DE1283370B - Anordnung zur Umformung des Effektivwertes eines Wechselstromes in eine proportionale Gleichspannung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIr

Deutsche Kl: 2Ie-19/02

Nummer: 1283 370

Aktenzeichen: P 12 83 370.4-35 (L 54003)

Anmeldetag: 6. Juli 1966

Auslegetag: 21. November 1968

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umformung des Effektivwertes eines Wechselstromes in eine proportionale Gleichspannung unter Verwendung eines Thermoumformers mit einem Heizer und einem Temperaturfühler, der in einem Rückkopplungskreis über einen Gleichspannungsverstärker mit einem zweiten Heizer in elektrischer Verbindung steht.

Derartige Anordnungen werden beispielsweise angewendet, um den Effektivwert eines Wechsel- iu stromes mit einem Zeigermeßinstrument oder einem Registriergerät mit einem Gleichstrommeßwerk und linearer Skalenteilung anzuzeigen bzw. zu registrieren. Strenge Proportionalität der von der Anordnung in Abhängigkeit von dem Effektivwert des Wechselstromes abgegebenen Gleichspannung ist besonders erwünscht, wenn diese mit einem digitalen Voltmeter zusammenwirken soll, da hier die Möglichkeit einer individuellen Skaleneichung zur Beseitigung von Linearitätsfehlern entfällt.

Es ist bereits eine derartige Anordnung bekannt, die mit zwei gleichen Thermoumformern in einer gemeinsamen thermischen Umgebung und einem Gleichspannungsverstärker aufgebaut ist (Heulett-Packard Journal, Vol. 15, Nr. 5, Januar 1964, S. 1 bis 5). Die Thermofühler der beiden Thermoumformer sind so in Reihe geschaltet, daß sich ihre Spannungen subtrahieren, und an den Verstärkereingang angeschlossen. Der Heizer des einen Thermoumformers wird mit der Ausgangsgröße des Gleichspannungsverstärkers gespeist, und der Heizer des anderen Thermoumformers wird mit dem Wechselstrom beaufschlagt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers stellt sich nun so ein, daß die Differenzspannung der Thermofühler annähernd Null ist. Unter der Voraussetzung, daß die abgegebene Spannung beider Thermoumformer in gleicher Weise von der Heizleistung abhängt, ist deshalb die Ausgangsspannung des Verstärkers ein Maß für den Effektivwert des in den einen Heizer gespeisten Wechselstromes. Alle Parameteränderungen, die beide Thermoumformer gleichmäßig betreffen, beeinträchtigen die Genauigkeit der Umformung nicht.

Es ist jedoch nachteilig, daß eine sehr genaue proportionale Umformung mit dieser Anordnung nur erzielt wird, wenn die Kennlinien beider Thermoumformer im gesamten Arbeitsbereich weitgehendst übereinstimmen. Diese Bedingung erfordert zumindest ein langwieriges und aufwendiges Aussuchen der Thermoumformer.

Zur Temperaturstabilisierung von Verstärkern ist Anordnung zur Umformung des Effektivwertes
eines Wechselstromes in eine proportionale
Gleichspannung

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungsgesellschaft mbH,
6000 Frankfurt

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Claus Kleegrewe, 5628 Heiligenhaus

eine Baueinheit mit zwei thermisch und elektrisch gekoppelten Transistoren bekannt (Electronic Engineering, Mai 1964, S. 307). Der eine Transistor wirkt darin als Temperaturfühler. Er steuert den zweiten Transistor so, daß dessen Verlustleistung die Baueinheit auf eine konstante Temperatur aufheizt. Von einem Transistor zum Heizen einer Baueinheit auf gleichbleibende Temperatur wird in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Gebrauch gemacht.

