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Sägezahngenerator
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Die Erfindung betrifft einen Sägezahngenerator mit einem einen aufladbaren
Kondensator enthaltenden Integrator und einem dem Kondensator parallel geschalteten
elektronischen Schalter zum Zurücksetzen des Integrators in periodischen Zeitabständen.
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Ein derartiger Sägezahngenerator ist beispielsweise in dem Buch "Netzgeführte
Stromrichter mit Thyristoren" von G. Möltgen, 2. Auflage, Siemens AG 1967, Seite
278 beschrieben. Dabei wird ein Operationsverstärker über einen Widerstand mit einer
konstanten Gleichspannung gespeist.
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In einem Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers ist ein Kondensator
angeordnet, der von dem elektronischen Schalter überbrückt ist. Nach dem Zurücksetzen
des Integrators durch den elektronischen Schalter steigt die Ausgangsspannung des
Integrators von Null beginnend linear an. Dabei hängt die Linearität von der Verstärkung
des Differenzverstärkers ab, die sehr groß gemacht werden kann. Der Scheitelwert
der Sägezahnspannung vor dem Zurücksetzen hängt vom Kondensator im Gegenkopplungszweig
des Integrators ab. Kondensatoren sind Jedoch nur mit begrenzter Genauigkeit herstellbar
und verändern außerdem ihre Kapazität durch Alterungs- und Temperatureinflüsse.
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Ein genau definierter Scheitelwert konnte daher bisher nur mit aufwendigen
digitalen Schaltungen erreicht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sägezahngenerator der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß der Scheitelwert der Sägezahnspannung von der
Kapazität des im Integrator verwendeten Kondensators und von der Ansteuerfrequenz
des den Integrator zurücksetzenden elek-
tronischen Schalters weitgehend
unabhängig wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ausgang
des Integrators und eine erste Referenzspannungsquelle mit entgegengesetzter Polarität
Jeweils mit den Eingängen eines Addierglieds verbunden sind, daß der Ausgang des
Addierglieds mit dem Eingang eines Reglers mit Integrator-Verhalten verbunden ist,
dessen Ausgang mit dem Eingang des Integrators verbunden ist und daß die Zeitkonstante
des Reglers wesentlich größer als die Zeitkonstante des Integrators ist.
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Bei dieser Schaltung wird die Ausgangsspannung des Sägezahngenerators
mit einer Referenz spannung verglichen und die Eingangsspannung des Integrators
verringert, wenn der Mittelwert der Sägezahnspannung über der Referenzspannung liegt
bzw. erhöht, wenn der Mittelwert der Sägezahnspannung unter der Referenzspannung
liegt. Der Sägezahngenerator wird daher so eingeregelt, daß der Mittelwert der Sägezahnspannung
mit der Referenz spannung Ubereinstimmt. Damit wird der Scheitelwert der Sägezahnspannung
also durch die erste Referenzspannung bestimmt, die mit einfachen Mitteln sehr genau
vorgegeben werden kann.
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Bei einem Sägezahngenerator, bei dem der Eingang des Integrators mit
einer zweiten Referenzspannungsquelle verbunden ist, können vorteilhafterweise der
Ausgang des Reglers und die zweite Referenzspannungsquelle Jeweils mit den Eingängen
eines zweiten Addierglieds verbunden sein, dessen Ausgang mit dem Eingang des Integrators
verbunden ist. Dabei wird durch die Spannung der zweiten Referenzspannungsquelle
ein Grundwert für den Scheitelwert der Sägezahnspannung vorgegeben, der dem gewünschten
Scheitelwert möglichst nahekommen soll. Durch den Regler erfolgt lediglich eine
Feinregelung, die den Scheitelwert der Sägezahnspannung weiter an den gewünschten
Wert annähert
Diese Schaltung ist insbesondere beim Einschaltvorgang
vorteilhaft, da sich die Sägezahnspannung bereits weitgehend auf den gewünschten
Wert einstellt, bevor der Regler mit seiner verhältnismäßig großen Zeitkonstante
eingreift und eine weitere Annäherung an den Sollwert herbeifUhrt.
