DE1283370B

DE1283370B - Arrangement for converting the effective value of an alternating current into a proportional direct voltage

Info

Publication number: DE1283370B
Application number: DEL54003A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Claus Kleegrewe
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1966-07-06
Filing date: 1966-07-06
Publication date: 1968-11-21

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

GOIrGOIr

Deutsche Kl: 2Ie-19/02 German class: 2Ie- 19/02

Nummer: 1283 370Number: 1283 370

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

Anmeldetag: 6. Juli 1966Filing date: July 6, 1966

Auslegetag: 21. November 1968Opening day: November 21, 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.The invention relates to an arrangement for converting the effective value of an alternating current into a proportional DC voltage using a thermal converter with a heater and a temperature sensor which is in a feedback circuit via a DC voltage amplifier is in electrical communication with a second heater.

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.Such arrangements are used, for example, to determine the effective value of an alternation iu Stromes with a pointer measuring instrument or a recording device with a DC measuring mechanism and display or register linear scale division. Strict proportionality of the arrangement in The DC voltage output depends on the rms value of the alternating current desirable if this is to work together with a digital voltmeter, as this is possible an individual scale calibration to eliminate linearity errors is not necessary.

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.It is already known such an arrangement with two identical thermal transducers in one common thermal environment and a DC voltage amplifier (Heulett-Packard Journal, Vol. 15, No. 5, January 1964, pp. 1 to 5). The thermal sensors of the two thermal converters are connected in series so that their voltages are subtracted, and to the amplifier input connected. The heater of one of the thermal transducers is set to the output size of the DC amplifier, and the heater of the other thermal converter is connected to the AC current applied. The output voltage of the amplifier is now adjusted so that the The differential voltage of the thermocouples is almost zero. Provided that the submitted The voltage of both thermal converters depends in the same way on the heating power therefore the output voltage of the amplifier is a measure of the effective value of the in the one Heater fed alternating current. All parameter changes affect both thermal converters equally do not affect the accuracy of the forming.

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.However, it is disadvantageous that a very precise proportional reshaping with this arrangement only is achieved when the characteristics of both thermal converters are largely in the entire working range to match. This condition requires at least a lengthy and laborious search the thermal converter.

Zur Temperaturstabilisierung von Verstärkern ist Anordnung zur Umformung des Effektivwertes
eines Wechselstromes in eine proportionale
GleichspannungFor temperature stabilization of amplifiers there is an arrangement for converting the effective value
an alternating current into a proportional one
DC voltage

Anmelder:Applicant:

Licentia Patent-Verwaltungsgesellschaft mbH,
6000 FrankfurtLicentia Patent-Verwaltungsgesellschaft mbH,
6000 Frankfurt

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Dr.-Ing. Claus Kleegrewe, 5628 HeiligenhausDr.-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.a unit with two thermally and electrically coupled transistors known (Electronic Engineering, May 1964, p. 307). One of the transistors acts as a temperature sensor. He controls the second Transistor so that its power dissipation heats the unit to a constant temperature. from a transistor for heating a structural unit to a constant temperature is preferred in a Embodiment of the present invention made use of.

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.The invention consists in that, as a second heater, a thermally conductive connected to the thermostat, controllable resistor is used, the control input of which connects to the output of the DC voltage amplifier is coupled and which is connected to a DC voltage source via an ohmic resistor constant voltage is connected, that the operating point of the controllable resistor is set is that at him with vanishing alternating current just half the voltage of the direct voltage source drops, and that at the output stage of the DC voltage amplifier the DC voltage proportional to the rms value of the alternating current can be tapped.

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 steilstenIn this arrangement, the thermometer is always on a constant temperature, so that the accuracy of the conversion of the rms value into a proportional DC voltage does not depend on the characteristics of the thermal converter and the controllable resistance depends. Furthermore, there is the relatively short time delay of the deformation advantageous, which is due to the fact that the from the thermal transducer and the controllable Resistance existing building unit always in the steepest

809 638/1321809 638/1321

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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, einenThe initial range of the temperature compensation curve ar- Fig. 2 shows the output stage of a DC voltage. Finally, the manufacturing cost of this stronger this circuit arrangement.
Circuit arrangement with this good static and In F i g. 1, an integrated circuit 10 consists of relatively low dynamic behavior. The expense of a diode 12, a transistor 13 and an additional one for the arrangement does not increase either if 5 damped resistor 11. All these elements are rms values of alternating currents practically thermally closely coupled with one another,
biger curve shape can be converted without errors. A resistor 11 is not shown. A DC generator superimposed on the alternating current is connected, which supplies the alternating current /. The current component does not distort the conversion. An ohmic resistor 15 is arranged in series with the collector-emitter path of the transistor The arrangement can also be arranged in a simple manner with io stors 13. Direct current can be calibrated. It is independent of a constant frequency to be connected to terminals 16, 17 in a wide range. Voltage source feeds this series circuit, one

