DE2801704B1 - Gleichrichterschaltung fuer die Bestimmung von Spitzenspannungswerten - Google Patents

Description

• Weiterbildungen an der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
• Die Erfindung sowie deren Weiterbildungen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigt F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels, F i g. 2 den Spannungsverlauf an verschiedenen Stellen der Schaltung nach F i g. 1 bei Messung einer zeitlich sich in der Amplitude ändernden Wechselspannung, F i g. 3 eine Schaltungsanordnung eines Ausführungsbeispieles, Fig.4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem mit einer Vorspannung gearbeitet wird.
• Bei der Schaltung nach Fig. 1 wird die Eingangswechselspannung Um dem Emitter eines in Basisschaltung betriebenen Transistors TR 1 zugeführt, an dessen Basis ein Kondensator Cl und ein ohmscher Widerstand R1 angeschlossen sind. Der Kollektor dieses ersten Transistors TR 1 ist mit der Basis eines zweiten Transistors TOR 2 verbunden, dessen Emitter an Masse geführt ist. Der Kollektor dieses Transistors ist mit der Basis eines dritten Transistors TR 3 verbunden, dessen Emitter an den Emitter des ersten Transistors TR 1 angeschlossen ist und damit direkt mit der Eingangswechselspannung UF beaufschlagt wird. Der Kollektor des dritten Transistors ist zu einem Ladekondensator C2 geführt, der im Querzweig der Schaltung liegt und die Abspeicherung der Spitzenspannungswerte übernimmt. Weiterhin ist zweckmäßig ein Serienwiderstand R 2 im Ausgangskreis vorgesehen, dem vorteilhaft ein im Querzweig liegender weiterer Ladekondensator C3 nachgeschaltet ist. Die Kombination aus dem Serienwiderstand R 2 und dem zweiten Ladekondensator C3 hat die Aufgabe, kurze Nadelimpulse auf der Gleichspannung, die am Ausgang d. h. an dem ersten Ladekondensator C2 noch auftreten können, zu unterdrücken. Die Ausgangsspannung UA in der dargestellten Schaltung liefert eine genau dem Spitzenspannungswert entsprechende gleichgerichtete Spannung, wobei sowohl störende niederfrequente Wechselspannungsanteile vermieden sind als auch gewährleistet wird, daß eine schnelle Änderung der zu messenden Eingangswechselspannung ohne unzulässige Verzögerung sofort festgestellt bzw. gemessen werden kann.
• Die dargestellte Schaltung arbeitet folgendermaßen: Die Eingangswechselspannung wird zunächst durch die Emitter-Basis-Diodenstrecke des ersten Transistors TR 1 gleichgerichtet und der entsprechende Spitzenwert im Speicherkondensator C1 festgehalten. Die Zeitkonstante der RC-Kombination aus C1 und R 1 wird durch die Größe der jeweiligen Kapazitäts- und Widerstandswerte der beiden Elemente zweckmäßig so festgelegt, daß von Spitze zu Spitze (d. h. innerhalb der Periodendauer) aufeinanderfolgender Maxima ein ausreichender Spannungsabfall der Speicherspannung des Kondensators C1 eintritt. Das bedeutet, daß die Zeitkonstante der Schaltung R 1, C1 nicht zu hoch gewählt werden soll, um eine aureichend schnelle Anpassung des gemessenen Spannungsverlaufs UA an die Eingangswechselspannung UE zu erreichen. Der Transistor TR 1 wird erst dann wieder leitend, wenn eine nachfolgende positive Spitze der Eingangsspannung die Spannung UC1 am Speicherkondensator C1 überschreitet. In diesem Augenblick wird über den Kollektor des ersten Transistors TOR 1 die Basis des zweiten Transistors TR 2 angesteuert und dieser öffnet den dritten Transistor TR 3, so daß der jeweilige Spitzenwert der Eingangswechselspannung UEüber die Emitter-Kollektorstrecke des dritten Transistors TOR 3 zum Ladekondensator C2 durchgeschaltet wird. In diesem Ladekondensator C2 wird der entsprechende Spitzenspannungswert UC2 abgespeichert. Kurz nach dem Überschreiten des positiven Maximalwertes der Eingangspannung UE wird der erste Transistor TR 1 wieder gesperrt (weil die Eingangsspannung UEkleiner wird als die Speicherspannung UC1) und mit ihm die beiden Transistoren TR 2 und TR 3. Dadurch bleibt der im Ladekondensator C2 gespeicherte Spannungswert UC2 erhalten bis der nächste Spitzenspannungswert der Eingangspannung UEauftritt.
