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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft eine Schaltung zur Leistungsberechnung, bei der
ein Hall-Element (im folgenden als "Leistungsmultiplikationsschaltung" bezeichnet) verwendet
wird und insbesondere eine Schaltung zur Leistungsberechnung, die
als Vorrichtung zur Messung der Leistung oder als Wattstundenzähler verwendet wird,
wobei die Offsetkompensationsmittel des Hall-Elementes verbessert
sind.
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Detaillierte Beschreibung
des Standes der Technik
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Allgemein
werden Schaltkreise zur Leistungsberechnung dieser Art häufig als
Schaltkreise zur Leistungsberechnung von Vorrichtungen zur Leistungsmessung
und/oder als Wattstundenzähler
aufgrund ihrer unkomplizierten Konstruktion und geringen Größe verwendet.
Eine derartige konventionelle Schaltung zur Leistungsberechnung
wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Die Leistungsspannungsquelle eines gemessenen Systems ist der Eingang
an den Eingangsanschlüssen
P1, P2, die eine Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 durchlaufen,
die eine Spannungsteilerschaltung mit den Widerständen RA und RB umfaßt, und
ist der Eingang einer Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2.
Die Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2 gibt
einen Strom propor tional zu der Eingangsspannung an dem Steuerstromeingang
T1 des Hall-Elementes 3 aus. Inzwischen ist der Strom vom
dem gemessenen System der Eingang auf den Anschlüssen 1S, 1L der Stromspule 105,
die um den Magnetmaterialkern 104, gezeigt in 5, gewunden ist, so daß ein magnetisches
Feld proportional zu dem Eingangsstrom in dem Spalt 106 erzeugt
ist.
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Als
ein Ergebnis ist die elektromotorische Hallkraft Ey, gegeben durch
Gleichung (1), erzeugt an den Spannungsausgangsanschlüssen T3,
T4 des Hall-Elementes 3, das derart positioniert ist, um
im rechten Winkel zu dem Magnetfeld des Spaltes 106 und
zu der Strömungsrichtung
des Steuerstromes des Hall-Elementes 3 positioniert zu
sein, der von Anschluß T1
zu Anschluß T2
verläuft. Ey = Rh·Bz·Jx (1),wobei Rh
der Hallkoeffizient ist, Bz die magnetische Feldintensität und Jx
die Stromdichte ist. In 4 ist
die Richtung des Magnetfeldes durch den Pfeil x angezeigt. Ein Stellwiderstand
VR1 ist zwischen den Ausgangsspannungsanschlüssen T3, T4 angeschlossen und
dient dazu, die Offsetspannung zu kompensieren, die durch die Asymmetrie
der Charakteristiken des Hall-Elementes 3 erzeugt ist.
Sein beweglicher Kontakt ist zusammen mit dem Steuerstromanschluß T2 mit
Masse verbunden. Die Ausgangsanschlüsse OUT1 und OUT2 der Schaltung
zur Leistungsberechnung sind mit den Spannungsausgangsanschlüssen T3
und T4 verbunden.
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Als
nächstes
wird der Mechanismus der Offsetspannungserzeugung unter Bezugnahme
auf ein Ersatzschaltbild des Hall-Elementes 3, in 6 gezeigt, beschrieben.
Das Ersatzschaltbild wird durch eine Widerstandsbrückenschaltung
wie gezeigt beschrieben. Die Ausgangsspannung ist durch Gleichung
(2) gegeben, wenn die Spannungen an den Knotenpunkten als E1, E2,
E3 und E4 bezeichnet werden, wenn die Spannung E0 an den Anschlüssen T1
anliegt und die Brückenwiderstände R1,
R2, R3 und R4 sind.
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Wenn
das Magnetfeld 0 ist, R1/R2
= R3/R4 (3)so
ist E3 – E4
= 0.
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Obwohl
in den oberen Gleichungen (2) und (3) die Spannung E0 und Widerstände R5,
T6, R7 und R8 nicht positiv ausgedrückt sind, sind sie von den
Spannungen E1, E2, E3 und E4 umfaßt, und wenn das Hall-Element 3 mit
einer folgenden Schaltung mit einer hohen Eingangsimpedanz verbunden
ist, ist die Ausgangsspannung zwischen den Anschlüssen T3
und T4 des Hall-Elementes 3 näherungsweise gleich der Spannung
(E3 – E4),
ausgedrückt
in Gleichung (2).
