die Erzeugung von Steuersignalen auf Grund der Verarbeitungsergebnisse. Ein Kriterium für die Arbeitseffektivität der automatischen Systeme ist die Signaiverarbeitungsgeschwindigkeit. was besondere Anforderungen an die Güte und Schnelligkeit der Übergangsvorgänge in den einzelnen Umforniungsgruppen in einem dynamischen Bereich stellt. Die Sicherung von vorgegebenen nichtlinearen Verhältnissen /wischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen in einem weiteren dynamischen Bereich, d. h. bei großen Änderungen der umzuformenden Signale, erfordert die Anwendung von Funktionsumformern mit Operationsverstärkern. Die Eingangssignal sind bei den Funktionsumformern automatischer Systeme oft Wechselstromsignale und die Ausgangssignale Glcichstromsignale. In derartigen Situationen werden Funktionsvcrstärker erfordert, bei welchen eine große Verstärkung im gesamten Arbeilsfrequcn/bcrcich /ur Sicherung einer hohen statischen Umformungsgenauigkeit erhalten bleibt, und bei welchen die verstärkten Schwankungen sowie die Änderungen der Ausgangssignalc bei Änderung der umzuformenden Eingangssignale keine dauerhaften Übergangsvorgänge in den Funktionsumformern hervorrufen.

Aus der US-PS J5 66 145 ist bereits eine Gleichrichterschaltung der im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebenen Art bekannt.

Bei dieser Gleichrichterschaltung muß jedoch ein in den Gleichslromrückkopplungskreis geschaltetes RC-Glied zur Sicherung der erforderlichen Umformungsdaten bei der unteren Arbeitsfrequenz, d. h. zur Sicherung der erforderlichen hohen Verstärkung bei diesen Frequenzen eine um einige Größenanordnungen ■> kleinere Grenzfrequenz haben, was zur Senkung seiner Schnelligkeit und zu einer Verzögerung des Übergangsvorganges führt

Darüber hinaus müssen zur Sicherung der erforderlichen Grenzfrequenz für das RC-G\\ed Kondensatoren

ίο von größerer Kapazität und somit von größeren Abmessungen benutzt werden, was die Ausführung der Umformer in Mikrominiaturiechnik unmöglich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichrichterschaltung zur Umwandlung von Wechselin Gleichstrom mit solchen Zusatzelementen zu schaffen, die es gestatten, die Schnelligkeit der Gleichrichterschaltung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Die erfindungsgemäße Gleichrichterschaltung gestattet es, das Verhältnis zwischen der unteren Arbeitsfrequenz des KC-Gliedes im Gleichstromrückkopplungskreis zu vermindern, was die Widerherstellungszeit der Arbeitsfähigkeit des Funktionsumformers nach zufälligen Überlastungen stark vermindert und seine Störfestigkeit erhöht.

Außerdem sichert die Erfindung die Wahl einer

optimalen Übergaugskennlinie (zum Beispiel einer monotonen Übergangskennlinie bzw. einer gleichwelligen Übergangskennlinie).

Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher

i> erläutert. Die Zeichnung zeigt das Schaltbild einer Gleichrichterschaltung zur Umwandlung von Wechselin Gleichstrom.

Die Gleichrichterschaltung enthält einen Operationsverstärker 1, dessen Eingang 2 mit dem Anschluß eines

■*o Eingangswiderstandes 3 in einem Punkt 4 verbunden ist. Der andere Anschluß des Widerstandes 3 ist an eine Eingangsklemme 5 gelegt. Der Ausgang 6 des Verstärkers 1 ist mit dem einen Anschluß eines Hauptwiderstandcv 7 und dem einen Anschluß eines

'^r> nichtlinearen Elementes 8 im Punkt 9 verbunden. Der /weite Anschluß des nichtlinearen Elementes 8 und der erste Anschluß des Hauptwiderstandes 10 sind an den Punkt 4 gelegt. Dk- zweiten Anschlüsse der Hauptwiderstände 7, 10 und die ersten Anschlüsse zusätzlicher