Die Erfindung besteht darin, daß als zweiter Heizer ein mit dem Thermoumformer wärmeleitend verbundener, steuerbarer Widerstand verwendet wird, dessen Steuereingang mit dem Ausgang des Gleichspannungsverstärkers gekoppelt ist und der über einen ohmschen Widerstand an eine Gleichspannungsquelle konstanter Spannung angeschlossen ist, daß der Arbeitspunkt des steuerbaren Widerstandes so eingestellt ist, daß an ihm bei verschwindendem Wechselstrom gerade die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle abfällt, und daß an der Ausgangsstufe der Gleichspannungsverstärker die dem Effektivwert des Wechselstromes proportionale Gleichspannung abgreifbar ist.

In dieser Anordnung wird der Thermoumformer durch den steuerbaren Widerstand stets auf eine konstante Temperatur eingeregelt, so daß die Genauigkeit der Umformung des Effektivwertes in eine proportionale Gleichspannung nicht von den Charakteristiken des Thermoumformers und des steuerbaren Widerstandes abhängt. Ferner ist die verhältnismäßig kurze Zeitverzögerung der Umformung vorteilhaft, die darauf zurückzuführen ist, daß die aus dem Thermoumformer und dem steuerbaren Widerstand bestehende Baueinheit stets im steilsten

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Anfangsbereich der Temperaturausgleichskurve ar- Fig. 2 die Endstufe eines Gleichspannungsverbeitet. Schließlich ist der Herstellaufwand dieser stärkers dieser Schaltungsanordnung.
Schaltungsanordnung mit diesem guten statischen und In F i g. 1 besteht ein integrierter Schaltkreis 10 aus dynamischen Verhalten relativ niedrig. Der Aufwand einer Diode 12, einem Transistor 13 und einem auffür die Anordnung erhöht sich auch nicht, wenn 5 gedampften Widerstand 11. Alle diese Elemente sind Effektivwerte von Wechselströmen praktisch belie- thermisch eng miteinander gekoppelt,
biger Kurvenform fehlerfrei umgewandelt werden An den Widerstand 11 ist ein nicht dargestellter sollen. Eine dem Wechselstrom überlagerte Gleich- Geber angeschlossen, der den Wechselstrom / liefert. Stromkomponente verfälscht die Umformung nicht. In Reihe zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transi-Die Anordnung kann auch auf einfache Weise mit io stors 13 ist ein ohmscher Widerstand 15 angeordnet. Gleichstrom geeicht werden. Sie ist in weitem Bereich Eine an die Klemmen 16, 17 anzuschließende Gleichfrequenzunabhängig. Spannungsquelle speist diese Reihenschaltung, einen

Die Anordnung wird zweckmäßig so ausgestaltet, mit Widerständen 18,19 aufgebauten Spannungsteiler,

daß die aus dem Thermoumformer und dem Steuer- einen Gleichspannungsverstärker 14 und einen Diffe-

baren Widerstand bestehende Baueinheit in einem 15 renzverstärker 20.

Thermostaten untergebracht ist. An dem Eingang des Gleichspannungsverstärkers

Eine exakte Umformung des Effektivwertes in eine 14 liegt die Diode 12. Der Verstärkerausgang führt zu

entsprechende Gleichspannung beruht nämlich bei dem Mittelpunkt 21 des Spannungsteilers 18,19.

dieser Anordnung darauf, daß die aus dem Thermo- Die in F i g. 2 gezeigte Ausgangsstufe dieses Ver-

umformer und dem steuerbaren Widerstand bestehende 20 stärkers weist zwei Transistoren 22, 23 in der soge-

Baueinheit unabhängig von dem zugeführten nannten Darlington-Schaltung auf. Zwischen die

Effektivwert des Wechselstromes eine konstante Transistoren und eine Leitung mit dem Potential der

Wärmeleistung abgibt. Da die Baueinheit auf eine Gleichspannungsquelle an der Klemme 17 ist ein

gleichbleibende Temperatur eingeregelt wird, ist diese Widerstand 24 eingefügt.