Die Anordnung wird zweckmäßig so ausgestaltet, mit Widerständen 18,19 aufgebauten Spannungsteiler,The arrangement is expediently designed in such a way that a voltage divider built up with resistors 18, 19,

daß die aus dem Thermoumformer und dem Steuer- einen Gleichspannungsverstärker 14 und einen Diffe-that the from the thermal converter and the control a DC voltage amplifier 14 and a differential

baren Widerstand bestehende Baueinheit in einem 15 renzverstärker 20.Resistance existing unit in a 15 reference amplifier 20.

Thermostaten untergebracht ist. An dem Eingang des GleichspannungsverstärkersThermostat is housed. At the input of the DC voltage amplifier

Eine exakte Umformung des Effektivwertes in eine 14 liegt die Diode 12. Der Verstärkerausgang führt zuAn exact conversion of the effective value into a 14 is the diode 12. The amplifier output leads to

entsprechende Gleichspannung beruht nämlich bei dem Mittelpunkt 21 des Spannungsteilers 18,19.A corresponding direct voltage is based namely at the center point 21 of the voltage divider 18, 19.

dieser Anordnung darauf, daß die aus dem Thermo- Die in F i g. 2 gezeigte Ausgangsstufe dieses Ver-this arrangement ensures that the thermal die in FIG. 2 output stage of this

umformer und dem steuerbaren Widerstand bestehende 20 stärkers weist zwei Transistoren 22, 23 in der soge-converter and the controllable resistor existing 20 amplifier has two transistors 22, 23 in the so-called

Baueinheit unabhängig von dem zugeführten nannten Darlington-Schaltung auf. Zwischen dieAssembly independent of the supplied called Darlington pair. Between the

Effektivwert des Wechselstromes eine konstante Transistoren und eine Leitung mit dem Potential derRMS value of the alternating current has a constant transistor and a line with the potential of

Wärmeleistung abgibt. Da die Baueinheit auf eine Gleichspannungsquelle an der Klemme 17 ist einGives off heat output. As the unit is connected to a DC voltage source at terminal 17

gleichbleibende Temperatur eingeregelt wird, ist diese Widerstand 24 eingefügt.constant temperature is regulated, this resistor 24 is inserted.

Bedingung bei stabilisierter Umgebungstemperatur 25 Der eine Eingang des Differenzverstärkers 20Condition at a stabilized ambient temperature 25 One input of the differential amplifier 20

erfüllt. steht ebenfalls mit dem Mittelpunkt 21 des Spannungs-Fulfills. is also with the center 21 of the tension

In weiterer besonders zweckmäßiger Ausgestaltung teilers in Verbindung, während der zweite EingangIn a further particularly expedient embodiment, the divider is connected, while the second input

weist die erfindungsgemäße Anordnung die Merk- an die Anschlußstelle des Widerstandes 15 mit demthe arrangement according to the invention has the memory at the connection point of the resistor 15 with the

male auf, daß die Baueinheit als integrierter Schalt- Emitter des Transistors 13 angeschlossen ist. Dermale on that the unit is connected as an integrated switching emitter of the transistor 13. Of the

kreis mit einem Transistor als veränderlichem Wider- 30 Ausgang des Differenzverstärkers speist die Basiscircuit with a transistor as a variable resistor 30 output of the differential amplifier feeds the base

stand, einer Diode als Temperaturfühler und einem des Transistors 13.stood, a diode as a temperature sensor and one of the transistor 13.

aufgedampften Widerstand als Heizer ausgebildet ist. Die integrierte Schaltung 10 ist mit den Anfangs-vapor-deposited resistor is designed as a heater. The integrated circuit 10 is with the initial

Dies ergibt ein gutes Zeitverhalten und fördert die stufen des Verstärkers 14 in einen thermostabilisiertenThis gives a good time behavior and promotes the stages of the amplifier 14 in a thermostabilized one

dynamische Stabilität der Anordnung. Raum eingeschlossen.dynamic stability of the arrangement. Room included.