><» Glättungskondensatoren II, 12 sind in einem Punkt 13 verbunden. Der Eingang 14 eines zusätzlichen Widerstandes 16 sind in einem Punkt 17 verbunden. Der Ausgang 18 eines zusätzlichen Operationsverstärkers 15, der zweite Anschluß des zusätzlichen Kondensators

ίί 12 und der erste Anschluß des zusätzlichen Widerstandes 19 sind in einem Punkt 20 verbunden. Die zweiten Anschlüsse der zusätzlichen Widerstände 16, 19 und der erste Anschluß eines Hauptkondensators 21 sind in einem Punkt 22 verbunden, während der zweite

W Anschluß des Hauptkondensators 2t geerdet ist.

Bei nichtsymmetrischem Aufbau des nichtlinearen Elements gegenüber verschiedenen Halbperioden des über dasselbe fließenden Wechselstroms ist der Ausgang der Schaltung an den Verbindungspunkten 4

f>'> angeschlossen. Bei symmetrischem Aufbau des nichtlinearen Elements 8 kann der Ausgang der Glcichrichterschaltung je nach dem konkreten Aufbau des nichtlinearen Elements 8 an verschiedene innere Punkte

desselben angeschlossen sein. Beispielsweise besteht bei der aus der US-PS 35 66 145 bekannten Gleichrichterschaltung das nichtlineare Element aus zwei Transistoren, deren Basen und Emitter miteinander verbunden sind. Die Ausgangssignale lassen sich dann jeweils an den Kollektoren der beiden Transistoren abgreifen.

Die Gleichrichterschaltung arbeitet wie folgt.

Die an die Eingangsklemmen 5 und 23 angelegte Wechselspannung erzeugt am Eingangswiderstand 3 einen Wechselstrom, der dem Verhältnis dieser Wechselspannung zum Wert des Eingangswiderstandes 3 entspricht. Der am Widerstand 3 erzeugte Wechselstrom fließt über das nichtlineare Element 8. Daher bildet es gleichzeitig eine Wechselstromgegenkopplungsschaltung. Am Eingang 2 des Operationsverstärkers 1 ist wegen der Wechselstromgegenkopplung die Spannung nahezu gleich null. Ebenso nahezu gleich null ist die Wechselspannung am Verbindungspunkt 13. Deshalb wird dieser Wechselstrom nicht zum Widerstand 10 abgezweigt. Am Ausgang 6 dej Operationsverstärkers 1 wird eine Spannung erzeugt, die dtrch das nichtlineare Element 8 und den durch dieses fließenden Wechselstrom bestimmt wird.

Vom Ausgang 6 des Operationsverstärkers 1 wird die Spannung dem Gleichstromrückkopplungskreis des Operationsverstärkers 1 über den Hauptwiderstand 7 zugeführt. Die Filterung des im Gleichstromrückkopplungskreis des Verstärkers 1 fließenden Stromes wird durch den Hauptwiderstand 7, die zusätzlichen Glättungskondensatoren 11,12, den Hauptglättungskondensator 21, die zusätzlichen Widerstände 16, 19 und den zusätzlichen Operationsverstärker 15 realisiert. Der von den aufgezählten Elementen gebildete Kreis hat eine von der Frequenz der umzuformenden Wechselspannung abhängige Eingangsimpedanz und bildet im Gleichstromrückkopplungskreis des Operationsverstärkers 1 gemäß der Erfindung drei Pole für die Übertragungsfunktion des elektrischen Signals (in der Zeichnung n^;cht gezeigt) vom Ausgang 6 des Operationsverstärkers 1 auf seinen Eingang 2 über die Widerstände 7 und 10.

Die Verminderung der Verstärkung bei dem Operationsverstärker 1, hervorgerufen durch seine Gleichstromrückkopplung bei Gleichheit der Pole, ist etwa gleich der dritten Potenz des Verhältnisses zwischen der unteren Arbeitsfrequenz und der Grenzfrequenz des Gleichstromrückkopplungskreises.