Bedingung bei stabilisierter Umgebungstemperatur 25 Der eine Eingang des Differenzverstärkers 20

erfüllt. steht ebenfalls mit dem Mittelpunkt 21 des Spannungs-

In weiterer besonders zweckmäßiger Ausgestaltung teilers in Verbindung, während der zweite Eingang

weist die erfindungsgemäße Anordnung die Merk- an die Anschlußstelle des Widerstandes 15 mit dem

male auf, daß die Baueinheit als integrierter Schalt- Emitter des Transistors 13 angeschlossen ist. Der

kreis mit einem Transistor als veränderlichem Wider- 30 Ausgang des Differenzverstärkers speist die Basis

stand, einer Diode als Temperaturfühler und einem des Transistors 13.

aufgedampften Widerstand als Heizer ausgebildet ist. Die integrierte Schaltung 10 ist mit den Anfangs-

Dies ergibt ein gutes Zeitverhalten und fördert die stufen des Verstärkers 14 in einen thermostabilisierten

dynamische Stabilität der Anordnung. Raum eingeschlossen.

Ferner ist eine Ausgestaltung der Anordnung mit 35 Die Widerstände 18, 19 sind so dimensioniert, daß

den Merkmalen vorteilhaft, daß außer einem ein- an ihnen bei verschwindendem Wechselstrom / jeweils

gangsseitig mit dem Temperaturfühler verbundenen gerade die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle

Gleichspannungsverstärker ein ausgangsseitig mit dem abfällt. Von dem Widerstand 15 hängt die bei gegebe-

Steuereingang des Widerstandes gekoppelter Diffe- nem Arbeitspunkt in dem Transistor 13 umgesetzte

renzverstärker vorgesehen ist, daß ein Eingang des 40 Verlustleistung ab.

Differenzverstärkers sowie der Ausgang des anderen Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Die ther-

Gleichspannungsverstärkers an den Mittelpunkt eines misch eng gekoppelte integrierte Schaltung lfi wird

die Gleichspannungsquelle überbrückenden Span- von dem Widerstand 11 und dem Transistor 13 auf-

nungsteilers angeschlossen ist und daß der zweite geheizt. Mit Hilfe des Gleichspannungsverstärkers 14

Eingang des Differenzverstärkers zu der gemein- 45 und der Differenzverstärkerstufe 20 wird erreicht, daß

samen Verbindungsstelle des steuerbaren Widerstan- der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 gleich

des und des ohmschen Widerstandes geführt ist. dem Spannungsabfall an dem Widerstand 15 ist und

Damit ist nämlich der Arbeitspunkt des steuerbaren daß die dem integrierten Schaltkreis zugeführte

Widerstandes besonders genau und zeitbeständig Wärmeleistung bei beliebigem Strom / in dem Wider-

durch Dimensionierung des Spannungsteilers ein- 50 stand 11 konstant ist. Dies geschieht in der Weise,

stellbar. daß die dem Widerstand 11 zugeführte Leistung

Schließlich ist die Anordnung zweckmäßig so auf- durch eine kleinere Verlustleistung des Transistors 13

gebaut, daß die Ausgangsstufe des Gleichspannungs- infolge einer Spannungsänderung Δ ü an den Wider-

verstärkers zwei nach Art einer Darlington-Schaltung ständen 15,19 ausgeglichen wird,
gekoppelte Transistoren aufweist, die über einen 55

Widerstand, an dem eine dem Effektivwert des Demgemäß gilt

Wechselstromes entsprechende Gleichspannung ab- a) für einen Stromeffektivwert / = 0

greifbar ist, mit einem Pol der Gleichspannungsquelle ff_R = q_s

verbunden ist. N_R = von dem Widerstand 11

Damit läßt sich die abgegriffene Gleichspannung 60 abgegebene Leistung:

einfach in weitere Anordnungen einkoppeln, die aus N_Tr = U_CE ■ I₀,

der gleichen Spannungsquelle wie die Anordnung zur N_Tr = angenäherte Verlustleistung