Ferner ist eine Ausgestaltung der Anordnung mit 35 Die Widerstände 18, 19 sind so dimensioniert, daßFurthermore, an embodiment of the arrangement with 35. The resistors 18, 19 are dimensioned so that

den Merkmalen vorteilhaft, daß außer einem ein- an ihnen bei verschwindendem Wechselstrom / jeweilsthe features advantageous that apart from one one on them with vanishing alternating current / each

gangsseitig mit dem Temperaturfühler verbundenen gerade die halbe Spannung der Gleichspannungsquellehalf the voltage of the DC voltage source connected on the input side to the temperature sensor

Gleichspannungsverstärker ein ausgangsseitig mit dem abfällt. Von dem Widerstand 15 hängt die bei gegebe-DC voltage amplifier on the output side with the drops. The resistance 15 depends on the given

Steuereingang des Widerstandes gekoppelter Diffe- nem Arbeitspunkt in dem Transistor 13 umgesetzteControl input of the resistor coupled differential working point converted in the transistor 13

renzverstärker vorgesehen ist, daß ein Eingang des 40 Verlustleistung ab.Reference amplifier is provided that an input of the 40 power dissipation from.

Differenzverstärkers sowie der Ausgang des anderen Die Anordnung wirkt folgendermaßen: Die ther-Differential amplifier as well as the output of the other The arrangement works as follows: The thermal

Gleichspannungsverstärkers an den Mittelpunkt eines misch eng gekoppelte integrierte Schaltung lfi wirdDC voltage amplifier to the midpoint of a mixed tightly coupled integrated circuit lfi is

die Gleichspannungsquelle überbrückenden Span- von dem Widerstand 11 und dem Transistor 13 auf-the DC voltage source bridging span from the resistor 11 and the transistor 13 on-

nungsteilers angeschlossen ist und daß der zweite geheizt. Mit Hilfe des Gleichspannungsverstärkers 14voltage divider is connected and that the second heated. With the help of the DC voltage amplifier 14

Eingang des Differenzverstärkers zu der gemein- 45 und der Differenzverstärkerstufe 20 wird erreicht, daßInput of the differential amplifier to the common 45 and the differential amplifier stage 20 is achieved that

samen Verbindungsstelle des steuerbaren Widerstan- der Spannungsabfall an dem Widerstand 19 gleichthe same connection point of the controllable resistor as the voltage drop across the resistor 19

des und des ohmschen Widerstandes geführt ist. dem Spannungsabfall an dem Widerstand 15 ist unddes and the ohmic resistance is performed. is the voltage drop across the resistor 15 and

Damit ist nämlich der Arbeitspunkt des steuerbaren daß die dem integrierten Schaltkreis zugeführteThis means that the operating point of the controllable is that which is supplied to the integrated circuit

Widerstandes besonders genau und zeitbeständig Wärmeleistung bei beliebigem Strom / in dem Wider-Resistance particularly accurate and time-stable Heat output with any current / in the resistor

durch Dimensionierung des Spannungsteilers ein- 50 stand 11 konstant ist. Dies geschieht in der Weise,by dimensioning the voltage divider at 50 stand 11 is constant. This is done in the way

stellbar. daß die dem Widerstand 11 zugeführte Leistungadjustable. that the power supplied to the resistor 11

Schließlich ist die Anordnung zweckmäßig so auf- durch eine kleinere Verlustleistung des Transistors 13Finally, the arrangement is expediently based on a smaller power loss of the transistor 13

gebaut, daß die Ausgangsstufe des Gleichspannungs- infolge einer Spannungsänderung Δ ü an den Wider-built so that the output stage of the DC voltage as a result of a voltage change Δ ü at the resistor

verstärkers zwei nach Art einer Darlington-Schaltung ständen 15,19 ausgeglichen wird,
gekoppelte Transistoren aufweist, die über einen 55amplifier two in the manner of a Darlington pair stands 15,19 is balanced,
has coupled transistors that have a 55

Widerstand, an dem eine dem Effektivwert des Demgemäß giltResistance at which one of the rms value of the accordingly applies

Wechselstromes entsprechende Gleichspannung ab- a) für einen Stromeffektivwert / = 0Alternating current corresponding direct voltage ab- a) for an effective current value / = 0

greifbar ist, mit einem Pol der Gleichspannungsquelle ff_R = q_s is tangible, with one pole of the DC voltage source ff _R = q _s

verbunden ist. N_R = von dem Widerstand 11connected is. N _R = from resistor 11

Damit läßt sich die abgegriffene Gleichspannung 60 abgegebene Leistung:The tapped DC voltage 60 output power can thus be:

einfach in weitere Anordnungen einkoppeln, die aus N_Tr = U_CE ■ I₀, simply couple it into other arrangements, which consist of N _Tr = U _CE ■ I ₀ ,

der gleichen Spannungsquelle wie die Anordnung zur N_Tr = angenäherte Verlustleistungthe same voltage source as the arrangement for N _Tr = approximate power loss