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Jedoch,
wenn z. B. der Widerstand R1 in die Richtung schwankt, derart, daß er um
einen Wert r1 abnimmt,
so wird
eine Offsetspannung zwischen den Anschlüssen T3 und T4 durch die verbleibende
Spannung erzeugt, auch wenn das magnetische Feld Null ist.
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Als
nächstes
wird die Wirkung der Offsetspannung erläutert, wenn ein magnetisches
Feld zugegen ist. Wir nehmen an, daß ein magnetisches Feld, wie
in der Figur gezeigt, auf das Hall-Element 3 der 6 wirkt, und daß der Widerstand
der Widerstände
R1, R4 abnimmt, während
der Widerstand der Widerstände
R2, R3 zunimmt. Das Resultat des graphischen Ausdruckes der Potentialdifferenz
zwischen den Ausgangsspannungsanschlüssen T3, T4 ist in 7 gezeigt, wenn ein Halbwellenwechselstrom
zwischen den Anschlüssen T1,
T2 für
die vier Kombinationen der "Positiv"/"Negativ"-Richtung des Magnetfeldes und "0 Grad/"180 Grad" der Phase des Steuerstromes
fließt.
Die obere Reihe des Diagramms in 7 zeigt
die Wellenform der Magnetfeldintensität. Die Mittelreihe zeigt die
Wellenform der Leistungsquellenspannung des gemessenen Systems.
Die untere Reihe zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung, die
durch unterbrochene Linien in dem Fall gezeigt ist, bei dem kein
Offset gegeben ist. Wenn wir nun annehmen, daß der Offset des Widerstandes R1
in Richtung eines abnehmenden Widerstandes erzeugt wird, ist die
Ausgangsspannung um den Wert der Offsetspannung erhöht oder
reduziert, wie durch die durchgezogene Linie in der untersten Reihe
der 7 gezeigt. Demgemäß ist die
Ausgangsspannung zu Null justiert unter der Bedingung, daß kein magnetisches Feld
durch Bereitstellen eines Stellwiderstandes VR1 wirkt, wie in 4 gezeigt, um die Abweichung
der Ausgangsspannung aufzuheben, die durch die Offsetspannung erzeugt
ist.
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In
der konventionellen Schaltung zur Leistungsberechnung war eine Justage
des Stellwiderstandes, um die Offsetspannung für Schwankungen in dem Stellwiderstand
zu kompensieren, die durch Temperaturschwankungen erzeugt wurden
oder über
Jahresperioden auftraten, unentbehrlich. Jedoch, wegen des Bedürfnisses
nach einem Bauteil mit einem mechanischen Kontaktteil, wie einem Stellwiderstand,
war ein Lebensdauerproblem gegeben, und die Schaltung zur Leistungsberechnung
war schwierig als LSI zu implementieren.
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Andere
aus dem Stand der Technik bekannte Wattmeter sind in FR-A-25 94
230, DE-A-37 23 268 und Patent Abstracts of Japan, vol. 7, no. 113
(P-197) 1983 offenbart, wobei letzteres ein Kompensationsverfahren für eine gleichgerichtete
Fehlerspannung eines Hall-Elementes eines Klemmwattmeters offenbart.
Der Zweck dieses Verfahrens ist, eine Nullpunktvariation zu vermeiden
und die Eingangsspannungslinearität durch Hinzufügen einer
Spannung zu verbessern, erzeugt durch Gleichrichten einer Wechselspannung,
die durch einen Kontrollwechselstrom und einen Hall-Elementeingangswiderstand
erzeugt wird, zu einer Hall-Elementausgangsspannung. Die Dichte
des Magnetflusses in dem Spaltabschnitt des Magnetkerns 10 mit
einer geöffneten
und geschlossenen Struktur ist proportional zu einem gemessenen
Strom (i), der durch einen elektrischen Pfad strömt. Durch eine zu messende
elektrische Pfadspannung (e) stellt auf der anderen Hand ein Spannungs-Stromwandler
einen Steuerstrom bereit, der proportional zu der Spannung (e) an
dem Hall-Element ist, und an dem Eingangsanschluß des Hall-Elementes eine Eingangswechselspannung
gleich zu dem Produkt Ic·Ri
= ei des Steuerstromes Ic und des Eingangswiderstandes Ri des Hall-Elementes.
Diese Spannung wird einem Operationsverstärker durch eine Diode und einen
Stellwiderstand als Eingang zugeführt und zu der Hall-Elementausgangsspannung
hinzugefügt.
