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Verfahren zur Erzeugung einer Gleichspannung aus mindestens zwei
gleichen Wechselspannungen, die gegeneinander in ihrer Phasenlage verschoben sind
Es ist bekannt, zum Messen der relativen Lage oder der Bewegung eines Objektes in
Bezug auf einen Festpunkt beleuchtete Meßraster zu verwenden, die mit dem Objekt
verbunden sind und die mittels mindestens eines fotoelektrischen Empfängers abgetastet
werden. Das von diesem Empfänger abgegebene elektrische Signal ist der gesuchten
Meßgröße proportional. Es kann zur Anzeige dieser Größe oder zu Steuerzwecken benutzt
werden (Feinwerktechnik 1967, Heft 4, Seite 160 ff.) Es ist auch bekannt, zur Abtastung
des Meßrasters zwei fotoelektrische Empfänger zu verwenden, wobei durch optische
Mittel oder durch die räumliche Anordnung dafür gesorgt ist, daß die beiden Empfänger
gleiche, aber in ihrer Phasenlage um vorzugsweise 90° gegeneinander verschobene
optische Signale aufnehmen und demzufolge zwei entsprechend verschobene elektrische
Signale abgeben. Derartige Signale sind erforderlich, wenn aus der Bewegung des
Neßrasters ein Vor-Rückwärtszähler gesteuert werden soll (britisches Patent 760
321, Werkstattechnik 1963, Heft 12, Seite 684) oder eine Interpolation zwischen
zwei Rasterstrichen durchgeführt werden soll (DOS 1 498 137).
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In beiden Fällen ist den fotoelektrischen Empfängern eine Digitallogik
nachgeschaltet, zu deren Betrieb man den Gleichstroittelwert der Abtastsignale benötigt.
Un diesen zu gewinnen, hat an bereits einen weiteren fotoeleXtrischen Empfänger
vorgesehen, der sein Licht aus der gleichen Quelle
erhält wie die
beiden anderen Empfänger. Außerdem sollte dieses Licht den gleichen optischen Weg
durchlaufen wie die die beiden anderen Empfänger treffenden Lichtflüsse. Das aber
läßt sich in der Praxis nur schwer realisieren.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln,
welches die Gewinnung des Gleichstrommittelwertes auch für den statischen Fall direkt
aus den Abtastsignalen der beiden Meß-Empfäflger erlaubt. Der statische Fall tritt
ein, wenn keine Relativbewegung zwischen Meßraster und Meß-Empfängern besteht. Er
erlaubt nicht die Anwendung üblicher Glättungskondensatoren oder Drosselspulen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Gleichspannung
aus mindestens zwei gleichen Wechselspannungen, die gegeneinander in ihrer Phasenlage
verschoben sind Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die beiden Spannungen
unter Verwendung Je eines Zweiweggleichrichters gleichgerichtet werden und daß die
sich dabei ergebenden ungeglättaton, gleichgerichteten Spannungen über ohmsche Widerstände
einander überlagert werden, so daß sich eine zwischen der gemeinsaien Hüllkurve
der beiden gleichgerichteten Spannungen und deren Sunnenkurve liegende geglättete
Ausgangs spannung ergibt. Binde Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß den die beiden Wechselspannungen liefernden Baugruppen
Je ein Zweiweggleichrichter nachgeschaltet ist, deren Ausgänge über ohmsche Widerstände
zusammengeführt und mit den Ausgangsklemmen der Schaltung verbunden sind.
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Werden aktive, d.h. Verstärker enthaltende Zveiweggleichrichtor verwendet,
so sind deren Ausgängen zusätzlich Entkopplungsdioden nachgeschaltet.
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Das oben aufgezeigte Verfahren ist mit wenig Aufwand realisierbar.
Es läßt sich bei der Lösung unterschiedlicher Aufgaben anwenden. Vorteilhaft dabei
ist, daß es sich auch bei
statischem Verhalten der beteiligten Spannungen
anwenden läßt.
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Nachfolgend ist das Verfahren an Hand von Zeichnungen beispielsweise
erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für die Anwendung des neuen Verfahrens,
Fig. 2 erläuternde Xurvenbilder zum Beispiel nach Fig.1, Fig. 3 zwei Grenzfälle
von Kurvenformen, Fig. 4 ein Detail für den Aufbau nach Fig.1, Fig. 5 eine bekannte
Schaltungsanordnung, Fig. 6 eine nach der Erfindung verbesserte Schaltungsanordnung,
Fig. 7 ein erläuterndes Kurvenbild zu Fig.6.