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Vorteilhafterweise können das Addierglied und der Regler mit einem
Operationsverstärker realisiert sein, wobei zwischen Ausgang und invertierendem
Eingang des Operationsverstärkers ein Kondensator angeordnet ist, wobei der invertierende
Eingang des Operationsverstärkers über einen ersten Widerstand mit dem Wert R mit
der den Soll-Scheitelwert der Sägezahnspannung liefernden ersten Referenzspannungsquelle
und über einen zweiten Widerstand mit dem Wert 1/2 R mit dem Ausgang des Integrators
verbunden ist.
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Damit kann der Sägezahngenerator auf einfache Weise realisiert werden.
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AusfUhrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren
1 und 2 näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Sägezahngenerators gemäß
der vorliegenden Erfindung. Als Integrator 1 ist dabei ein Operationsverstärker
1a vorgesehen, dessen Ausgang über einen Kondensator ib mit seinem invertierenden
Eingang verbunden ist. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1a wird
über den Widerstand 1c eine Spannung zugeführt, die er aufintegriert. Dem Kondensator
1b ist ein Schalter 2 parallel geschaltet, der in periodischen Zeitabständen von
einem Taktgeber 2a geschlossen wird.
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Der Integrator 1 integriert also die am Widerstand 1c anstehende Spannung
auf, bis der Schalter 2 geschlossen wird. Die Ausgangsspannung an der Ausgangsklemme
A geht damit auf Null zurück und steigt nach dem Öffnen des
Schalters
2 wieder weitgehend linear an. Dabei ist die Anstiegsgeschwindigkeit und damit auch
der Scheitelwert der entstehenden Sägezalinspannung durch die Höhe der am Widerstand
1c anstehenden Spannung und durch die Kapazität des Kondensators 1b bestimmt. Bei
bekannten Schaltungen wird daher der Widerstand 1c an eine Referenzspannungsquelle
angeschlossen, die sich verhältnismäßig einfach mit hoher Genauigkeit realisieren
läßt. Die Toleranzen von Kondensatoren sind dagegen, wie eingangs erwähnt, wesentlich
größer, so daß die Genauigkeit des Scheitelwerts ohne Zusatzmaßnahmen letztlich
durch den Kondensator begrenzt ist. Die Kapazität des Kondensators ist unter anderen
auch von der Umgebungs-Temperatur und von der Alterung abhängig. Der Scheitelwert
der Sägezahnspannung ist außerdem proportional zu der Integrationszeit des Integrators
1 und damit abhängig von der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2.
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Um die Abhängigkeit des Scheitelwerts der Sägezahnspannung von der
Kapazität des Kondensators Ib und der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters
2 zu eliminieren, ist in der Schaltung nach Fig. 1 der Regler 3 mit Integrator-Verhalten
vorgesehen. Der Eingang des Reglers 3 ist mit dem Ausgang der Addierstufe 4 verbunden,
und der Ausgang des Reglers 3 ist über den Widerstand 1c mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 1a verbunden. Der Addierstufe 4 werden eingangsseitig
eine Referenzspannung Uref und das negative Ausgangssignal des Operationsverstärkers
la zugeführt.
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Die Zeitkonstante des Reglers 3 ist wesentlich größer als die Zeitkonstante
des Integrators 1.
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Wenn bei der Schaltung nach Fig. 1 beispielsweise der Mittelwert der
negativen Sägezahnspannung, bei einer idealen Sägezahnspannung also der halbe Scheitelwert,
betragsmäßig kleiner ist als die Referenzspannung Uref1,
so steht
am Ausgang des Addierglieds 4 eine im Mittel positive Spannung an, die im Regler
3 aufintegriett wird.
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Die Ausgangsspannung des Reglers 3, die dem Integrator 1 zugeführt
wird, steigt daher an, so daß der Scheitelwert der Sägezahnspannung vergrößert wird.
Damit wird auch der Mittelwert der Sägezahrispannung höher, bis sein Betrag schließlich
mit der Referenzspannung Urefl übereinstimmt. Am Eingang des Reglers 3 steht dann
nur noch eine Wechselspannung an, die wegen der verhältnismäßig großen Zeitkonstante
des Reglers 3 zu keiner Veränderung der Ausgangsspannung führt. Bei der Schaltung
nach Fig.1 stellt sich also - unabhängig von Kapazitätsschwankungen des Kondensaotrs
Ib sowie von der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters2- die Sägezahnspannung
stets so ein, daß ihr Mittelwert mit der Referenzspannung Urefl übereinstimmt und
damit ihr Scheitelwert nur noch von der Referenzspannung Urefi abhängt, die mit
hoher Genauigkeit vorgebbar ist.