• Die Einzelheiten des Spannungsverlaufs sind aus Fig. 2 zu entnehmen, wobei in der ersten Teile eine Eingangswechselspannung UEmit in Stufen abnehmender Amplitude dargestellt ist. In der zweiten Zeile ist der Verlauf der Ladespannung UC 1 des Kondensators C 1 gezeichnet, die jeweils im Bereich der Maximalamplitude der Eingangsspannung UE ihren größten Wert erreicht und bis zum Auftreten der nächsten Maximalamplitude entsprechend der jeweiligen Zeitkonstante in einem noch nahezu linearen Zeitverlauf geringer wird.
• Dieser Abfall muß zeitlich so gewählt werden, daß er stärker ist als die größtmögliche Amplitudenänderung von einem Amplitudenmaximum zum andern. Andernfalls würde die ankommende Maximalamplitude des Eingangs-Wechselspannungssignals nicht größer sein als die in C1 noch vorhandene Spannung UC1 und es käme zu keiner Durchschaltung des dritten Transistors TR 3 und damit auch zu keiner Weitergabe dieses neuen Ampltidenwertes an den Ladekondensator C2 (sondern erst bei weiteren Spannungsmaxima). Im allgemeinen sollte somit nicht mit einer allzu großen Zeitkonstante der Kombination C 1/R 1 gearbeitet werden.
• Die in der dritten Zeile dargestellte Spannung UC2 des am Ausgang des Transistors TOR 3 angeschalteten Ladekondensators C2 zeigt zunächst zwei gleichhohe Spannungsanteile, welche durch die zwei gleich großen ersten Maximalamplituden der Wechselspannung UE gebildet werden. Dann folgen (ohne Verzögerung) drei gleich große Spannungswerte, welche durch die drei nachfolgenden ebenfalls gleich großen Maxima der Wechselspannung UE hervorgerufen sind. Anschließend folgt ein stufenweiser Abfall, der ebenfalls genau der Verringerung der Maximalamplituden der Eingangsspannung UEentspricht.
• Die durch die Umschaltung der Transistoren sich ergebenden nadelförmigen Einbrüche in der Spannung UC2 können durch die Kombination aus dem ohmschen Serienwiderstand R 2 und dem Kondensator C3 weitgehend unterdrückt werden. Am Ausgang der Schaltung ergibt sich somit eine diese kurzen Nadelimpulse der Gleichspannung UC2 nicht mehr aufweisende Ausgangsspannung UA, welche in der vierten Zeile dargestellt ist. Der Wert der gemessenen Spitzenspannung wird durch diese Maßnahme nicht beeinträchtigt, so daß die Meßgenauigkeit erhalten bleibt.
• Die nadelförmigen Einbrüche bei der Spannung UC 1 sind um so stärker, je größer die Spannungsdifferenz zwischen dem Spitzenwert der Spannung UE und dem Momentanwert der Spannung UC ist und entsprechen der Größe der Welligkeit von UC 1. Deshalb sollte die Zeitkonstante der Kombination R 1, C1 nicht zu klein gewählt werden.
• Bei der Schaltung nach Fig.3 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 zusätzlich zwischen dem Kollektor des ersten Transistors TR 1 und der Basis des zweiten Transistors TR 2 ein ohmscher Serienwiderstand R 4 und weiterhin ein ohmscher Querwiderstand R 3 eingeschaltet. Dadurch wird die Abhängigkeit der Linearität der Gleichspannung am Ausgang UA qegenüber der angelegten Wechselspannung am Eingang UE verbessert. Im Gegensatz zu einem Diodengleichrichter, bei dem die Ausgangsspannung um die stark temperaturabhängige Anlaufspannung kleiner ist als die Amplitude der Einqangsspannung, tritt bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 nur die Sättigungsspannung des Transistors TR 3 in Erscheinung, die durch einen kleinen Durchlaßstrom sehr klein gehalten werden kann. Der Widerstand R 5 zwischen dem Kollektor des Transistors TOR 2 und der Basis des Transistors TR 3 dient der Strombegrenzung bei der Durchschaltung.
