DE1021025B

DE1021025B - Einrichtung zum Erzeugen von Rechteckimpulsen mit veraenderbarem Tastverhaeltnis

Info

Publication number: DE1021025B
Application number: DES40291A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Georg Sichling
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1954-08-03
Filing date: 1954-08-03
Publication date: 1957-12-19
Also published as: FR1135436A; GB775827A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen von periodischen Rechteckimpulsen mit in Abhängigkeit von der Größte einer Gleichspannung veränderbarem Tastverhältnis. Unter Tastverhältnis ist dabei das Verhältnis der Dauer einer Impulsperiode zur Dauer des Impulses zu verstehen. Mit anderen Worten ausgedrückt betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Umwandeln einer Gleichspannung in eine proportional impulszeitmodulierte Rechteckspannung.

Die Einrichtung nach der Erfindung geht von einem impulserzeuger für zumindest annähernd dreieckförmige Spannungsimpulse aus. Dessen Impulsspannung wird einer einstellbaren Gleichspannung entgegengeschaltet, die zumindest zwischen Null und diem Scheitelwert der Impulsspannung veränderbar ist. Ferner wird im Stromkreis der entgegengeschalteten Spannung ein Halbleiterverstärker angeordnet, der bereits bei einem im Verhältnis zum Maximalwert der Dreieckspannung sehr geringen Wert seiner Steuerspannung voll geöffnet ist. Die gesuchte Rechteckspannung, deren Tastverhältnis der Größe der Gleichspannung entspricht, wird an den Ausgangsklemmen des Verstärkers abgenommen und einem Verbraucher zugeführt.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Einrichtung nach der Erfindung liegt bei Steuer- und Regelkreisen in der Starkstromtechnik. Vor allem in der selbsttätigen Regelungstechnik Hegt häufig die Aufgabe vor, einen verhältnismäßig- geringen Meßwert, der beispielsweise die Regelgröße darstellen kann, zu verstärken. Dazu ist ein sogenannter Regelverstärker erforderlich, der auf das Stellglied der Regelung einwirkt. Die Meßgrößen liegen nun häufig als Gleichstromgrößen, insbesondere als Spannungen vor, und fine genaue Wiedergabe einer dargestellten Größe durch einen Meßwertgeber oder -umformer ist vielfach nur dann gegeben, wenn eine bestimmte Belastung desselben nicht überschritten wird. Zur Vermeidung der Überlastungen ist man daher bestrebt, Regelverstärker mit hohem Eingangswiderstand zu verwenden. Die erforderlichen hohen Eingangswiderstände Hegen jedoch, wenn Magnetverstärker oder Verstärkermaschinen verwendet werden sollen, nicht ohne weiteres vor. Alan ist daher bestrebt, einen Vorverstärker mit möglichst hohem Eingangswiderstand zu verwenden. Bekannte Verstärker dieser Art sind Elektronenröhrenverstärker. Diese werden jedoch infolge bekannter Nachteile, wie Alterung, Heiizleistungsbedarf, mechanische Empfindlichkeit usw., in industriellen Regelanlagen häufig abgelehnt.

Eine den Elektronenröhren ähnliche Einrichtung ist der Transistor. Es sind in der letzten Zeit ferner andere Halbleiterverstärkerelemente entwickelt worden.

Einrichtung

zum Erzeugen von Rechteckimpulsen
mit veränderbarem Tastverhältnis

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Georg Sichling, Erlangen,
ist als Erfinder genannt worden

Dazu gehören beispielsweise halbleitende Verbindungen von der Form A₁₁₁ B_v, wie Indiumantimonid

u. dgl. Die vorgenannten Nachteile der Elektronenröhren liegen nun zwar bei Transistoren und anderen Halbleiterverstärkern nicht vor. Jedoch ergibt sich die Schwierigkeit, daß sie ohne weiteres und im allgemeinen nur bis zu bestimmten, zumeist verhältnismäßig geringen Ausgangsleistungen aussteuerbar sind. Magnetverstärker und Verstärkermaschinen lassen sich daher vom technisch-wirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet im allgemeinen nicht befriedigend durch Halbleiterverstärkeranordnungen aussteuern. Es sind zwar Magnetverstärker bekannt, die besonders kleine Eingangsleistungen halben. Jedoch ist deren Zeitkonstante so groß, daß sie für schnelle technische Regelungen unbrauchbar sind. Die Beziehungen zwischen Steuerleistung und Zeitkonstante eines Verstärkers wird durch den Begriff der Steuerenergie definiert.