Konsequenterweise ist eine Gleichspannungskomponente, erzeugt in
dem Hall-Elementausgang, aufgehoben, um eine komplette Kompensation über einen
weiten Bereich des Steuerstromes des Hall-Elementes zu liefern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Demzufolge
ist es ein Gegenstand dieser Erfindung, eine Schaltung zur Leistungsberechnung
bereitzustellen, wobei Schwankungen der Offsetspannung wegen einer
Temperaturveränderung
oder einer Änderung über eine
Jahresperiode usw. automatisch korrigiert werden können.
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Diese
und andere Gegenstände
der Erfindung werden durch Bereitstellen einer Schaltung zur Leistungsberechnung
gemäß einem
Aspekt der Erfindung erreicht, umfassend:
ein Hall-Elementglied
mit Steuerstromeingangsanschlüssen,
wobei das Hall-Elementglied derart angeordnet ist, um zwischen Spannungsausgangsanschlüssen eine
erste Ausgangsspannung zu erzeugen, die zu einer Leistung eines
gemessenen Systems korrespondiert, Steuermittel, umfassend ein Stellwiderstandsglied,
verbunden mit einem der Steuerstromeingangsanschlüsse zur
Kompensation einer Offsetspannung des Hall-Elementgliedes und verbunden,
um eine erste Ausgangsspannung zum Verstärken der ersten Ausgangsspannung
aufzunehmen und an einem Ausgangsanschluß der Schaltung zur Leistungsberechnung
eine Schaltungsausgangsspannung zu erzeugen, die zu einer Leistung
eines gemessenen Systems korrespondiert, und um eine zweite Ausgangsspannung
zu erzeugen,
gekennzeichnet durch:
Spannungspolaritätsdetektionsmittel
zum Detektieren der Polarität
einer Leistungsspannungsquelle des gemessenen Systems;
wobei
die Steuermittel auf diese Weise verbunden sind, um einen Ausgang
von den Spannungspolaritätsdetektionsmitteln
aufzunehmen, und wirksam sind, um eine zweite Ausgangsspannung durch
Invertieren der verstärkten
ersten Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn die Polarität negativ
ist und die verstärkte
erste Ausgangs spannung nicht zu invertieren, wenn die Polarität negativ
in regelmäßigen Halbzyklen
des gemessenen Systems ist, und umfassend
integrierte Verstärkungsmittel
zum Integrieren der zweiten Ausgangsspannung, um ein integriertes
Signal zu erzeugen, wobei das Stellwiderstandsglied verbunden ist
zwischen einem der Spannungsausgangsanschlüsse des Hall-Elementgliedes
und einem der Stromeingangsanschlüsse, der mit Masse verbunden
ist, und verbunden ist, um das integrierte Signal aufzunehmen, so
daß der
Widerstand hiervon durch das integrierte Signal geändert wird,
wobei eine Offsetspannung des Hall-Elementgliedes zu Null reduziert
ist.
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Ein
anderer Aspekt der Erfindung stellt eine Schaltung zur Leistungsberechnung
bereit, umfassend:
ein Hall-Elementglied mit Steuerstromanschlüssen, wobei
das Hall-Elementglied angeordnet ist, um eine Spannung zwischen
Spannungsausgangsanschlüssen
eine erste Ausgangsspannung zu erzeugen, die zu einer Leistung eines
gemessenen Systems korrepondiert, Steuermittel mit einem Stellwiderstandsglied,
das verbunden ist mit einem der Steuerstromanschlüsse des
Hall-Elementgliedes zur Kompensation einer Offsetspannung des Hall-Elementgliedes,
Steuermittel, die verbunden sind, um eine erste Ausgangsspannung
zum Verstärken
der ersten Ausgangsspannung aufzunehmen und an einem Ausgangsanschluß der Schaltung
zur Leistungsberechnung eine Schaltungsausgangsspannung zu erzeugen,
die zu einer Leistung eines gemessenen Systems korrespondiert, und
um eine zweite Spannung zu erzeugen;
wobei die Steuermittel
ein erstes Verstärkungsmittel
umfassen, so daß mit
einem ersten Spannungsausgangsanschluß des Hall-Elementgliedes zum
Verstärken
der ersten Ausgangsspannung verbunden ist, um eine ver stärkte erste
Ausgangsspannung zu erzeugen;
gekennzeichnet durch:
Spannungspolaritätsdetektionsmittel
zum Erfassen eines der beiden Zustände der Polarität der Leistungsquellenspannung
des gemessenen Systems;
wobei die Steuermittel auf diese Weise
verbunden sind, um einen Ausgang der Spannungsausgangserfassungsmittel
aufzunehmen, und angeordnet sind, um die zweite Ausgangsspannung
durch Invertieren der verstärkten
