DE2146238C3 - Anordnung zum Ausgleichen des Einflusses von Schwankungen der Speisespannung auf die Fläche oder den Energiegehalt von Impulsen - Google Patents

Description

von einem Verstärkerelement gelieferten Impulse, bei zeitbestimmende Vorspannung einer anderen Quelle der das Verstärkerelement mit seiner Steuerelektrode entnommen wird als die Speisespannung des Verstäran den Mittelpunkt eines zwischen zwei verschiedene kerelements. Man kann damit also lediglich eine Potentiale eingeschalteten Serien-ÄC-Glieds ange- Impulsbreitenveränderung erzielen, aber nicht die schlossen ist, das entsprechend der im Normalfall ge- S₅ Impulsfläche oder den Energiegehalt der Impulse wünschten impulsdauer bemessen ist, und der an das stabilisieren.

Bezugspotential des Verstärkerelements angeschlos- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

sene Kondensator des ÄC-Glieds durch einen Lade- Arbeitsweise impulsgesteuerter Leistungsverbraucher

durch Stabilisieren der Impulsfläche bzw. des Energie- gleichsergebnis verzichten und den Kondensator des

gehaltes der Impulse von Speisespannungsschwan- Serien-ÄC-Glieds durch den Ladeimpuls einfach auf

kungen weitgehend unabhängig zu machen. das Bezugspotential aufladen. Falls erforderlich, läßt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch sich gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein gelöst, daß der Widerstand des Serien-ZlC-Glieds mit 5 noch genauerer Ausgleich unter Berücksichtigung des der Quelle für die Speisespannung verbunden ist und Schaltverhaltens der Verbraucher dadurch erreichen, die Spannung gegenüber dem Bezugspotential, bei der daß zur Feineinstellung des Ausgleichsverhaltens die das Verstärkerelement in den Sättigungszustand über- Dauer des Ladeimpulses verändert wird, geht, zur Stabilisierung der Impulsfläche (U-1 bzw. Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt: /·/) so bemessen ist, daß die Differenz von dieser io Impulsgesteuerte Leistungsverbraucher können von Spannung und der Spannung des Ladeimpulses etwa unstabilisierten Speisespannungsquellen, sogar mit ein Drittel der Differenz vom Normalwert der Speise- pulsierender Spannung, betrieben werden, ohne daß spannung und der Spannung des Ladeimpulses be- eine Phasensynchronisation oder eine Bemessung trägt, während sie zur Stabilisierung des Energie- nach dem ungünstigsten Wert vonnöten wäre. Da gehalts der Impulse (U · I · t bzw. U-t oder /²O so 15 die Impulse je nach der Höhe der Speisespannung verbemessen ist, daJ3 die erstgenannte Differenz (Uz — Ul) längert oder verkürzt werden, tritt kein Energieverlust etwa gleich der Hälfte der an zweiter Stelle genannten auf, und Zeitverluste mitteln sich aus. Durch einfach Differenz {Usn — Ul) ist. ^zu beherrschende Maßnahmen läßt sich die Aus-

Der Ausgangsimpuls hat hier jeweils die Höhe der gleichsfunktion dem Verhalten des jeweiligen VerSpeisespannung und dauert so lange, wie das Ver- ="> brauchers anpassen, so daß ein sehr genauer Ausgleich Stärkerelement gesperrt ist. Das VerstSrkerelement ist möglich ist.

hinwieder vom Beginn des Ladeimpulses an r.o lang,: Ein Ausführungsbeispiel der Erfindui.g ist in der

gesperrt, bis nach Ende des Ladeimpulses der Konden Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher

sator beim Entladevorgang eine bestimmte Spannung beschrieben. Es zeigt

unterhalb der Speisespannung erreicht. Dies dauert 25 F i g. 1 ein Beispiel für die der Erfindung zugrunde

um so langer, je kleiner die Speisespannung ist. Folg- liegende Aufgabe,

Hch wird bei jedem Rückgang der Impulshöhe unter F i g. 2 eine Schaltungsanordnung nach der Er-