• Bei der Schaltungsvariante nach der F i g. 4 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 zusätzlich eine Gleichstrom-Vorspannung UV vorgesehen, die den Widerständen R1 und R 3 sowie dem Emitter des Transistors TR 2 zugeführt ist. Hierzu sind diese Elemente im Geqensatz zu der Schaltung nach Fig.3 nicht mit der Masseleitung sondern mit dem Minuseingang der Vorspannung UV verbunden. Diese Schaltungsanordnung der Gleichrichterschaltung erweitert den nutzbaren Dynamikbereich zu tiefen Pegeln hin und ermöglicht somit auch die Erfassung besonders kleiner Spitzenspannungswerte. Die Erfindung ist besonders für die Anwendung in der elektrischen Nachrichtenmeßtechnik geeignet.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Gleichrichterschaltung mit kapazitiver Speichereinrichtung für die Bestimmung von Spitzenspannungswerten bei elektrischen Wechselspannungen, da du r c h g e k e n n z e ich n e t, daß ein erster, in Basisschaltung betriebener und an die zu messende Wechselspannung (UE) angeschlossener Transistor (TR 1) vorgesehen ist, dessen Basis mit einem Speicherkondensator (C) 1) und einem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand (R 1) verbunden ist, daß ein zweiter, mit seiner Basis an den Kollektor des ersten Transistors (TR 1) angeschlossener Transistor (TR2) mit seinem Emitter nach Masse geführt ist und mit seinem Kollektor die Basis eines dritten Transistors (TR3) ansteuert, dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors (TR 1) verbunden und dessen Kollektor zu mindestens einem im Querzweig liegenden Ladekondensator (C2) geführt ist, in dem der Spitzenspannungswert (UA)der zu messenden Wechselspannung (UE) abgespeichert wird.
2. 2. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ladekondensator (C2) in Serie ein ohmscher Widerstand (R 2) eingeschaltet ist, auf den im Querzweig ein weiterer Ladekondensator (C3) folgt, von dem der Spitzenspannungswert (UA) der zu messenden Wechselspannung (UE)abgenommen wird.
3. 3. Gleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (TR 1) und der Basis des zweiten Transistors (TR 2) ein ohmscher Querwiderstand (R 3 in F i g. 3) und ein ohmscher Längswiderstand (R4 in Fig.3) eingeschaltet sind.
4. 4. Gleichrichterschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleich-Vorspannung (UV in Fig.4) an dem Emitter des zweiten Transistors (TR 2), an den Querwiderstand (R 3) und an den Parallelwiderstand (R 1) des Speicherkondensators (C 1) angeschlossen ist.
5. 5. Gleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des aus dem Speicherkondensator (C 1) und dem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand (R 1) gebildeten RC-Gliedes so gewählt ist, daß nadelförmige Einbrüche bei der Spannung (UC2) des Ladekondensators (C2) möglichst klein gehalten werden.
6. 6. Gleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des aus dem Speicherkondensator (C 1) und dem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand (R 1) gebildeten RC-Gliedes so gewählt ist, daß von einem Amplitudenmaximum der Eingangsspannung (UE) zum nächsten ein ausreichend großer Spannungsabfall am Speicherkondensator (C 1) eingetreten ist.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichrichterschaltung mit einer kapazitiven Speichereinrichtung für die Bestimmung von Spitzenspannungswerten bei elektrischen Wechselspannungen.