Umwandlung des Effektivwertes gespeist werden. des Transistors,

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Er- U_GE = Kollektor-Emitter-Spannung,

findung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung 65 /_c = Kollektorstrom;

mit zwei Figuren beschrieben. Es zeigt N = N_Tr,

F i g. 1 die Schaltungsanordnung mit den wesent- N — gesamte Verlustleistung der

lichsten Merkmalen und integrierten Schaltung 10;

b) für einen Stromeffektivwert / φ Ο

R = Widerstandsgröße des Widerstandes 11,

N_n= ψ ce + Δ U) (I _c- Al), AI = Änderung des Kollektorstromes bzw. des Stromes
durch den Widerstand 15,
N = N_R + N_Tr ;

c) da die gesamte Verlustleistung bei gleicher Umgebungstemperatur durch Schaltungszwang konstant bleibt, ist

10

cn

Ic =

ce

ϋ) (Ic -Al).

d) weil der Transistor durch die angegebene Dimensionierung für /= 0 mit höchster Verlustleistung betrieben wird, gilt

CAi

R_1S = Widerstandsgröße des Widerstandes 15.

Aus den Ansätzen c) und d) erhält man nach einigen Umformungen:

/= AU·

Damit ist die sich in dieser Anordnung bei richtiger Dimensionierung zum Erzielen einer konstanten gesamten Verlustleistung einstellende Spannungsänderung A U dem Effektivwert des zugeführten Stromes / direkt proportional. Dieser Spannungsänderung AU an den Widerständen 15, 19 entspricht sehr genau der gesamte Spannungsabfall an dem Widerstand 24. Die an dem Widerstand 24 abgreifbare Gleichspannung hängt also linear von dem Effektivwert des Stromes / ab.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Umformung des Effektivwertes eines Wechselstromes in eine proportionale Gleichspannung unter Verwendung eines Thermo-Umformers mit einem Heizer und einem Temperaturfühler, der in einem Rückkopplungskreis über einen Gleichspannungsverstärker mit einem zweiten Heizer in elektrischer Verbindung steht, dadurchgekennzeichnet, daß als zweiter Heizer ein mit dem Thermoumformer (11, 12) wärmeleitend verbundener, steuerbarer Widerstand (13) verwendet wird, dessen Steuereingang mit dem Ausgang des Gleichspannungsverstärkers (14) gekoppelt ist und der über einen ohmschen Widerstand (15) an eine Gleichspannungsquelle konstanter Spannung angeschlossen ist, daß der Arbeitspunkt des steuerbaren Widerstandes so eingestellt ist, daß an ihm bei verschwindendem Wechselstrom gerade die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle abfällt, und daß an der Ausgangsstufe der Gleichspannungsverstärker (14) die dem Effektivwert des Wechselstromes proportionale Gleichspannung abgreifbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Thermoumformer (11, 12) und dem steuerbaren Widerstand (13) bestehende Baueinheit (10) in einem Thermostaten untergebracht ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (lfl) als integrierter Schaltkreis mit einem Transistor (13) als veränderlichem Widerstand, einer Diode als Temperaturfühler und einem aufgedampften Widerstand (11) als Heizer ausgebildet ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer einem eingangsseitig mit dem Temperaturfühler (12) verbundenen Gleichspannungsverstärker (14) ein ausgangsseitig mit dem Steuereingang des Widerstandes (13) gekoppelter Differenzverstärker (20) vorgesehen ist, daß ein Eingang des Differenzverstärkers sowie der Ausgang des anderen Gleichspannungsverstärkers (14) an den Mittelpunkt (21) eines die Gleichspannungsquelle überbrückenden Spannungsteilers (18, 19) angeschlossen ist und daß der zweite Eingang des Differenzverstärkers zu der gemeinsamen Verbindungsstelle des steuerbaren Widerstandes (13) und des ohmschen Widerstandes (15) geführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe des Gleichspannungsverstärkers (14) zwei nach Art einer Darlington-Schaltung gekoppelte Transistoren (22, 23) aufweist, die über einen Widerstand (24), an dem eine dem Effektivwert des Wechselstromes entsprechende Gleichspannung abgreifbar ist, mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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