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In Figur 1 ist schematisch eine Einrichtung zum Messen von Bewegungen
dargestellt. Ein Meßraster 10, das von einer Lampe 11 über einen Kondensor 12 beleuchtet
wird, wird von zwei fotoelektrischen Empfängern 13, 14 abgetastet. Das Meßraster
ist mit dem Objekt, dessen Bewegungen gemessen werden sollen, verbunden. Den beiden
Empfängern 13, 14 ist je ein Verstärker 15, 16 nachgeschaltet, deren Ausgänge Je
mit einem Zweiweggleichrichter 17, 18 verbunden sind. Diesen ist eine Glättungsstufe
19 nachgeschaltet, die mit den Ausgangsklemmen 20 der Schaltung verbunden st ist.
Außerdem sind die Ausgänge der Verstärker 15, 16 in bekannter und daher hier nicht
mehr näher erläuterter Weise an den Eingang eines Vor-RUckwärtszählers gelegt und
steuern diesen.
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Wie bereits oben ausgeführt ist, müssen einen Vor-Rückwärtszähler
steuernde fotoelektrische Empfänger so angeordnet sein, daß sich im Zusammenwirken
mit dem oder den abgetasteten Rastern an ihren Ausgängen in ihrer Phasenlage gegeneinander
verschobene elektrische Signale ergeben. Vorzugsweise wird dabei eine Phasenverschiebung
von 900 benutzt. Zeichnet man die bei Bewegung des Rasters an den Empfängern anfallenden
Signalspannungen
auf, so ergibt sich das in Figur 2, Zeile a dargestellte Kurvenbild. Aus der Funktionsweise
der fotoelektrischen Empfänger aber ergibt sich, daß alle von ihnen abgegebenen
Signalspannungswerte positiv sind, wie es durch die Gerade p angedeutet ist. Anzustreben
aber ist, wie oben erwähnt, eine plus-minus-symmetrische Spannung mit einer Nullinie
p2. Wird dann jede der beiden gen über einen Zweiweggleichrichter geführt, so ergibt
sich für die Spannung des einen Empfängers der Kurvenzug nach Zeile b, für den anderen
Empfänger der Kurvenzug nach Zeile c. Überlagert man diese beiden Kurvenzüge miteinander,
so gelangt man zu einer Spannung d', die als Hüllkurve in Zeile d der Figur 2 gezeigt
ist und die gegenüber den Ausgangsspannungen bereits einen gewissen Glättungsgradaufweist.
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Bildet man nun gleichzeitig die Summenspannung der beiden genannten
Spannungen, so gelangt man zur gezeigten Spannungskurve d", welche jeweils in den
Scheitelpunkten der Hüllkurve mit dieser gleich ist. Eine weiter geglättete Spannung
muß also zwischen der Summenkurve und der Hüllkurve liegen.
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Sie läßt sich durch eine geeignete Auswahl und Bemessung der in der
Glättungsstufe 19 verwendeten Bauteile erreichen die in wesentlichen ohmsche Widerstände
sind.
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Nun werden bei einer Abtastung anfallende Signale nicht immer exakt
sinusförmig seine Als Grenzfälle, die aber nie exakt erreicht werden können, sind
die reine Dreieckspannung und die Trapezspannung zu betrachten, wie sie in Figur
3 dargestellt sind' Wie ersichtlich, bringt bei Dreieckspannungen die Zweiweglgleichrichtung
mit anschließender Summenbildung bereits eine brd; freie Gleichspannung, während
bei Trapezspannungen die Zweiweggleichrichtung mit anschließender Hüllkurvenbildung
bereits zum gewünschten Erfolg führen kann.
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Je nachdem, welcher der Grenzformen sich die von den fotoelektrischen
Empfängern
13, 14 abgegebenen Signalspannungen nähern, muß entweder der Einfluß der Hüllkurvenbildung
oder der Einfluß der Summenbildung überwiegen.