   Bei der Gleichrichtung, insbesondere von niederfre- quenten Signalspannungen, tritt oft ein Konflikt zwischen zwei einander widersprechenden Forderungen auf. Einerseits soll die Gleichspannung keine zu große Welligkeit aufweisen, die meist mit einem Frequenzgang bei tiefen Frequenzen verbunden ist, und andererseits soll die Gleichspannung möglichst schnell einer Amplitudenänderung der Signalspannung folgen.

   Zur Lösung dieser Probleme ist es bekannt, die erste Ableitung der Eingangsspannung zu benützen, um den Umkehrpunkt dieser Spannung zu finden (im Maximum ist die erste Ableitung Null). Dieses Kriterium läßt sich zur Steuerung einer Abtast- und Halteschaltung benützen.

   Auf diese Weise wird bei jeder einzelnen Schwingung der höchste Augenblickswert der Spannung gespeichert. Die hierfür benötigte Schaltung ist relativ aufwendig.

   Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, die Signalspannung zuerst wie üblich auf einen Spitzengleichrichter zu geben und die gleichgerichtete Spannung beim nächsten Nulldurchgang des Signals abzuspeichern. Anschließend muß der Ladekondensator des Spitzengleichrichters entladen werden, bevor er den nächsten Spitzenwert aufnehmen kann. Auch hier ist ein hoher Schaltungsaufwand notwendig.

   Der Erfindung, welche sich auf eine Gleichrichterschaltung der eingangs genannten Art bezieht, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu schaffen, die ohne großen Aufwand ausgangsseitig keine zu großen Welligkeit in der gemessenen Spitzenwert-Gleichspannung aufweist und trotzdem etwaigen Amplitudenänderungen der Signalspannung schnell folgen kann. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß ein erster, in Basisschaltung betriebener und an die zu messende Wechselspannung angeschlossener Transistor vorgesehen ist, dessen Basis mit einem Speicherkondensator und einem parallelgeschalteten ohmschen Widerstand verbunden ist, daß ein zweiter, mit seiner Basis an den Kollektor des ersten Transistors angeschlossener Transistor mit seinem Emitter nach Masse geführt ist und mit seinem Kollektor die Basis eines dritten Transistors ansteuert, dessen Emitter mit dem Emitter des ersten Transistors verbunden und dessen Kollektor zu mindestens einem im Querzweig liegenden Ladekondensator geführt ist, in dem der Spitzenspannungswert der zu messenden Wechselspannung abgespeichert wird.

   Der Speicherkondensator im Basisteil des ersten Transistors bewirkt eine Zwischenspeicherung des jeweiligen Spitzenspannungswertes. Dieser erste Transistor wird erst wieder leitend, wenn die positive Spitze der Eingangsspannung die Spannung an dem Speicherkondensator des ersten Transistors überschreitet. In diesem Augenbllick wird über den Kollektor des ersten Transistors die Basis des zweiten Transistors angesteuert und diese öffnet den dritten Transistor, so daß in dem nachfolgenden Ladekondensator der positive Spitzenwert der Eingangsspannung abgespeichert wird.

   Nach dem Überschreiten des positiven Maximalwertes der Eingangsspannung wird der erste Transistor wieder gesperrt und mit ihm die beiden anderen Transistoren.

   Auf diese Weise ist einerseits gewährleistet, daß die am Ausgang erhaltene Gleichspannung möglichst schnell einer etwaigen Amplitudenänderung in der Eingangsspannung folgt und andererseits sicherstellt, daß keine zu große Welligkeit bei der Ausgangsspannung auftritt.