DE2038150A1

DE2038150A1 - Method for generating a direct voltage from at least two identical alternating voltages which are mutually shifted in their phase position

Info

Publication number: DE2038150A1
Application number: DE19702038150
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr Frenk
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1970-07-31
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1972-02-03

Description

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). Method for generating a direct voltage from at least two same alternating voltages, which are mutually shifted in their phase position It is known to measure the relative position or movement of an object in With reference to a fixed point, use the illuminated measuring grid that corresponds to the object are connected and scanned by at least one photoelectric receiver will. The electrical signal emitted by this receiver is the one sought Measured variable proportional. It can be used to display this size or for control purposes (Feinwerktechnik 1967, No. 4, page 160 ff.) It is also known for scanning of the measuring grid to use two photoelectric receivers, with optical Means or the spatial arrangement ensures that the two receivers same, but shifted in their phase position by preferably 90 ° with respect to one another Record optical signals and consequently two correspondingly shifted electrical Give signals. Such signals are required when moving from the Neßrasters an up-down counter is to be controlled (British patent 760 321, Werkstattechnik 1963, issue 12, page 684) or an interpolation between two grid lines should be carried out (DOS 1 498 137).

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.In both cases, the photoelectric receiver is a digital logic downstream, the operation of which requires the mean DC value of the scanning signals. To win this one already has another photo-eleXtric recipient provided that its light comes from the same source receives like that two other recipients. Also, this light should take the same optical path run through like the two other receivers hitting light flows. But that can only be realized with difficulty in practice.

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. The invention was based on the object of developing a method which enables the direct current mean value to be obtained directly for the static case as well from the scanning signals of the two measuring receivers. The static case occurs on if there is no relative movement between the measuring grid and measuring receivers. He does not allow the use of conventional smoothing capacitors or inductors.

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. The invention relates to a method for generating a direct voltage from at least two identical alternating voltages that are mutually phase-related are shifted This method is characterized by the fact that the two voltages using a full-wave rectifier each and that the The resulting unsmoothed, rectified voltages via ohmic resistors are superimposed on each other so that one between the common envelope curve of the two rectified voltages and their Sunnen curve lying smoothed Output voltage results. There is a bandage arrangement for performing this procedure characterized in that the assemblies supplying the two alternating voltages A full-wave rectifier is connected downstream, the outputs of which are via ohmic resistors are brought together and connected to the output terminals of the circuit.

Werden aktive, d.h. Verstärker enthaltende Zveiweggleichrichtor verwendet, so sind deren Ausgängen zusätzlich Entkopplungsdioden nachgeschaltet. If active, i.e. loop-wave rectifiers containing amplifiers are used, so their outputs are also followed by decoupling diodes.

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. The method shown above can be implemented with little effort. It can be used to solve different tasks. Advantageous here is that it is also at static behavior of the voltages involved can apply.

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. The following is an example of the method using drawings explained. They show: FIG. 1 an example of the application of the new method, Fig. 2 explanatory Xurve images, for example according to Fig. 1, Fig. 3 two borderline cases of curve shapes, FIG. 4 shows a detail for the structure according to FIG. 1, FIG. 5 shows a known one Circuit arrangement, FIG. 6 shows a circuit arrangement improved according to the invention, FIG. 7 shows an explanatory graph for FIG. 6.

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. A device for measuring movements is schematically shown in FIG shown. A measuring grid 10 which is illuminated by a lamp 11 via a condenser 12 is scanned by two photoelectric receivers 13, 14. The measuring grid is connected to the object whose movements are to be measured. The two Receivers 13, 14 are each followed by an amplifier 15, 16, the outputs of which are each are connected to a full-wave rectifier 17, 18. This is a smoothing level 19 connected downstream, which is connected to the output terminals 20 of the circuit. In addition, the outputs of the amplifiers 15, 16 are known and therefore not here more detailed manner placed at the input of an up-down counter and control this.

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. As already stated above, an up / down counter must be used controlling photoelectric receiver be arranged so that in cooperation with the scanned grid (s) at their outputs in their phase relation to one another result in shifted electrical signals. A phase shift is preferred used by 900. One draws the incurred when moving the grid at the receivers Signal voltages on, the result is the graph shown in FIG. 2, line a. From the way it works the photoelectric receiver, however, shows that all of them emitted Signal voltage values are positive, as indicated by the straight line p. To strive for but, as mentioned above, is a plus-minus symmetrical voltage with a zero line p2. If each of the two conditions is then passed through a full-wave rectifier, the result is For the voltage of one receiver, the curve according to line b, for the other Recipient of the curve according to line c. If these two curves are superimposed on each other, this leads to a voltage d ', which is shown as an envelope curve in line d of FIG and which already has a certain degree of smoothing compared to the output voltages.

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.If one now forms the total voltage of the two mentioned at the same time Voltages, one arrives at the voltage curve d ″ shown, which is in each case in the Vertices of the envelope with this is the same. A further smoothed tension must therefore lie between the cumulative curve and the envelope curve.