die Normalhöhe, sei er netz-, phasen- oder belastung*- findung,

bedingt, die Impulsdauer verlängert und bei jedem F i g. 3 und 4 Diagramme zur Veranschaulichung Anstieg der Impulshöhe über die Normalhöhe die 30 der Wirkungsweise der Erfindung. Impulsdauer verkürzt, so daß je nach Anwendungsfall In F i g. 1 ist eine pulsierende Gleichspannung dardie Fläche oder der Energiegehalt der Impulse etwa gestellt, wie sie von einem Doppelweggleichrichter in gleichbleibt. Bei manchen Verbrauchern, z. B. Strom- einem Netzteil geliefert wird. Ihr Spitzenwert beträgt Kraft-Wandlern, wie Relais und Magnete, ist für die im Normalfall U_Sy, kann aber auf Grund von Netz-Wirkungsweise die Impulsfläche, also das Produkt 35 Spannungsschwankungen und abhängig von der Beaus Strom und Zeit bzw. aus Spannung und Zeit maß- lastung auf einen Unterspannungswert Usu sinken geblich; bei anderen Verbrauchern, z.B. ohmscheri oder auf einen Überspannungswert U_sv steigen. Wird Widerständen ist dagegen das Produkt aus Leistung diese Spannung zur impulsmäßigen Ansteuerung eines und Zeit entscheidend. Der Flächen- oder Energie- Verbruachers verwendet, beispielsweise zum Erregen ausgleich läßt sich in allen Fällen durch die angegebene 40 der Magnete in einer Stanzvorrichtung, so ergeben Wahl der Spannung, bei der das Verstärkerelement in sich bei festgelegter Impulsdauer d sehr unterschiedden Sättigungszustand umgeschaltet wird, im Ver- liehe Bedingungen. Fällt etwa der Beginn des Impulses hältnis zum Normal- oder Mittelwert der Speise- (angedeutet durch ι,) auf den Phasenwinkel ^₁ und spannung und zur Höhe des Ladeimpulses bewerk- liegt Unterspannung Usu vor, so erhält der Magnet stelligen. Man kann z.B. die genannte Umschalt- 45 während der Impulsdauerd weniger a's ein Drittel spannung so festlegen, daß sie der im Sättigungs- des Strom-Zeit-Produkts, das er in dem Fall bezustand an der Steuerelektrode des Verstärkerelements kommt, wenn der Beginn des Impulses;(/₂) mit dem anstehenden Spannung entspricht, etwa der Basis- Phasenwinkel φ₂ zusammenfällt und Überspannung Emitter-Spannung eines Transistors, und die Span- U_su herrscht. Durch einen Glättungskondensator, nung des Ladeimpulses /-ach der angegebenen Aus- 5° den man üblicherweise vorsehen wird, können diese gleichsfuriktion bemessen. Die Spannung des Lade- Verhältnisse zwar etwas verbessert werden, doch impulses mt\ß dann von entgegengesetzter Polarität bleiben nach wie vor große Unterschiede in der Ver zur Speisespannung sein. Da man die Höhe der für sorgung des Verbrauchers, etwa vom Faktor 2 und den Ladeimpuls verfügbaren Spannung im allge- mehr, bestehen.

meinen nicht frei wählen und einstellen kann, sieht 55 Nach der Erfindung ist zur Erzeugung der Impulse

eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß die Span- eine Anordnung gemäß F i g. 2 vorgesehen. Durch

nung gegenüber dem Bezugspotential, bei der das Anlegen eines positiven Steuerimpulses 1, dessen

Verstärkerelement in den Sättigungszustand übergeht, Höhe in weiten Grenzen schwanken kann, an den

durch ein einen konstanten Spannungsabfall erzeu- Eingang £ der Schaltungsanordnung wird ein im gendes Koppelglied, vorzugsweise eine Z-Diode, die 60 Ruhezustand gesperrter Transistor 2 in die Sättigung

zwischen den Mittelpunkt des Serien-ßC-Glieds und geschaltet. Für die Dauer des Steuerimpulses 1 geht

die Steuerelektrode des Verstärkerelements einge- die Kollektorspannung des Transistors 2 von einem

schaltet ist, erzeugt wird. positiven Wert Uz, der der Summe aus der Durch-

Z-Dioden gibt es mit verschieden gestuften Durch- bruchspannung einer nachgeschalteten Z-Diode 6 und

bruchspannungen, so daß sich allein durch die Wahl 65 der Basis-Emitter-S/.pnnung eines an die Z-Diode

der richtigen Z-Diode ein guter Ausgleich erzielen angeschlossenen Transistors 8 entspricht, auf annä-

läßt. Dementsprechend Vinn man hier auf die Ein- hemd Null zurück. Dieser negative Impuls 3 lädt

beziehung der Höhe des Ladeimpulses in das Aus- einen Kondensator 5 auf annähernd die Spannung

5 6

Nutl auf. Der vorher gesättigte Transistors wird gegebenen Zeiten sind hierbei Verhältniswerte und dadurch gesperrt und über den Widerstand 7 so lange gelten für beliebige ΛC-Werte, mittels denen die gesperrt gehalten, wie die Spannung am Kondensators Absolutwerte der Zeiten eingestellt werden,
unterhalb der Spannung Cz bleibt. Der Kondensator? Im Beispiel von F i g. 2 hat der Ladeimpuls die

entlädt sich über den Widerstand 4 gegen die Speise- 5 Spannung Null, und daher wird die Spannung Uz spannung r Cs nach der Funktion allein durch die Z-Diode 6 und die Basis-F.mitter-

Spannung des Transistors 8 bestimmt.