ersten Ausgangsspannung zu erzeugen, wenn die Polarität positiv
ist, und nicht die verstärkte
erste Ausgangsspannung zu invertieren, wenn die Polarität negativ
ist, in regelmäßigen Halbzyklen
des gemessenen Systems, und umfassend integrierende Verstärkermittel
zum Integrieren der zweiten Ausgangsspannung, um ein integriertes
Signal zu erzeugen;
wobei das Stellwiderstandsglied zwischen
einem der Steuerstromeingangsanschlüsse des Hall-Elementgliedes
und einem der Ausgangsspannungsanschlüsse des Hall-Elementgliedes
verbunden ist, und verbunden ist, das integrierte Signal aufzunehmen,
so daß der
Widerstand hiervon durch das integrierte Signal geändert wird,
wobei eine Offsetspannung des Hall-Elementgliedes zu Null reduziert
ist;
wobei die Steuermittel weiter umfassen:
zweite Verstärkungsmittel,
die mit dem einen der Spannungsausgangsanschlüsse des Hall-Elementgliedes zum
Verstärken
der ersten Ausgangsspannung verbunden sind und zum Erzeugen der
invertierten verstärkten ersten
Ausgangsspannung, und
Schaltmittel, die verbunden sind, um
die verstärkte
erste Ausgangsspannung aufzunehmen, wobei die invertierte verstärkte erste
Ausgangsspannung und ein Ausgang der Spannungspolaritätsdetektionsmittel
zum Überwechseln
zwischen der verstärkten
ersten Ausgangsspannung und der invertierten verstärkten Ausgangsspannung
verbunden sind, um die zweite Ausgangsspannung gemäß dem Zustand
der Polarität
zu erzeugen.
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Die
Erfindung erstreckt sich auch auf eine Vorrichtung zur Messung der
Leistung eines Systems, umfassend:
eine Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung,
die verbunden ist, um eine Leistungsquellenspannung des gemessenen
Systems zum Umwandeln der Leistungsquellenspannung zu einem Steuerstrom
proportional zu der Leistungsquellenspannung aufzunehmen;
einem
Hall-Element mit Steuerstromeingangsanschlüssen und Spannungsausgangsanschlüssen, und,
positioniert in einem Magnetfeld, derart, daß eine die Stromsteuereingangsanschlüsse und
die Spannungsausgangsanschlüsse
erzeugte Ebene im wesentlichen senkrecht zu dem Magnetfeld ist;
wobei
die Intensität
des Magnetfeldes proportional zu einem Strom des gemessenen Systems
ist,
wobei das Hall-Element mit der Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung
verbunden ist, derart, daß der Steuerstrom
durch die Steuerstromanschlüsse
fließt
und eine erste Ausgangsspannung zwischen den Spannungsausgangsanschlüssen erzeugt,
die zu der Leistung des gemessenen Systems korrespondiert;
eine
Verstärkerschaltung,
die verbunden ist, um die erste Ausgangsspannung aufzunehmen und
zum Verstärken
der ersten Ausgangsspannung, um eine verstärkte erste Ausgangsspannung
zu erzeugen, und
ein Stellwiderstandsglied, das mit einem der
Steuerstromeingangsanschlüsse
verbunden ist, um die Offsetspannung des Hall-Elementes zu kompensieren,
gekennzeichnet durch:
eine Spannungs- oder Strompolaritätsdetektionsschaltung
zum Erfassen der Polarität
der Leistungsquellenspannung oder Strom des gemessenen Systems;
wobei
die Verstärkerschaltung
angeordnet ist, um eine invertierende verstärkte erste Ausgangsspannung
zu erzeugen;
einen Ausgangsanschluß, der verbunden ist mit der
Verstärkerschaltung
zum Ausgeben der verstärkten
ersten Ausgangsspannung als Messung der Leistung des gemessenen
Systems;
eine Schaltschaltung, die verbunden ist, um die verstärkte erste
Ausgangsspannung aufzunehmen, wobei die invertierte erste Ausgangsspannung
und ein Ausgang der Polaritätsdetektionsschaltung
zum Überwechseln der
verstärkten
ersten Ausgangsspannung und der invertierten verstärkten ersten
Ausgangsspannung verbunden sind, um eine zweite Ausgangsspannung
gemäß der erfaßten Polarität zu erzeugen;
einen
integrierten Verstärker
zum Integrieren der zweiten Ausgangsspannung, um ein integriertes
Signal zu erzeugen, und;
wobei das Stellwiderstandsglied zwischen
einem der Spannungsausgangsanschlüsse des Hall-Elementes und
einem der Steuerstromeingangsanschlüsse verbunden ist, der mit
Masse verbunden ist, und verbunden ist, um das integrierte Signal
aufzunehmen, so daß der
Widerstand hiervon durch das integrierte Signal geändert wird,
um die Offsetspannung des Hall-Elementes zu kompensieren.
