DE2615863A1 - Elektrischer transformator bestehend aus einem aktiven vierpol - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: FR 975 008

ilektrischer Transformator bestehend aus einem aktiven Vierpol

konventionelle Transformatoren enthalten Induktionsspulen mit luf einem geeigneten Kern aufgebrachten Wicklungen. Diese relativ großen und schweren Transformatoren sind insbesondere dann unvorteilhaft;, wenn sie in miniaturisierten elektronischen Schaltun gen verwendet werden sollen.

s wurden bereits Versuche unternommen, die konventionellen !Transformatoren durch elektronische Schaltungen zu ersetzen, 'die die gleiche Funktion erfüllen.

Eine Spannung v. mit der Frequenz F= ^_n- ' die an die Primärwicklung des Transformators angelegt wird, erzeugt darin einen Strom Ji₁ und in der Sekundärwicklung einen Strom i₂ und eine Spannung Jv₂. Die bekannten Beziehungen zwischen diesen Strömen und Spaninungen sind

(D

wobei L₁, L₂ die primäre und sekundäre Induktivität und M die Gegeninduktivität des Transformators angeben.

Vierpole, die die Gleichungen (1) erfüllen und damit eine dem Transformator äquivalente übertragungsfunktion ergeben, sind life

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reits bekannt.

Die bekannten Schaltungen dieser Art sind jedoch im allgemeinen zumindest kostenmäßig aufwendig, da sie eine groß· Anaahl von Operationsverstärkern aufweisen müssen.

E3 ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen aktiven Vierpol anzugeben, der die von einem Transformator geforderten Funktionen ausführt und dazu nur eine reduzierte Anzahl von Operationsverstärkern benötigt. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Ansprüchen niedergelegt.

(Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindung·gemäßen

Transformators,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungegemäßen

Transformators gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein Schaltbild der Schaltungen 2 und H dei erfir

dungegemäßen Transformators nach Fig. 1 und 2.

Die Erfindung basiert auf der Anwendung des Dualitätaprinsip«, das gestattet, alle Strom-Spannungsbeziehungen in Spannungs-Strombeziehungen umzuwandeln.

Setzt man

v₂ * V₂ r₂

v' ¹

¹I ^s r¹ ι V₁

^υυ8 609847/0644

so erhält man aus den Gleichungen (1)

¹1 ³ _r2 ^Vl ^J ^r₂ ^ων2*

(2)

i^f = i ^M ων» + 1 -I ^ω

¹2 ^J r^g ^ων1 ^{+ J} ^2

Entsprechend dem Dualitätsprinzip ist jeder Induktivität eine Kapazität zugeordnet, nämlich

^Ll ^L2

C₁ « -J und C₂ = -j .

^Γ1 ^Γ2

Entsprechend kann «in Wert N = ■ der Gegeninduktivität M zu

^rl^r2 geordnet werden. Damit erhält man aus den Gleichungen (2)

(3)

Wenn ^1*^4 «nd ^p¹⁶^* ^^et H**"l ^^¹^ ^2^S^2* ^{Man erilält alB0}

I₂ « JNaV₁ + JG₂UV₂. (1)

Ein Vierpol, der den Gleichungen (H) genügt, 1st echematiech in Fig. 1 dargestellt. An die Eingangekleimnen A., B. wird eine Spannung V₁ angelegt, die einen Strom I₁ bewirkt. Die Eingangsklemme B₁ ist mit einem der Eingänge einer Schaltung !verbunden. Die Eingangskleeme A₁ ist sowohl mit dem ewelten Eingang der Schaltung i als auch mit dem Ausgang einer Schaltung 2 verbunden. Der Ausgang der Schaltung 1 ist an die Ausgangsklemme B₂ und an den Eingang der Schaltung 2 angeschlossen, deren zweiter Eingang mit der Ausgangsklemne A₂ verbunden ist.

* ^{m Uya} 609847/0644

Ist i' der dem mit der Eingangsklemme A₁ verbundenen Eingang der Schaltung 1 zugeführte Strom und ist i£ der Strom aus der Schaltung 1, so gilt

i s i» - i"
¹I ¹I ¹I '

Entsprechendes gilt in bezug auf die Ausgangsklemme B₂, nämlich

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungen gem. Fig. 1, wobei die Schaltungen 1 und 2 jeweils in zwei Teile aufgeteilt sind. In Anbetracht der Umkehrbarkeit der Eigenschaften eines Transformators bestehen die Schaltungsteile la, 2a und Ib, 2b aus identischen Schaltungen. Die Schaltung la enthält einen Operationsverstärkers Aopl, eine Kapazität C₁ und einen Widerstand R . Diese Schaltung liefert für die Spannung V₁

R₁

l v, .