_f Wie man aus F i g. 3 sofort erkennt, kann man

y ___ i_- i| _e se J dem Ladeimpuls aber auch einen negativen Spannungs-

lo wert Ci. zuordnen und durch Fortlassen der Zener-

(Li Spannung am Kondensator). diode 6 die Spannung t.'z auf den Wert der Bnsis-

F.mitter-Spannung des Transistors 8 festlegen. Sofern die Differenz Cz_x Vj₁ bzw. Uz₂ Uj₁ die gleiche

Die Zeit, nach der die Spannung C, den Wert der wie in F i g. 3 ist. gelten die dortigen Kurven unein-Spannung Cz erreicht, ergibt sich zu 15 geschränkt auch für diesen Fall. Ebenso ist es möglich,

einen Teil der allein maßgeblichen Spannungsdifferenz Cz Uj₁ durch eine Z-Diodc und den Rest durch / ₌ rc -In die Höhe der Ladespannung Uj. zu bestimmen.

1 — Cz Cs Bisher wurde vorausgesetzt, daß der Ladeimpuis 3

io selbst sehr kurz ist, so daß seine Dauer vernachlässigt werden konnte. Da der Transistor 8 in F i g. 2

und ist somit abhängig von der Höhe der Speise- mit Beginn des Ladeimpulses 3 gesperrt wird und der spannung Cs. Je größer die Speisespannung Ls ist, Entladevorgang erst nach Beendigung dieses Impulses um so kurzer ist die Zeit 1, in der der Transistor 8 einsetzen kann, addiert sich die Dauer des Ladenach Beendigung des Ladeinipulses 3 gesperrt ist, 25 impulses zu den angeführten Zeiten. Die Gesamtdauer und umgekehrt. Am Ausgang.·! des Transistors 8 des Rechteckimpulses 10 ergibt sich somit zu
erscheint also ein Rechteckimpuls 10 von der jeweiliegen Höhe der Speisespannung Cs und von einer

Dauer, die in einem umgekehrten Verhältnis zur Höhe '? ~ Ό RC ■ In

der Speisespannung C< steht. Ein an den Ausgang A 3° 1 - UzICs

angeschlossener Verbraucher erhält während der _{( :r}. _{Dauer des Ladeirnpulses)}.

Dauer dieses RcLnteckimpulscs 10 einen Strom, der
durch die Speisespannung Cs. den Kollektorwiderstand 9 des Transistors 8 und seinen eigenen Innen- Damit läßt sich das Ausgleichsverhalten der Anwiderstand bestimmt ist. 35 Ordnung von F i g. 2 in noch größcrem Maße va-In F i g. 3 sind die Zeitverhältnisse deutlich gemacht. nieren.

Zum Zeitpunkt //. lädt der Ladeimpuls den Konden- F i g. 4 zeigt einige Beispiele für die Funktion

sator auf die Spannung C\. von etwa Null auf und tCs'tsCss in Abhängigkeit von I - L'.s-.v. Um das verschwindet sofort wieder. Hat die Speisespannung Produkt / · Us- konstant gleich dem Produkt /.γ ■ Usx einen Normalwert iss. erfolgt die Entladung des 40 zu machen, müßte Kurve Λ in F i g. 4 erreicht werden. Kondensators gemäß Kurve α. hat sie hingegen einen Mit Cz — ¹I₃ Csx erzielt man mit der Schaltungs-L'nterspannungswert l'.-r. entlädt sich der Konden- anordnung von F i g. 2 ein Verhalten gemäß Kurve α sator cemäß Kurve/). Für die Darstellung wurde in F i g. 4. Gibt man zusätzlich dem Ladeimpuls angenommen, daß die Speisespannung Css bzw. eine Dauer I₀ son 0.1 RC. wird Kurve c erhalten, die C.r während des Entladevorgangs auf gleicher Höhe 45 im Bereich 0.6 Us\ < Cs -^ 1,8 (7.S₁V die Kurve b Weint, damit die Kurven α und h nicht unnötig korn- mit weniger als 10",, Abweichung annähert. Ohne pliziert werden. Grundsätzlich ändern aber --elbst die Ausgleichswirkung der Anordnung von F i g. 2 schnelle Schwankungen der Speisespannung Cs nichts würde Kurve d erhalten werden.
an der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung. Im Bei Verbrauchern mit induktivem Anteil muß bei