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Bei
dieser Erfindung ist durch Adaptieren der obigen Mittel der integrierte
Wert der Offsetspannung mit der Richtung durch Anordnung des Einganges
an der Integrationsschaltung zuehmend oder abnehmend, um als Antwort
auf die Polarität
der Leistungsquellenspannung des gemessenen Systems überzuwechseln.
Der Widerstand des Stellwiderstandes ist dadurch als Antwort auf
die Größe des Integrationswertes
zunehmend oder abnehmend, der der Ausgang der Integrationsschaltung
ist. Dies erlaubt es, Schwankungen des Offsetwiderstandes derart
zu kompensieren, daß die
Leistung ohne Offset kalkuliert werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Ein
vollständigeres
Verständnis
der Erfindung und vieler Vorteile werden besser verstanden durch
Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang
mit den angefügten
Zeichnungen, wobei:
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1 ein Schaltkreisdiagramm
einer Schaltung zur Leistungsberechnung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 ein Wellenformdiagramm
von verschiedenen Untereinheiten der Schaltung zur Leistungsberechnung
in 1 ist;
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3 ein Schaltkreisdiagramm
einer Schaltung zur Leistungsberechnung gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist;
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4 ein Schaltkreisdiagramm
einer konventionellen Schaltung zur Leistungsberechnung ist;
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5 ein Layout-Diagramm einer
magnetfelderzeugenden Einheit ist;
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6 ein Ersatzschaltbild eines
Hall-Elementes ist; und
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7 ein Diagramm ist, das
eine Erläuterung
der Beziehung zwischen der elektromotorischen Hallkraft und Offsetspannung
gibt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, wobei Bezugs zeichen identische oder korrespondierende
Teile durchgehend in verschiedenen Zeichnungen zeigen, werden untenstehend
Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben.
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1 ist ein Schaltkreisdiagramm
einer Schaltung zur Leistungsberechnung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. In 1 sind
P1 und P2 Leistungsquelleneingangsspannungsanschlüsse, die
die Leistungsquellenspannung zuführen,
wie eine 100-Volt-Wechselspannung des gemessenen Systems. Eine Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 wandelt
die Leistungsquelleneingangsspannung an den Eingangsanschlüssen P1
und P2 zu einer Spannnung um, die geeignet ist, der Spannung in
der Schaltung zur Leistungsberechnung durch Heraufstufen oder Herunterstufen
anzupassen. Diese Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 kann
aufgebaut sein unter Verwendung einer Spannungsteilerschaltung,
basierend auf den Widerständen RA, RB, wie in 1 gezeigt, oder einem Transformator
usw.. Eine Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2 gibt
einen Strom proportional zu der Ausgangsspannung der Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 an
dem Ausgangsanschluß 1a aus.
Ein Hall-Element 3 ist mit Steuerstromeingangsanschlüssen T1,
T2 versehen, die den Stromausgang von der Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2 zuführt, und
mit Spannungsausgangsanschlüssen
T3, T4, die die Spannung ausgeben, die durch den Halleffekt erhalten
werden. Der Aufbau ist derart, daß das Hall-Element 3 in
dem Spalt 106 des Magnetmaterialkernes 104 gehalten
ist, um den die Stromspule 105, wie in 5 gezeigt, gewunden ist, und die Ebene,
die die Steuerstromeingangsanschlüsse T1, T2 und die Spannungsausgangsanschlüsse T3,
T4 umfaßt,
ist senkrecht zu dem magnetischen Feld, das in dem Spalt 106 erzeugt
ist. Die Richtung des Magnetfeldes ist in 1 durch einen Pfeil x dargestellt. Ein Differenzverstärker 4 nimmt die
Wechselspannung auf, die der Ausgang an den Ausgangsspannungsanschlüssen T3,
T4 des Hall-Elementes 3 ist, und gibt die Differenz der
Wechselspannung an den Ausgangsanschluß OUT1, der Schaltung zur Leistungsberechnung
aus. Ausgangsanschluß OUT2
ist mit Masse verbunden. Ein vorzeicheninvertierender Verstärker 5 invertiert
die Polarität
der Spannung, die vom Differenzverstärker 4 bereitgestellt
wird. Eine Spannngspolaritätsdetektionsschaltung 6 ist
mit dem Eingangsanschluß P2
und dem Ausgangsanschluß 1a der
Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 verbunden, die Polarität der Leistungsquellenspannung
des Systems feststellt, das Gegenstand von Messungen ist.