Bei Magnetverstärkern ist es nicht ohne weiteres möglich, eine bestimmte Mindeststeuerenergie zu unterschreiten. Des weiteren ist es nicht ohne weiteres möglich, Transistoren oder andere Halbleiterverstärker größerer Steuerleistung mehr Steuerleistumg zu entnehmen, als es ihre Erwärmung erlaubt, weil anderenfalls eine Zerstörung eintritt.

Bs ist nun an anderer Stelle bereits ein Kunstgriff vorgeschlagen worden, durch den es ermöglicht wird, Transistoren und andere Halbleiterverstärkerelemente in einem verhältnismäßig großen Steuerbereich zu verwenden. Diese Maßnahmen beruhen auf der Erkenntnis, daß die Verlustleistung eines derartigen Verstärkers infolge der hyperbolischen Leistungskennlinie

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im ungesteuerten und im ganz ausgesteuerten Zustand wesentlich kleiner ist als bei anderen Zwischensteuer werten, insbesondere in der Mitte des Aussteuerung«- bereiches. Man hat daher vorgeschlagen, den Zwischenbereich möglichst schnell zu durchsteuern, so daß das Verstärkerelement sich überwiegend im gesperrten oder geöffneten Zustand befindet und die in der Umsteuerzeit auftretenden. Verlustleistungen nur während verschwindend kurzer Zeit auftreten, so daß eine un-

ihin die gewünschte dreieckförmige Spannung auftritt. Diese Dreieckspannung, die auch sägezahnförmig aussehen kann, kann auch durch andere RL- oder RC-Generatoren oder an sich beliebige andere Generatoren 5 erzeugt werden.

Ein weiteres Beispiel für eine Schaltung zur Erzeugung einer Dreieckspannung, das mit einem einzigen Spitzentransistor 40 arbeitet, ist in Fig. 2 dargestellt. Zwischen Kollektor und Basis des Transistors

zulässige Erwärmung und Zerstörung vermieden wird, xo Hegt über je einen Widerstand 41 bzw. 42 ein Konden-Die Steuerung erfolgt dabei in Abhängigkeit vom Ver- sator 43. Dieser wird über einen Widerstand 44 von hältniis Auf/Zu. E werden also Rechteckspaimungen einer Stromquelle 45 aufgeladen, solange der Tranmit veränderbarem Tastverhältnis für die Steuerung
benötigt.

Die Einrichtung nach der Erfindung stellt eine be- 15 43 bricht der Widerstand zwischen Kollektor und sonders einfache und vorteilhafte Einrichtung dar, mit Basis plötzlich zusammen, so daß sich der Kondenderen Hilfe das erwähnte Steuerprinzip bei Transisto- sator über den Transistor entlädt. Der Transistorren und anderen Halbleiterverstärkern, ζ. Β. solchen
mit Halbleiterelementen mit sogenannter magnetischer

sistorwiderstand zwischen Kollektor und Basis groß ist. Bei einer bestimmten Spannung am Kondensator

widerstand zwischen Basis und Kollektor wird alsdann wieder groß. Dar Kondensator lädt sich wieder

Sperrschicht, durchgeführt werden kann. Zu den Stof- so und so fort. Dadurch entsteht an dem Kondensator 43

fen mit magnetischer Sperrschicht, die außer durch ein magnetisches Feld auch durch ein elektrisches Feld sowie durch eine Strahlung steuerbar sind, wird auf den Aufsatz von E. Weisshaar und H. Welker:

eine sägezahnförmige Spannung, die an den Klemmen 46, 47 abgenommen wird.