Beispiel von F i s. 3 beträgt die Unterspannung Csi; 5° Festlegung der Ausgleichsfunktion der auf Grund zwei Drittel der Normalsparnung C--.. Wenn das der Selbstinduktion erzeugte Gegenstrom berücksich-Produkt /·/ oder U · t etwa konstant gehalten werden tigt werden. Die Impulse dürfen hier bei hohen soll, wählt man die Z-Diode 6 in F i g. 2 so, daß Uz Spannungen Us nicht zu kurz sein und brauchen bei etwa ein Drittel bis ein Fünftel der Normalspannung kleinen Spannungen Us nicht so lang zu sein, wie es l/s .ν beträgt. In F i g. 3 ist dafür die Spannung Uz.\ 55 Kurve b von F i g. 4 entspricht. Die erwünschte Untereingetragen. Bei Normalspannung wird die Spannung kompensation erhält man dadurch, daß man die L'zi gemäß Kurve α nach einer Zeit /.v, erreicht, bei Dauer t₀ des Ladeimpulses im Verhältnis zur Dauer Unterspannung gemäß Kurve b nach einer Zeit t_r;_u des Entladevorgangs vergrößert, also den konstanten die etwa das l.Sfache von f.v, beträgt. Soll dagegen Anteil von f₀ an der Gesamtdauer t_t erhöht. Sollte das Produkt I ■ U ■ t etwa konstant gehalten werden, 60 dagegen zur Anpassung an einen anderen Verbrauchet wird mittels der Z-Diode 6 in F i g. 2 die SpannungUz eine stärkere Überkompensation als nach Kurve a auf etwa die Hälfte oder etwas mehr als die Hälfte von F i g. 4 erwünscht sein, wählt man Uz größer, der Normalspannung l/c.v eingestellt, in F i g. 3 mit z. B. zu ²/ö oder V2 Usx- Die Grenze ist hier durch Cz₁ bezeichnet. Die Zeit tr*, die der Entladevorgang den Unterspannungswert Usu, der auf alle Fälle gemäß Kurve b bei Unterspannung dauert, entspricht 65 größer als Uz sein muß, gegeben. Bei pulsierendei jetzt etwa dem 2,25fachen der Zeit f.v₂, die gemäß Gleichspannung ist für Usu der zeitliche Mittelwert Kurve α bei Normalspannung benötigt wird. Die an- zu setzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 impuls auf eine gegenüber dem Bezugspotential feste, Patentansprüche: das Verstärkerelement sperrende Spannung aufge- laden und über den mit dem anderen Potential ver-

1. Anordnung zum Ausgleichen des Einflusses bundenen Widerstand des .RC-Glieds entladen wird,

von Schwankungen der Speisespannung auf die S wobei bei Erreichen einer bestimmten Spannung ge-

Ά Fläche oder den Energiegehalt der von einem genüber dem Bezugspotential das Verstärkerelement

Verstärkerelement gelieferten Impulse, bei der das in den Sättigungszustand umgeschaltet wird.

Verstärkerelement mit seiner Steuerelektrode an Bei der Ansteuerung von Relais, Magneten, Motor-

;j den Mittelpunkt eines zwischen zwei verschiedene wicklungen und anderen Leistungsverbrauchern aurch

Potentiale eingeschalteten Serien-TJC-Glieds an- io Impulse muß sichergestellt werden, daß die Impulse

geschlossen ist, das entsprechend der im Normal- stets genügend lang und hoch sind, damit die dadurch

fall gewünschten Impulsdauer bemessen ist, und betätigten Mittel richtig arbeiten. Dies ließe sich bei-

% der an das Bezugspotential des Verstärkerelements spielsweise durch Stabilisieren der Speisespannung er-

angeschlossene Kondensator des ÄC-Glieds durch reichen, was aber bei hohem Leistungsbadarf sehr

-■■ einen Ladeimpuls auf eine gegenüber dem Bezugs- 15 aufwendig ist, In vielen Fällen wäre es darum sogar

; potential feste, das Verstärkerelement sperrende vorteilhafter, wenn man als Speisespannung unmittel-

Spannung aufgeladen und über den mit dem an- bar die mehr oder weniger geglättete pulsierende

deren Potential verbundenen Widerstand des Gleichspannung verwenden könnte, die durch Trans-

ÄC-GIieds entladen wird, wobei bei Erreichen einer formation und Gleichrichtung aus der Netzspannung

bestimmten Spannung gegenüber dem Bezugs- ao gewonnen wird. Diese Spannung schwankt jedoch

-: potential das Verstärkerelement in den Sättigungs- phasen- und belastungsabhängig.

zustand umgeschaltet wird, dadurch ge- Es ist bekannt, bei monostabilen MuI ti vibratoren kennzeichnet, daß der Widerstand (4) des und anderen Impulserzeugern die Impulsdauer von Serien-ÄC-Glieds (4, 5) mit der Quelle für die Schwankungen der Speisespannung unabhängig zu Speisespannung (Us) verbunden ist und die Span- 35 machen. In einer bekannten Schaltung ist hierfür ein nung (Uz) gegenüber dem Bezugspotential (0), bei Spannungsteiler vorgesehen, an den der zeitbestimder das Verstärkerelement (8) in den Sättigungs- mende Kondensator des monostabilen MuIlivibrators zustand übergeht, zur Stabilisierung der Impuls- angeschlossen ist (USA.-Patentschrift 3 469 116). Eine fläche (U ■ t bzw. /·/) so bemessen ist, daß die andere bekannte Schaltung bedient sich eines Korn-Differenz von dieser Spannung (Uz) und der 30 parators, der die Kondensatorspannung ständig mit Spannung des Ladeimpulses (Ul) etwa ein Drittel einer über einen Spannungsteiler eingestellten Spander Differenz vom Normalwert (Usn) der Speise- nung vergleicht. Bei Gleichheit schaltet ein vorher gespannung (Us) und der Spannung des Ladeim- sperrter Transistor in die Sättigung und übeträgt den pulses (Ul) beträgt, während &ie zur Stabilisierung Spannungssprung an seinem Kollektor über eine des Energiegehalts der Impulse (U ■ I · t bzw. 35 Z-Diode zu einem weiteren Transistor, der die Span- U²t oder Pt) so bemessen ist, daß die erstgenannte nungsversorgung des Komparators abschaltet, so Differenz (Uz— Ul) etwa gleich der Hälfte der daß im Ruhezustand keine Leistung verbraucht w>rd an zweiter Stelle genannten Differenz (Usn — U_L) (IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 11, Nr. 4, ist. September 1968). Diese A η a^rd η ungern stabilisieren

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- 40 zwar die Impulsdauer, aber nicht die Impulsfläche kennzeichnet, daß die Spannung (Uz) gegenüber bzw. den Energiegeh alt.

dem Bezugspotential (0), bei der das Verstärker- Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung zur Er-

element(8) in den Sättigungszustand übergeht, zeugung rechteckiger Impulse bekannt, die aus einem durch ein einen konstanten Spannungsabfall er- mit dem Mittelpunkt eines an unterschiedliche feste zeugendes Koppelglied, vorzugsweise eine Z-Diode, 45 Potentiale angeschlossenen Senen-/?C-Glieds ver-

die zwischen den Mittelpunkt des Serien-ÄC- bundenen Verstärkerelement besteht. Über eine Diode

Glieds (4, 5) und die Steuerelektrode des Ver- wird der Kondensator des ÄC-Glieds mit Steuerim- |

Stärkerelements (8) eingeschaltet ist, erzeugt wird. pulsen beaufschlagt, die das Verstiirkerelement sperren.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch Der Kondensator entlädt sich dann über den Widergekennzeichnet, daß zur Feineinstellung des Aus- 50 stand gegen ein Potential entgegengesetzter Polarität gleichsverhaltens die Dauer des Ladeimpulses (3) und erreicht dabei nach bestimmter Zeit eine Spanverändert wird. nung bei der das Verstärkerelement wieder in den |

Sättigungsbereich gelangt. Diese Zeit ist durch das '

RC-Verhältnis, die Höhe der Vorspannung, gegen die i

55 die Kondensatorentladung erfolgt, und durch die (

Höhe und Dauer der Steuerimpulse bestimmt, durch i

die eine Impulslängenmodulation bewirkt werden |

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aus- kann. Hinweise zur Lösung der dem Anmeldungs- |

gleichen des Einflusses von Schwankungen der Speise- gegenstand zugrunde liegenden Aufgabe sind diesem I

spannung auf die Fläche oder den Energiegehalt der 60 Stand der Technik nicht zu entnehmen, zumal die ;