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Der
Ausgang der Spannungspolaritätsdetektionsschaltung 6 wird
derart verwendet, daß,
wenn eine festgestellte Polarität
positiv ist, ein Schalter SW1 geschlossen ist und ein Schalter SW2
durch einen Inverter 8 geöffnet ist, und wenn die festgestellte
Polarität
negativ ist, der Schalter SW1 geöffnet
ist und Schalter SW2 durch den Inverter 8 geschlossen ist.
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Die
Schalter SW1 und SW2 in einem Schaltungsschaltkreis 7 sind
Schalter, die in den geschlossenen Zustand durch ein Eingangssignal "1" gesetzt sind und in einen offenen Zustand
durch ein Eingangssignal "0" gesetzt sind. Die
erste Seite des Schalters SW1 ist mit dem Ausgang des vorzeicheninvertierenden
Verstärkers 5 verbunden,
während
die erste Seite des Schalters SW2 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 4 verbunden
ist. Ein integrierender Verstärker 9 integriert
die Ausgangsspannung von der zweiten Seite der Schalter SW1, SW2
auf. Ein Stellwiderstandselement 10 ist mit Masse und dem
Spannungsgangsausgang T3 verbunden, so daß sein Widerstandswert durch
den Ausgang des integrierenden Verstärkers 9 gesteuert
ist. Er kann unter Verwendung eines FET- oder Cds-Photokupplers
usw. implementiert sein. Rc ist ein Widerstand, der mit dem Ausgangsspannungsanschluß T4 und
Masse verbunden ist und vorgesehen ist, um dem Fall Rechnung zu
tragen, bei dem der Offsetwiderstand r1 negativ ist.
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Der
Differenzverstärker 4 ist
beispielsweise durch einen Operationsverstärker OP1 und Widerstände Rd,
Re, Rf und Rg aufgebaut. Der integrierende Verstärker 9 ist zum Beispiel
durch einen Operationsverstärker OP2,
einen Widerstand Rh und eine Kapazität Ca gebildet.
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Als
nächstes
wird die Wirkungsweise der Schaltung, wie oben aufgebaut, beschrieben.
Die Leistungsquellenspannung des gemessenen Systems, die der Eingang
an den Leistungsquellenspannungseingangsanschlüssen T1, T2 ist, ist zu einer
geeigneten Spannung durch die Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 umgewandelt,
die der Eingang der Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2 ist.
Der Strom, der durch Konvertieren der Eingangsspannung zu einem
Strom wird, der proportional dazu in der Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2 ist,
strömt
in das Hall-Element 3 von dem Steuerstromeingangsanschluß T1 zum
Anschluß T2
des Hall-Elementes 3. Zwischenzeitlich wird der Strom des
gemessenen Systems veranlaßt,
zu der Stromspule 105 des Magnetmaterialkernes 104 zu
fließen,
erzeugend ein magnetisches Feld in dem Spalt 106, dessen
Intensität
proportional zu dem Strom des gemessenen Systems ist. Dies resultiert
in die Erzeugung einer elektromotorischen Hallkraft, gegeben durch
Gleichung (1) an den Spannungsausgangsanschlüssen T3, T4 des Hall-Elementes 3.
Die Ausgangsspannungsdifferenz über
die Spannungsausgangsanschlüsse
T3, T4 ist daher proportional zu dem Produkt der Spannung und dem
Strom des gemessenen Systems. Mit anderen Worten, es ist proportional
zu der Leistung des gemessenen Systems. Der Dif ferenzverstärker 4 verstärkt differential
seine beiden Eingänge
von den Spannungsausgangsanschlüssen
T3, T4, so daß die
Ausgangsspannungsdifferenz über
diese Spannungsausgangsanschlüsse
T3, T4 der Ausgang an der Außenseite
von den Ausgangsanschlüssen
OUT1 und OUT2 wie der Leistungswert des gemessenen Systems ist.