^zi ⁼ W^

t(v_±) = - J₁₁₁

Der Scheinleitwert der Schaltung Ib ist

C₁R₁ ; der Strom

i» = -JR₁ φ

Aufgrund der Symmetrie der Schaltung ergibt sich

Nimmt man einen idealen Operationsverstärker Aopl an, so hat die ser eine unendlich große Eingangsimpedanz und der gesamte Strom H₁ fließt über G₁ und R₁. Man erhält damit

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und entsprechend

i₂ ⁼ 0^

;Man erhält also wiederum

+ jN

; ^X2 =

Ein Spannungs-Stromwandler, der i' und ii aus den Spannungen ,f(v,.) und f(Vp) erzeugt, kann auf verschiedene Weise verwirklicht jwerden. Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltung enthält vier Widerstände R, die in Serie ! zwischen die Betriebsspannungen V⁺ und V~ geschaltet sind, die sym-f metrisch zu Masse liegen. Der Knoten P¹ ist mit der Basis eines PNP, Transistors T₁ verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand iR, an die Betriebsspannung vt gelegt ist. Der Kollektor de Tran- j sistors T₁ ist mit dem Kollektor eines NPN-Transistors T₂ verbun- ί den. Die Basis dieses Transistors liegt am Knoten Q^!. Der Emitter ist über einen Widerstand R' mit der Betriebsspannung V~ verbunden. Der Ausgang der Schaltung liegt am gemeinsamen Verbindungspunkt der beiden Transistoren T₁ und T₂. Dies ist gleichzeitig der gemeinsame Verbindungspunkt zweier zwischen den Betriebsspannungen in Serie geschalteter Widerstände Rj, und Rj". Diese Wider- ! stände sind hochohmig, und dienen der Symmetrierung, so daß der Beaugspegel am Ausgang auf Masse gehalten wird. Wählt man

, R-2=R'= — und R^< BR₁,

wobei gder Verstärkungsfaktor der Transistoren T₁ und T₂ ist, so erhält man einen Ausgangsstrom

Bl J? (V,, )

07h Γ'ΓιΡ,'

Zur überprüfung der vorstehenden Gleichungen setzt man

'2

m =

''I

Berücksichtigt man, daß

M=/ L₁L₀ ist₃ so ist N = / C₁C₀ und

τη - ^N

^m " C^

Man erhält also wieder

¹S ⁼ cfil ^{x f(Vl>} ■

Durch eine entsprechende Schaltung ist es möglich_a einen Strom

i" = fÄr- ^x
zu erhalten.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist außerordentlich einfach und bildet die übertragungsfunktion eines elektrischen Transformators nach, sie bewirkt jedoch keine galvanische Trennung. Die !letztgenannte Eigenschaft läßt sich jedoch auch bei der erfindungsgemäßen Schaltung vorsehen_a beispielsweise durch den Einbau von optoelektronischen Kopplern in den Knoten P und Q.

⁹⁷⁵ -^oc SQS847/GS44

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Elektrischer Transformator, bestehend aus einem aktiven Vierpol mit zwei Eingangsklemmen für den Primärstrom i. und die Primärspannung ν. und zwei Ausgangsklemmen für den_s Sekundärstrom ip und die Sekundärspannung V₂ » dadurch gekennzeichnet,

   daß an die Eingangsklemmen eine erste Schaltung angeschlosf sen ist, die einen Eingangsstrom i^ = JC₁ ¹⁰V₁ aufnimmt und einen Ausgangsstrom ii' = -JNu)V₁ liefert und daß an die Ausgangsklemmen eine zweite Schaltung angeschlossen ist, die einen Eingangsstrom i' = jCp ^ων₂ aufnimmt und einen _ä Ausgangsstrom i? = -jN^Vp liefert, wobei C₁, Cp und N die dualen Äquivalente der Primär- und Sekundärinduktivitäten L., Lp und der Gegeninduktivität M aus den Transformatorgleichungen sind, und daß ferner die beiden Schaltungen so über ihre Ein- und Ausgänge miteinander verbunden sind, daß I₁ = i£ - ij und i₂ = i£ - i£ ist.

   Elektrischer Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die erste Schaltung einen Operationsverstärker enthält dessen einer Eingang mit der ersten Eingangsklemme und desf sen zweiter Eingang über eine Kapazität C₁ mit der zweiten Eingangsklemme verbunden ist und den Strom i£ aufnimmt, daß der Ausgang dieses Operationsverstärkers über einen den Strom ip liefernden Spannungs-Stromwandler mit der ersten Ausgangsklemme verbunden ist,

   daß eine entsprechende zweite Schaltung ebenfalls einen Operationsverstärker enthält, dessen einer Eingang mit der zweiten Ausgangsklemme und dessen zweiter Eingang über βίηφ Kapazität C₂ mit der ersten Ausgangsklemme verbunden ist und den Strom i' aufnimmt, und daß der Ausgang dieses Operationsverstärkers über einen den Strom i" liefernden Span-· nungs-Stromwandler mit der zweiten Eingangsklemme verbundei|i ist.

   PR 975 008

   609847/0644

   3. Elektrischer Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur galvanischen Trennung von Primär- und Sekundärseite in jeden Vierpolzweig ein optoelektronischer Koppler eingefügt ist.

   ^FR975 °⁰⁸ 609347/(164*