Für die Zwecke der Erfindung werden solche Generatoren zum Erzeugen der Dreieckspannung bevor- »Magnetische Sperrschichten in Germanium«, Zeit- 25 _ZUgt, die möglichst lineare Impulsflanken aufweisen, schrift für Naturforschung, Bd. 8a, Heft 11, 1953, Dadurch wird eine gute Proportionalität zwischen der S. 681 bis 686, verwiesen.

Dementsprechend besteht die Erfindung darin, daß

bei einer Einrichtung· zur annähernd verlustlosen Aussteuernden Gleichspannung und dem Tastverhältni der gesuchten Reckteckspannung erzielt.

In Fig. 1 wird die Dreieckspannung an den Klein steuerung eines einen Verbraucher speisenden Halb- 30 men 11, 12 des Impulserzeugers 1 abgenommen und leiterverstärkers (Transistors) unter Umwandlung der nach Gegenschaltung mit einer von den Klemmen 13. Steuergröße des Verstärkers in Rechteckimpulse, 14 entnommenen Gleichspannung dem Eingangskreis deren Tastverhältnis der Steuergröße proportional ist. eines Halbleiterverstärkers 15 zugeführt, der beispielsein an sich bekannter Impulserzeuger für zumindest weise ebenfalls mit einem Flächentransistor arbeitet, annähernd dreieckförmige Spannungsimpulse, vor- 35 Durch eine Stromquelle 16 ist die Stromversorgung zugsweise mdt linearen Flanken, vorgesehen ist. Weiter- des Halbleiterverstärkers 15 angedeutet. Mit 17 ist hin gehört es zur Erfindung, daß der Impulsausgangs- ein Vorwiderstand bezeichnet. Zusammen mit seinen spannung des Impulserzeugers eine zwischen Null und zugehörigen Schaltungselementen sowie gegebenendem Scheitelwert der Dreieckimpulsspannung einstell- falls einem nachgeschalteten Hilfsverstärker bildet bare, die Steuergröße danstellende Gleichspannung 40 der Halbleiterverstärker 15 den Rechteckwellengene derart entgegengeschaltet ist, daß die Differenzspannung, die dem Steuerkreis des Halbleiterverstärkers
zugeführt ist, den Halbleiterverstärker bei einem im
Verhältnis zum Maximalwert der Dreieckspannung
sehr geringen Wert der Steuerspannung voll öffnet.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist auf die Zeichnung Bezug genommen. Diese zeigt in

Fig. 1 ein mögliches Ausführungsbeispiel zugleich auch in Verbindung mit einem Anwendungsbeispiel;

rator 18. Das Zustandekommen der Rechteckwellen aus der Dreieckspannung an den Klemmen 11 und 12 und der steuernden Gleichspannung an den Klemmen 13, 14 ist weiter unten erläutert. An den Rechteck-45 wellengenerator 18 schließt sich ein geeigneter, an sich beliebiger Leistungsverstärker 19 an, z. B. ein Magnetverstärker. Dieser stellt den eigentlichen Regel verstärker dar. Er speist den Anker 20 eines in der Drehzahl zu regelnden Motors M, dessen mit 21 bezeich-

Fig. 2 zeigt eine Schaltung zur Erzeugung einer 50 nete Erregerwicklung von einer Stromquelle 22 ge