Bei einem zulässigen statischen Fehler, beispielsweise der Größenordnung 0,1% ist ein Rückkopplungsgrad von 1000 erforderlich. In diesem Falle wird das Verhältnis zwischen der unteren Arbeiisfrequenz und der Grenzi'requenz gleich 10. Die Einschwingzeit der Ausgangsgleichspannung des Operationsverstärkers t und somit des Umformers selbst ist dabei umgekehrt proportional der Grenzfreqquenz, d.h. sie beträgt 10 Perioden der unteren Arbeiisfrequenz des Umformers.

Für einige konkrete Arten von nichtlinearen Verhältnissen zwischen elektrischen Ein- und Ausgangssignalen, beispielsweise bei der Umformung von Wechselspannung proportional dem mittleren Wert ihres absoluten Betrags, ist ein schwingender Übergangsprozeß in dem Operationsverstärker 1 zulässig, da der Umformungsfehler hierbei quadratisch abnimmt. Deshalb können gemäß der Erfindung die Nennwerte der Elemente im Gleichstromrückkopplungskreis derart gewählt werden, daß die Pole der Übertragungsfunktion des GleichstromriJckkopplungskreises des Verstärkers 1 nicht ein Vielfaches darstellen, sondern dem gleichwelligen Übergangsprozeß entsprechen (in der Zeichnung nicht gezeigt).

In diesem Falle findet in dem Gleichst! omrückkopplungskreis des Verstärkers 1 ein schwingender Übergangsprozeß (in der Zeichnung nicht gezeigt) mit vorbestimmter Überschwingungsamplitude statt, wobei zusätzlich die Einschwingzeit der Ausgangsgleichspannung des Umformers vermindert wird.

Der zusätzliche Verstärker 15 in Kombination mit den zusätzlichen Widerständen 16,19 und Kondensatoren 11, 12 gestattet es, die Grenzfrequenz des Gleichstromrückkopplungskreises um einige Größenordnungen zu erhöhen. Die Erhöhung der Grenzfrequenz bietet die Möglichkeil, sperrige und kostspielige Kondensatoren großer Kapazität im Gleichstromrückkopplungskreis durch kleine Kondensatoren von geringer Kapazität zu ersetzen.

Außerdem werden an den zusätzlichen Operationverstärker 15 keine hohen Anforderungen gestellt, da dieser Verstärker 15 mit einer 100%-igen Gleichstromrückkopplung versehen ist.

Aus den oben erwähnten Gründen kann die Gleichstromschaltung mit den zusätzlichen Kreisen in Miniaturausführung realisisert werden.

Die Erhöhung der Schnelligkeit der erfindungsgemäßen Gleichrichterschaltung gestattet es, die Umformung ohne Einfluß der Drift des Operationsverstärkers 1 auszuführen und damit die Genauigkeit der Umformung von kleinen Signalen zu erhöhen. Dies gestattet die Benutzung von billigeren Operationsverstärkern mit großer Drift.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gleichrichter zur Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom, mit einem Operationsverstärker, an dessen Eingang ein Eingangswiderstand angeschlossen ist, einem nichtlinearen Element, das elektrisch mit dem Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist, miteinander verbundenen Widerständen, von denen der eine an den Eingang und der andere an den Ausgang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, und mit einem Hauptglättungskondensator, der einerseits mit dem Verbindungspunkt der Widerstände und anderseits mit Masse verbunden ist, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Operationsverstärker (15) durch zwei zusätzliche Glättungskondensatoren (11, 12), bei einem von welchen ein Anschluß an den Eingang (14) des zusätzlichen Operationsverstärkers (15) und bei dem anderen an den Ausgang (18) dieses zusätzlicher. Operationsverstärkers (15) gelegt sind, während deren andere Anschlüsse an den Verbindungspunkt (13) der Hauptwiderstände (7,10) gelegt sind, und durch zwei miteinander verbundene zusätzliche Widerstände (16,19) von denen der eine an den Eingang (14) und der andere an den Ausgang (18) des zusätzlichen Operationsverstärkers (15) angeschlossen ist, während ihr Verbindungspunkt (22) an den Hauptglättungskondensator (21) gelegt ist.