Im allgemeinen wird der Schaltkreis 7 verwendet zum Wechseln
des Eingangs zum integrierenden Verstärker 9, zwischen dem Ausgang
des Verstärkers 4 und
dem invertierten Ausgang des Verstärkers 4, der durch
den Inverter 5 bereitgestellt ist, in alternierenden Zeitperioden,
die zu der Länge
des Halbzyklus der Leistungsquelle korrespondieren. In der dargestellten
Ausführungsform
ist die Polarität
der Leistungsquellenspannung des gemessenen Systems, die Gegenstand
einer Spannungswandlung in der Spannungs-Umwandlungsschaltung 1 war,
durch die Spannungspolaritätsdetektionsschaltung 6 festgestellt.
Die bestimmte Polarität
wird von der Schaltschaltung 7 verwendet, um über eine
Phase der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 überzuwechseln, welche
der Eingang am integrierenden Verstärker 9 ist. Die Wirkung
ist zum Beispiel derart, daß,
wenn die Polarität
der Leistungsquellenspannung des gemessenen Systems positiv ist,
der Schalter SW1 geschlossen ist und der Schalter SW2 geöffnet ist,
so daß eine
Ausgangsspannung des vorzeicheninvertierenden Verstärkers 5,
in den die Polarität
der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4 invertiert
ist, der Eingang des integrierenden Verstärkers 9 ist. In der
entgegengesetzten Situation, wenn die Polarität der Leistungsquellenspannung
des gemessenen Systems negativ ist, ist der Schalter SW1 geöffnet und
der Schalter SW2 geschlossen, mit dem Resultat, daß die Ausgangsspannung
des Differenzverstärkers 4 direkt
der Eingang des integrierenden Verstärkers 9 ohne In version
der Polarität
ist. Der integrierende Verstärker 9 integriert
die Ausgangsspannung der Schaltschaltung 7 und gibt das
Resultat an das Stellwiderstandselement 10 aus. Das Stellwiderstandselement 10 ändert seinen
Widerstand in die Richtung, derart, um die Offsetspannung zu kompensieren, wobei
diese Änderung
gemäß dem Vorzeichen
und der Größe der Eingangsspannung
durchgeführt
wird. In anderen Ausführungsformen
kann die Polarität
des Stromes verwendet werden, um zwischen dem invertierten und nichtinvertierten
Ausgang des Verstärkers 4 zu
wechseln.
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Als
nächstes
werden typische Wellenformen an verschiedenen Orten der Schaltung
zur Leistungsberechnung am Eingang einer Signalwelle unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben. Die
Magnetfeldintensität im
Spalt 106 des Magnetmaterialkernes 104 ist bei (a) gezeigt. Die Stromwellenform des Ausgangs
von der Spannungs-Strom-Umwandlungsschaltung 2,
die der Eingang des Hall-Elementes 3 ist, ist bei (b) gezeigt. Die Wellenform des Ausgangs
des Differenzverstärkers 4 ist
bei (c) gezeigt. In (c), (d) und (e) der 2 ist die Wellenform, wenn
kein Offset gegeben ist, durch unterbrochene Linien dargestellt,
während
die Wellenform, wenn ein Offset zugegen ist, durch durchgezogene
Linien dargestellt ist. Alle diese Wellenformen sind gemäß den Regeln
der Kombination der Richtung des Magnetfeldes und der Polarität des Stromes
erzeugt in 7 gezeigt.
Die Ausgangswellenform des vorzeicheninvertierenden Verstärkers 5 ist
bei (d) gezeigt und wird erreicht durch
Invertieren der Wellenform von (c).
Die Wellenform des Ausgangs der Schaltschaltung 7 ist bei (e) gezeigt und ist durch die wirksame
Schaltschaltung 7 durch Mittel der Spannungspolaritätsdetektionsschaltung 6 in
Antwort auf die Leistungsspannungsquelle des ge messenen Systems
erhalten; es ist auch die Wellenform des Eingangs des integrierenden
Verstärkers 9.