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Der tatsächliche Aufbau der Glättungsstufe wird wesentlich mitbestimmt
durch die Art der verwendeten Zweiweggleichrichter. die ihrerseits wiederum von
der zu lösenden Aufgabe, d.h. der geforderten Genauigkeit abhängt. Kommt es auf
eine hohe Präzision an, wie dies beispielsweise bei Interpolatoren der Fall ist,
so wird man als Zweiweggleichrichter Operationsverstärker mit Dioden im Gegenkopplungszweig
vorsehan. In diesem Fall kann die Glättungsstufe den in Figur 4 gezeigten Aufbau
haben. Dabei geben die beiden Dioden 26, 22 die Hüllspannung, während die Widerstände
23-26 die Summenspannung bestimmen. Ihre Spannungstellerverhältnises bestimmen dabei
die anteile der beiden Spannungen In Abänderung des Gezeigten ist es auch möglich,
entweder die Widerstände 23, 24 oder die Widerstäude 25, 26 wegzulassen. Werden
an die Bru-afreiheit der zu erzeugenden Spannung geringere Forderungen gestellt,
so können die Zweiweggleichrichter aus passiven Dioden aufgebaut sein. In diesem
Fall können in der Glättungsztufe die Bauteile 21-24 entfallen, und die Anteile
von Hüllapaunung und Summenspannung sind allein durch die Damensionierung der Widerstände
25 und 26 bestimmt.
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Wie ersichtlich, sind die Verstärker 15, 16 beim in Figur 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel als Verstärker mit gegenphasigem Eingang ausgeführt. diesen
gegenphasigen Eingängen wrd über Teilerwiderstände 27, 28 die Ausgangspannung der
Glättungsatufe 19 zugeführt, wobei die Teilerwiderstände so gewählt sind, daß sich
die Spannungsdifferenz P - P' ergibt.
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Im folgenden wird gezeigt, daß sich das nue Verfahren mit verteil
auch dann anwenden läßt, wenn mehr als zwei zu verarbeitende
Spannungen
vorliegen. Als Beispiel ist die Schaltung von Leistungsgleichrichtern mit Gasentladungslampen
gewählt.
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In Figur 5 ist eine bekannte Schaltung dargestallt, bei der die aus
den drei Netzphasen R, S und T kommenden Wechsel-Spannungen her Gleichrichter G
sowie einen Vorwiderstand R einer Gasentladungslampe L zugeführt werden. Die Gleichrichter
sind als 3-Phasen-Brucke geschaltet, und durch diese Schaltungsart erreicht man
bereits ohne weitere Glättungsmittel eine Brummspannung von 1 - cos 300 = 13,4 %.
Leider geht dieses Ergebnis durch die Gasentladung verloren, welch. in erster Näherung
eine konstante Brennspannung oder sogar eine solche mit fallender Charakteristik
aufweist.
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Wie aus dem Spannungs-ZXeit-Diagramm zu entnehmen ist, wird dadurch
die relative Welligkeit der am Widerstand R verbleibenden Spannung erheblich verzerrt
und vergrößert.
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In Figur 6 ist dargestellt, wie die bekannte Schaltung nach entsprechendem
Umbau durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem wesentlich besseren
Ergebnis führt.
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Wie ersichtlich, ist hier die 3-Phasenbrücke aufgetrennt, und den
einzelnen Gleichrichtern 30 sind Widerstände it 31 zugeordnet worden. Auch hier
findet also eine Mischung von Hüllkurvenspannung und Summenspannung statt.
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Das in Figur 7 gezeigte Diagramm zeigt dia Zusammenhänge zunächst
für eine rein ohmsche Last 32. Dabei ist angenommen, daß die Widerstände 31 etwa
1/4 so groß sind wie der Lastwiderstand 32. Im Maximum fällt an jedem Widerstand
30 die Gesamtspannung um 20% ab, und die Brummspannung hat jetzt noch einen Spitze-Spitze-Wert
von ca. 5%. Rechnerisch läßt sich zeigen, daß die kleinste Brummspannung dann erreicht
wird, wenn das Verhältnis RV/R = 23/77 ist. Dadurch wird der wirkungsgrad der Schaltung
Kuf 77% begrenzt. Die Anwendung
des Verfahrens ist daher auf Fälle
beschränkt, in denen ohnehin mit einem Vorwiderstand gearbeitet werden muß.
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Wird nun hier statt des Lastwiderstandes eine Gasentladungslampe 33
eingesetzt, so wird natürlich auch hier durch die Gasentladung die Brummspannung
wieder vergrößert. Man erkennt jedoch, daß sich durch die Auftrennung der 3-Phasenbrücke
und das Einfügen zweier zusätzlicher ohmscher Widerstände immerhin eine Verkleinerung
des Brummspannungsanteils um den Faktor 3 erreichen läßt.