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Wie bereits erwähnt, muß die Zeitkonstante des Reglers 3 wesentlich
größer als die Zeitkonstante des Integrators 1 sein. Die Ausgangsspannung des Integrators
3 soll sich nämlich während der Integrierzeit des Integrators 1 nicht nennenswert
ändern, da eine Änderung der mit dieser Ausgangsspannung gegebenen Integrierspannung
während der Integrierzeit zu einer Nichtlinearität des Spannungsanstiegs führen
würde. Andererseits soll die Zeitkonstante des Reglers 3 nicht so groß werden, daß
sich das Ausregeln von Regelabweichungen über einen zu langen Zeitraum hinzieht.
Dies ist Jedoch lediglich beim Einschalten der Anordnung sowie bei verhältnismäßig
schnellen Änderungen der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2 maßgebend,
daß sich die Kapazität des Kondensators - z.B.
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durch Temperaturschwankung oder Alterung - nur langsam ändern kann.
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Um bereits beim Einschalten eine Sägezahnspannung zu erhalten, die
der Sollspannung möglichst weitgehend entspricht, wird in der Schaltung nach Fig.
2 dem Widerstand 1c eine zweite Referenzspannung Uref2 zugeführt. Die zweite Referenzspannung
Uref2 und der Kondensator Ib des Integrators 1 sind dabei so gewählt, daß sich bereits
eine möglichst gute Annäherung an den Sollwert des Scheitelwerts ergibt. Der Regler
3 ist bei dieser Schaltung über einen zusätzlichen Widerstand 6 mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 1 verbunden. Das Ausgangssignal des Reglers 3
wird also zur zweiten Referenzspannung Uref2 addiert und gleicht noch vorhandene
Abweichungen des Scheitelwerts der Sägezahnspannung vom Sollwert aus. Da die Ausgangsspannung
des Reglers 3 in diesem Fail wesentlich kleiner ist,wirkt sich auch eine in der
Ausgangsspannung des Reglers 3 noch vorhandene Welligkeit geringer auf die Linearität
der Sägezahnspannung aus.
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In der Schaltung nach Fig. 2 wurde der Regler 3 mit Hilfe eines Operationsverstärkers
3a realisiert, dessen Ausgang über einen Kondensator 3b mit seinem invertierenden
Eingang verbunden ist. Dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 3a wird
über einen Widerstand 3e die negative Ausgangsspannung des Integrators.1 und über
einen Widerstand 3f die erste Referenzspannung Urefl zugeführt.
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Wenn als erste Referenzspannung U,,ft der Soll-ScheitelYR der Sägezahnspannung
ansteht, so weist der Widerstand 3e den halben Wert des Widerstands 3f auf. Damit
wird die Regelabweichung Null, wenn der doppelt bewertete Mittelwert der Sägezahnspannung,
der dem Scheitelwert der Sägezahnspannung entspricht, gleich dem Soll-Scheitelwert
wird. Da der Operationsverstärker 3a die Polarität der Regelabweichung umkehrt,
ist seinem Ausgang ein Inverter 3c nachgeschaltet, der die Polaritätsumkehr wieder
aufhebt. Der Ausgang des Inverters 3c ist über den Widerstand 6 mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers 1a verbunden.
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Bei dem beschriebenen Sägezahngenerator ist also der Scheitelwert
der Sägezahnspannung nur von der Spannung der ersten Referenzspannungsquelle und
nicht mehr von der Ansteuerfrequenz des elektronischen Schalters 2 und dem Kapazitätswert
des Kondensators abhängig. Referenzspannungsquellen lassen sich Jedoch mit engen
Toleranzen herstellen. Dies führt beispielsweise dazu, daß dort, wo bisher ein individueller
Abgleich jedes Sägezahngenerators zur Festlegung des Scheitelwerts der Sägezahnspannung
notwendig war, dieser Abgleich nunmehr entfallen kann.
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Außerdem wird der Scheitelwert der Sägezahnspannung von ihrer Frequenz
und von Kapazitätsschwankungen des Kondensators, beispielsweise durch Temperatureinflüsse
oder Alterung unabhängig.
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2 Figuren 3 Patentansprüche