Umwandlung des Effektivwertes gespeist werden. des Transistors,Conversion of the rms value. of the transistor,

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Er- U_GE = Kollektor-Emitter-Spannung,An embodiment of the subject of the Er- U _GE = collector-emitter voltage,

findung wird im folgenden an Hand einer Zeichnung 65 /_c = Kollektorstrom;finding is in the following on the basis of a drawing 65 / _c = collector current;

mit zwei Figuren beschrieben. Es zeigt N = N_Tr, described with two figures. It shows N = N _Tr ,

F i g. 1 die Schaltungsanordnung mit den wesent- N — gesamte Verlustleistung derF i g. 1 the circuit arrangement with the essential N - total power dissipation of the

lichsten Merkmalen und integrierten Schaltung 10;most diverse features and integrated circuit 10;

b) für einen Stromeffektivwert / φ Οb) for an effective current value / φ Ο

R = Widerstandsgröße des Widerstandes 11, R = resistance value of resistor 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 ; N _n = ψ ce + Δ U) (I _c - Al), AI = change in the collector current or the current
through resistor 15,
N = N _R + N _Tr ;

c) da die gesamte Verlustleistung bei gleicher Umgebungstemperatur durch Schaltungszwang konstant bleibt, istc) because the total power loss at the same ambient temperature remains constant due to mandatory switching is

1010

cncn

Ic = Ic =

cece

ϋ) (Ic -Al).ϋ) (Ic -Al).

d) weil der Transistor durch die angegebene Dimensionierung für /= 0 mit höchster Verlustleistung betrieben wird, giltd) because the transistor has the highest power dissipation due to the specified dimensioning for / = 0 is operated, applies

CAiCAi

R_1S = Widerstandsgröße des Widerstandes 15. R _1S = resistance value of resistor 15.

Aus den Ansätzen c) und d) erhält man nach einigen Umformungen:From approaches c) and d) one obtains after a few transformations:

/= AU· / = 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. The voltage change AU which occurs in this arrangement with correct dimensioning in order to achieve a constant total power loss is thus directly proportional to the effective value of the supplied current /. This voltage change AU at the resistors 15, 19 corresponds very precisely to the total voltage drop at the resistor 24. The direct voltage that can be tapped at the resistor 24 therefore depends linearly on the effective value of the current /.

Claims

Patent claims:

1. Arrangement for converting the effective value of an alternating current into a proportional one DC voltage using a thermal converter with a heater and a temperature sensor, which is in electrical connection in a feedback circuit via a DC voltage amplifier with a second heater, characterized in that a second heater connected to the thermal converter (11, 12) thermally connected, controllable resistor (13) is used, the control input of which is coupled to the output of the DC voltage amplifier (14) and via a Ohmic resistor (15) connected to a direct voltage source of constant voltage is that the working point of the controllable resistor is set so that at him with vanishing AC current drops just half the voltage of the DC voltage source, and that at the output stage of the DC voltage amplifier (14) the direct voltage proportional to the rms value of the alternating current can be tapped is.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the from the thermal converter (11, 12) and the controllable resistor (13) existing structural unit (10) in a thermostat is housed.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the structural unit (lfl) as an integrated Circuit with a transistor (13) as a variable resistor, a diode as Temperature sensor and a vapor-deposited resistor (11) is designed as a heater.

4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that in addition to one a DC voltage amplifier (14) connected on the input side to the temperature sensor (12) differential amplifier (20) coupled on the output side to the control input of the resistor (13) it is provided that one input of the differential amplifier and the output of the other DC voltage amplifier (14) to the center point (21) of a bypassing the DC voltage source Voltage divider (18, 19) is connected and that the second input of the Differential amplifier to the common connection point of the controllable resistor (13) and the ohmic resistor (15) is performed.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the output stage of the DC voltage amplifier (14) has two transistors (22, 23) coupled in the manner of a Darlington circuit, which via a resistor (24), at which a DC voltage corresponding to the rms value of the alternating current can be tapped, with is connected to one pole of the DC voltage source.

1 sheet of drawings