Während
der Periode, angezeigt durch (I) in der Figur, ist die Ausgangsspannung
des vorzeicheninvertierenden Verstärkers, gezeigt in (d), der Eingang des integrierenden Verstärkers 9 durch
das Schließen
des Schalters SW1. Auch ist in der Periode, gekennzeichnet durch
(II) in der Figur die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 4,
gezeigt in (c), der Eingang des integrierenden Verstärkers 9 durch
das Schließen
des Schalters SW2. Wenn kein Offset gegeben ist, weist die Wellenform, ausgedrückt durch
eine unterbrochene Linie in (e), in
der Periode (I) eine entgegengesetzte Polarität, aber gleiche Größe zu der
Wellenform auf, die durch eine unterbrochene Linie in (e) in der Periode (II) ausgedrückt ist, so
daß der
Ausgang des integrierenden Verstärkers 9 gleich
Null ist, wenn über
eine Periode integriert ist, umfassend die Periode (I) und die Periode
(II). Wenn der Offsetwiderstand r1 (r1 > 0) im Hall-Element 3 gegeben ist,
da die Wellenform, gezeigt durch eine durchgezogene Linie in (e), in negative Richtung versetzt ist,
ist der Ausgang, integriert durch den integrierenden Verstärker 9,
wie in (f) gezeigt, nicht Null.
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Das
Stellwiderstandselement ist basierend auf dem Ausgang des integrierenden
Verstärkers 9 wie folgt
gesteuert.
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Der
Widerstand des Stellwiderstandselementes 10 nimmt bei zunehmender
Ausgangsspannung des integrierenden Verstärkers 9 ab, bis es
einen Widerstand erreicht hat, der den Offsetwiderstand r1 des Hall-Elementes 3 kompensiert.
Die Eingangsspannungswellenform des integrierenden Verstärkers 9 weist dann
eine Wellenform wie durch die unterbrochenen Linien in (e) gezeigt auf. Der Ausgang des integrierenden Verstärkers 9 führt keine
weitere Veränderung
durch, und der Widerstand des Stellwiderstandselementes 10 ist
dann unverändert
aufrechterhalten unter dieser Bedingung in dem Zustand der Periode
(III). Der Widerstand Rc ist erforderlich, um eine Kompensation
in dem Fall zu bewirken, wenn der Offsetwiderstand r1 negativ ist.
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Mit
der oben beschriebenen Ausführungsform
kann die Offsetspannung, die durch Wechsel der Charakteristik des
Hall-Elementes 3 generiert wird, automatisch korrigiert
werden, so daß die
Leistung genau berechnet werden kann.
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3 ist ein Schaltkreisdiagramm,
das eine Schaltung zur Leistungsberechnung gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Die gleichen Vorteile wie bei der ersten Ausführungsform
können
erreicht werden durch Verwenden von zwei Verstärkern 12, 13,
die in der Phase um 180° differieren,
aber mit wechselweise gleicher Verstärkung anstelle des Differenzverstärkers 4 durch
Verbinden des Operationsverstärkers 11 zu
dem Spannungsausgangsanschluß T4
des Hall-Elementes 3 und Halten des Spannungsausgangsanschlusses
T4 auf Masseniveau.
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In
den Ausführungsformen
in 1 und 3 wird der Inverter 8 zur
Steuerung des Schalters SW2 verwendet. Aber diese Erfindung ist
nicht auf diese Ausführungsformen
begrenzt. In dem Fall, daß der
Schalter SW2 ein Schalter ist, der in den geöffneten Zustand durch ein Eingangssignal "1" gestellt ist und in den geschlossenen
Zustand durch ein Eingangssignal "0" gestellt
ist, kann auf den Inverter 8 verzichtet werden und der
Schalter SW2 direkt durch den Ausgang der Spannungspolaritätsdetektionsschaltung 6 gesteuert
werden. Obwohl zur Vereinfachung des Verständnisses der Wir kungsweise
in 1 und 3 die Schaltschaltung 7 als
Schalter mit einem mechanischen Kontakt beschrieben wurde, kann
ein kontaktloser Schalter, wie ein Halbleiterschalter, natürlich auch
verwendet werden.
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Wie
oben beschrieben kann mit dieser Erfindung eine Schaltung zur Leistungsberechnung
mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden und bei der Schwankung
der Offsetspannung, hervorgerufen durch Temperaturschwankungen und
Veränderungen über Jahresperioden,
automatisch korrigiert werden.
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Weiter,
da mechanische Teile eliminiert werden können, kann es einfach als LSI
implementiert werden, was es erlaubt, eine hohe Zuverlässigkeit
zu erreichen. Zusätzlich
ist die Wirkungsweise vereinfacht, so daß keine Notwendigkeit für initiale
Justagen besteht.
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Natürlich sind
vielfältige
Modifikationen und Variationen der Erfindung in dem Lichte der oben
genannten Lehre möglich.
Es ist daher verständlich,
daß in
dem Umfang der angefügten
Ansprüche
die Erfindung anders ausgeführt
werden kann als insbesondere hier beschrieben.