Sie läßt sich durch eine geeignete Auswahl und Bemessung der in der Glättungsstufe 19 verwendeten Bauteile erreichen die in wesentlichen ohmsche Widerstände sind.It can be determined by a suitable selection and dimensioning of the Components used in smoothing stage 19 achieve the essential ohmic resistances are.

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.The signals occurring during a scan are not always exact sinusoidal its as borderline cases, but which can never be reached exactly consider the pure triangular tension and the trapezoidal tension as shown in figure 3 are shown 'As can be seen, the two-way rectification brings about triangular voltages with subsequent summation already one brd; free DC voltage while in the case of trapezoidal voltages, full-wave rectification with subsequent envelope curve formation can already lead to the desired success.

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.Depending on which of the limit forms the photoelectric Recipients 13, 14 approach output signal voltages, either the influence of the envelope curve formation must or the influence of the summation predominate.

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.The actual structure of the smoothing stage is largely determined by the type of full-wave rectifier used. which in turn of the task to be solved, i.e. the required accuracy. It comes up high precision, as is the case with interpolators, for example, a full-wave rectifier becomes an operational amplifier with diodes in the negative feedback branch be careful. In this case, the smoothing stage can have the structure shown in FIG to have. The two diodes 26, 22 give the envelope voltage, while the resistors 23-26 determine the total voltage. Your voltage regulator ratio determine the proportions of the two voltages In modification of what is shown, it is also possible to to omit either the resistors 23, 24 or the resistors 25, 26. Will lower demands are made on the freedom from Bru-a of the voltage to be generated, so the full-wave rectifier can be constructed from passive diodes. In this In this case, the components 21-24 can be omitted in the smoothing stage, and the proportions of envelope apawning and total voltage are solely due to the dimensioning of the resistors 25 and 26 determined.

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.As can be seen, the amplifiers 15, 16 are shown in FIG Embodiment executed as an amplifier with anti-phase input. this antiphase inputs wrd via divider resistors 27, 28 the output voltage of the Smoothing stage 19 supplied, the divider resistors being chosen so that the voltage difference P - P 'results.

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.In the following it will be shown that the new method is also distributed can also be used if more than two are to be processed Tensions are present. An example is the connection of power rectifiers with gas discharge lamps chosen.

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.In Figure 5, a known circuit is shown in which the from AC voltages coming from the three mains phases R, S and T, rectifier G and a series resistor R of a gas discharge lamp L can be fed. The rectifiers are connected as a 3-phase bridge, and this type of connection enables you to achieve A ripple voltage of 1 - cos 300 = 13.4% even without further smoothing agents. Unfortunately, this result is lost due to the gas discharge, which. in first proximity a constant operating voltage or even one with a falling characteristic having.

Wie aus dem Spannungs-ZXeit-Diagramm zu entnehmen ist, wird dadurch die relative Welligkeit der am Widerstand R verbleibenden Spannung erheblich verzerrt und vergrößert.As can be seen from the voltage-time diagram, this becomes the relative ripple of the voltage remaining across the resistor R is significantly distorted and enlarged.

In Figur 6 ist dargestellt, wie die bekannte Schaltung nach entsprechendem Umbau durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem wesentlich besseren Ergebnis führt.In Figure 6 it is shown how the known circuit according to the corresponding Reconstruction by using the method according to the invention to a significantly better one Result leads.

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.As can be seen, the 3-phase bridge is separated here, and the Resistors 31 have been assigned to individual rectifiers 30. Here too So there is a mixture of envelope voltage and total voltage.

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.The diagram shown in FIG. 7 initially shows the relationships for a purely ohmic load 32. It is assumed that the resistors 31 are approximately 1/4 as large as the load resistance 32. The maximum falls at each resistance 30 reduces the total voltage by 20%, and the ripple voltage now still has a peak-to-peak value of approx. 5%. Mathematically it can be shown that the lowest ripple voltage is reached becomes when the ratio RV / R = 23/77. This increases the efficiency of the circuit Kuf limited to 77%. The application the procedure is therefore based on cases limited, in which you have to work with a series resistor anyway.

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.Now, instead of the load resistor, a gas discharge lamp 33 is used, the ripple voltage is of course also here due to the gas discharge enlarged again. It can be seen, however, that the separation of the 3-phase bridge and the insertion of two additional ohmic resistors is a reduction in size the ripple voltage component can be achieved by a factor of 3.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Method for generating a direct voltage from at least two the same alternating voltages, which are mutually shifted in their phase position, characterized in that the two alternating voltages each using one Full-wave rectifier (17, 18; 29, 30) are rectified and that subsequently the resulting unsmoothed voltages via ohmic resistors (23-26; 31) are superimposed on each other, so that one between the common envelope curve (ddt) of the two unsmoothed voltages and their cumulative curve (d ") lying smoothed Output voltage results.

2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the assemblies (15, 16) A two-way rectifier (17, 18) is connected downstream, the outputs of which are via summing ohmic resistances (23-26) are brought together and connected to the output terminals (20) of the circuit are connected.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that active full-wave rectifier (17, 18) are used, the outputs of which have additional decoupling diodes (21, 22) are downstream.