Dreieckspannung und speist wird. Der Motor M ist über die Welle 23 mit

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erklärung einer im einzelnen nicht näher dargestellten Arbeits-

der Wirkungsweise der Einrichtung nach der Erfin- maschine 24 verbunden,

dung. Zur Regelung der Drehzahl des Motors M und damit

In- Fig. 1 erfolgt die Erzeugung der benötigten drei- 55 der Arbeitsmaschine 24 ist mit dem Motor M über eckförmigen Impulse mit einem Impulserzeuger 1, der eine Welle 25 ein Tachometerdynamo 26 gekuppelt, beispielsweise nach dem Multivibratorprinzip mit Die von dieser erzeugte drehzahlproportionale Gleichzwei Flächentransistoren 2 bzw. 3 in an sicih bekannter spannung ist einer von einem Potentiometer 27 entSchaltung arbeitet. Die Speisung des Impulserzeugers nommenen einstellbaren Gleichspannung entgegengekann durch eine an die Klemmen 4, 5 anzuschließende 60 schaltet, die den Sollwert der Regelung darstellt. An beliebige Stromquelle erfolgen. Mit 6 und 7 sind zwei den Klemmen 28, 29 entsteht dadurch die sogenannte je aus einem Widerstand und einem Kondensator be- Regelabweichung, die in einem als Gleichstromver ■ stehende Zeitglieder bezeichnet, durch die die Fre- stärker geschalteten weiteren Halbleiterverstärker 30 quenz der erzeugten Dreieckimpulse im wesentlichen verstärkt und an den Klemmen 13., 14 entnommen bestimmt wird. Die Flächentransistoren 2 und 3 öff- 65 wird. Die Verstärkung der Regelabweichung kann nen und schließen abwechselnd:. Dadurch entstehen au gegebenenfalls entfallen. Dann wäre also die Regeiden Widerständen 1 und 5 zunächst rechteckförmige abweichung unmittelbar der von dem Irnpulserzeu-Spannungen. Durch die Spannung an dem Wider- ger 1 gelieferten Dreieckspannung entgegengeschaltet, stand 5 wird über einen Widerstand 8 ein Kondensa- Der Halbleiterverstärker 30, der im vorliegenden tor 9 periodisch aufgeladen und entladen, so daß an 70 Fall zur Erzielung einer großen Regelgenauigkeit

vorgesehen ist, arbeitet beispielsweise ebenfalls mit einem Flächentransistor 31. Seine Stromquelle ist mit 32 und sein Ausgangswiderstand mit 33 bezeichnet. Hier wie auch bei den übrigen Teilen der Schaltung nach Fig. 1 beschränkt sich die Darstellung auf das für das Verständnis unbedingt Erforderliche. In Wirklichkeit wird man je nach den vorliegenden Bedingungen weitere Mittel und Maßnahmen vorsehen, um die gewünschte Funktion der Einzelteile sicherund zufriedenstellend zu erreichen. So kann beispielsweise zur Verhinderung von Übersteuerungen und damit Beschädigungen des Halbleiterverstärkers 15 ein spannungsabhängiger Widerstand 34 aus gegenparallel geschalteten Trockengleichrichtern im Nebenschluß zu den Eingangsklemmen angeordnet werden.

Zur Erläuterung des Zustandekommens der Rechteckimpulse mit Hilfe des Rechteckwellengenerators 40 dient Fig. 3. Die Kurve C₁₁Z₁₂ zeigt die Spannung an den Ausgangsklemmen 11,12 (Fig. 1) des Impulserzeugers 1 in Abhängigkeit von der Zeit t. Der Halbleiterverstärker 15 ist so auegelegt, daß er bereits von einem Bruchteil der Spannung U₁₁₁₁₂ voll ausgesteuert würde. Er wäre demnach während der ganzen Periode geöffnet. Durch die in seinem Eingangskreis gegensinnig hinzugefügte Gleichspannung U_13/u, die die verstärkte Regelabweichung darstellt, ist im Eingangskreis des Halbleiterverstärkers 15 jedoch nur die Differenz zwischen U₁₁₁₁₂ und CZ₁₃Z₁₄ wirksam. Durch Verändern der Gleichspannung U_13/li, die als zur Zeitachse t (Fig. 3) parallel verkaufende Gerade erscheint, ergeben sich verschiedene Schnittpunkte der Kurven U₁₁₁₁₂ und U_ls/li. Es sind beispielsweise zwei verschiedene Werte von U_ls/li angenommen, von denen der größere mit A und der kleinere mit B bezeichnet ist. Innerhalb jedes dreieckförmigen Wellenzuges ergeben sich jeweils zwei Schnittpunkte. Bei Ci₁ bzw. b₁ öffnet der Halbleiterverstärker 15 (Fig. 1), und bei a₂ bzw. b₂ schließt er. Im Falle A ergeben sich die im unteren Teil der Zeichnung dargestellten Spannungskurven. Sie stellen die im Ausgang des Halbleiter- Verstärkers 15 vorliegenden Spannungen dar. Es ergibt sich somit ein periodisches plötzliches Öffnen und Schließen, daß sich innerhalb des mit AU bezeichneten Abstandes der beiden gestrichtelt dargestellten waagerechten Linien abspielt, je nachdem, ob die Differenz zwischen der Dreieckspannung C₁₁Z₁₂ und der Gleichspannung U_13lli positiv oder negativ wird. Im Falle A ergibt sich als Tastverhältnis T:a, im Falle B dagegen T:b. Wirksam für die Regelung des Motor.i M in Fig. 1 ist jeweils der zeitliche Mittelwert der Rechteckkurven (A bzw. B). Im Ausführungsibeispiel nach Fig. 1 ist angenommen, daß der Motor M bei einem Tastverhältnis von etwa 2 :1 im eingeregelten Zustand arbeitet. Bei einer Drehzahlabweichung nach oben miuß daher dafür gesorgt werden, daß das Tastverhältnis größer als 2:1 und. bei einer Drekzahlabweichungnach unten kleiner als 2 :1 wird. Dies besorgt die Regelung selbsttätig.

Die Erfindung ist weder auf das dargestellte Ausführungs- noch Anwendungsbeispiel beschränkt, sondern kann auch mit anderen Schaltungen verwirklicht werden und zur Regelung sowie Steuerung an sich beliebiger Verbraucher dienen. Im Falle einer Steuerungsaufgabe stellt die erfindungsigemäß der Dreieckspannung entgegengeschaltete Gleichspannung die sogenannte Einstellspannung dar, die beispielsweise von einem Potentiometer geliefert sein kann. Der Stellung des Potentiometers entspricht ein bestimmtes Tastverhältnis der erzeugten Rechteckspannung und dem Tastverhältnis eine bestimmte Stellung oder ein bestimmter Zustand der zu steuernden Einrichtung. Die Einrichtung nach der Erfindung ist außer für Regelungszwecke vor allem für Fernsteuerungszwecke geeignet, da im wesentlichen Spannungen in ihrem Steuerkreis wirksam sind und somit ein größerer Leitungswiderstand desselben nicht stört.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur annähernd verlustlosen Aussteuerung eines einen Verbraucher speisenden Halbleiterverstärkers (Transistor) unter Umwandlung der Steuergröße des Verstärkers in Rechteckimpulse, deren Tastverhältnis der Steuergröße proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein an sich bekannter Impulserzeuger für zumindest annähernd dreieckförmige Spannungsimpulse, vorzugsweise mit linearen Flanken vorgesehen ist, dessen Impulsausgangsspannung eine zwischen Null und dem Scheitelwert der Dreieckimpulsspannung einstellbare, die Steuergröße darstellende Gleichspannung derart entgegengeschaltet ist, daß die Differenizspannung, die dem Steuerkreis des Halbleiterverstärkers zugeführt ist, den. Halbleiterverstärker bei einem im Verhältnis zum Maximalwert der Dreieckspannung sehr geringen Wert der Steuerspannung voll öffnet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung die Einstellspannung einer Steuereinrichtung, insbesondere einer Fernsteuereinrichtunig ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung die Regelabweichung eines Regelkreises ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Stromkreis der beiden Spannungen geschaltete Verstärker ein Halbleiterverstärker mit magnetischer Sperrschicht ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle steuerbaren Elemente steuerbare Halbleiter sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 641 176; USA.-Patentsöhriften Nr. 2 511093, 2 561475, 684 448.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen