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Dokumentenidentifikation DE4230977C2 21.10.1999
Titel Schaltungsanordnung zum Gleichrichten einer Wechselspannung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Donat, Albrecht, Dipl.-Ing., 8531 Dachsbach, DE;
Schweigert, Ralf, Dipl.-Ing. (FH), 8555 Adelsdorf, DE
DE-Anmeldedatum 16.09.1992
DE-Aktenzeichen 4230977
Offenlegungstag 17.03.1994
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 21.10.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.1999
IPC-Hauptklasse H02M 7/04
IPC-Nebenklasse H04B 15/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Gleichrichten einer Wechselspannung mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang.

Zur Präzisions-Augenblickswertgleichrichtung von analogen elektrischen Signalen sind Schaltungen, u. a. Schaltungen mit Operationsverstärkern, handelsüblich, bei denen ein Strom durch Halbleiterdioden fließt, um den Gleichrichteffekt zu erzielen. Diese Halbleiterdioden werden dabei entweder in Sperrichtung oder in Durchlaßrichtung betrieben. Es erweist sich bei derartigen Schaltungen aber als nachteilig, daß dabei im Nulldurchgang eines analogen Eingangssignals die Betriebsart der Dioden umgeschaltet werden muß. Um durch eine Diode, die zuvor in Sperrichtung betrieben wurde, nämlich einen Strom bestimmter Größe fließen zu lassen, muß erst die Flußspannung an der Diode aufgebaut werden, denn Dioden haben kein ideales Schaltverhalten. Dieses Umschalten der jeweiligen Betriebsart führt zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs eines analogen Eingangssignals zu Signalverzerrungen im Ausgangssignal. Je steiler der Nulldurchgang des Eingangssignals ist, desto stärker kommt der Nachteil einer derartigen Signalverzögerung zum Tragen. Dies ist z. B. bei Eingangssignalen höherer Frequenzen der Fall. Deshalb ist der Anwendungsbereich der herkömmlichen Schaltungen zur Präzisions-Augenblickswertgleichrichtung bezüglich der Höhe der Signalfrequenzen eingeschränkt.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US 35 85 487 bekannt, die eine Gleichrichtung für Signale kleiner Amplitude für ein breites Frequenzband ermöglicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine weitere Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so zuschaffen, die ebenfalls für hohe Frequenzen geeignet ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wechselspannung in nicht invertierter Form an die Anode einer ersten Diode geschaltet ist, daß die Wechselspannung ferner in invertierter Form an die Anode einer zweiten Diode geschaltet ist, daß die Kathoden der ersten Diode und der zweiten Diode zusammengeschaltet sind mit der Kathode einer dritten Diode, der über ihre Anode ein erster Strom von vorgegebener Stärke eingespeist wird, daß den Kathoden der Dioden ein zweiter Strom entnommen wird, der doppelt so groß ist wie der erste Strom, und daß das Gleichrichtsignal als Spannung an der Anode der dritten Diode abgreifbar ist.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden auf einem Halbleiterchip integriert sind. Die Kennlinien der Dioden sind dabei in größtmöglicher Weise aneinander angleichbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Eine Eingangswechselspannung Ue wird dabei über eine Verstärkerstufe VS mit einer Verstärkung "+1" an die Anode einer ersten Diode D1 geleitet und in invertierter Form der Anode einer zweiten Dioden D2 zugeleitet. Die Inversion erfolgt dabei über eine Invertierstufe IS mit einem Verstärkungsfaktor "-1". Sowohl die Verstärkerstufe VS als auch die Invertierstufe IS erlauben dabei eine auf die Eingangswechselspannung Ue weitestgehend rückwirkungsfreie Strombelastung am jeweiligen Ausgang.

Die Kathoden der Dioden D1 und D2 sind miteinander verbunden. Ferner ist eine dritte Diode D3 vorgesehen, deren Kathode ebenfalls mit den Kathoden der Dioden D1 und D2 verbunden ist. Über die Anode der Diode D3 wird mit Hilfe ... einer Stromquelle S1 ein erster Strom I1 eingespeist. Am Kathodenknoten ist eine Stromquelle, genauer gesagt eine Stromsenke S2, vorgesehen, die dem Knoten einen zweiten Strom I2 entnimmt; dabei ist der zweite Strom I2 stets doppelt so groß wie der erste Strom I1.

Wendet man auf die gemeinsame Kathode das erste Kirchhoffsche Gesetz an (Knotenregel), so sieht man, daß die Hälfte des zweiten Stromes I2 den die Stromquelle S2 dem Knoten entnimmt, durch die dritte Diode D3 fließen muß, während die andere Hälfte des zweiten Stroms I2 durch die beiden anderen Dioden D1 und D2 fließen muß. Von diesen beiden anderen Dioden D1 und D2 ist aber nur jeweils diejenige leitend, an deren Anode das positivere Potential anliegt. Die jeweils andere Diode wird dann gesperrt. Die "aktive" Diode, d. h. diejenige, welche das positivere Potential führt, wird dann also von einem gleichgroßen Strom wie dem ersten Strom I1 durch die Diode D3 durchflossen. Sorgt man dafür, daß alle drei Dioden D1, D2 und D3 die gleiche Strom-Spannungs-Kennlinie besitzen und zudem ein gleiches Temperaturverhalten aufweisen, stellen sich an der dritten Dioden D3 und der jeweils aktiven Diode D1 bzw. D2 die gleichen Flußspannungen ein. Mit Hilfe dieses Effektes wird das Potential an der Anode der jeweils aktiven Diode D1 bzw. D2 nach dem zweiten Kirchhoffsche Gesetz (Maschenregel) über die beiden Flußspannungen der gefluteten Dioden D1 bzw. D2 an die Anode der dritten Diode D3 "gespiegelt". An der Anode der dritten Diode D3 stellt sich damit also immer das größere der beiden Anodenpotentiale der beiden ersten Dioden D1 bzw. D2 ein. Als Ausgangssignal an der Anode der dritten Diode D3 erhält man also



Ua = Umax (Ue; -Ue) = |Ue

Eine relativ kleine Signalverfälschung ergibt sich nur im Kommutierungspunkt, d. h. im Nullpunkt der Eingangswechselspannung Ue, da sich in diesem speziellen Punkt und in dessen Umgebung der Strom auf die Dioden D1 und D2 aufteilt. Der Signalverlauf des Fehlers ist aber eine Funktion der Eingangsspannung, unabhängig vom eingeprägten Strom, sofern dieser wesentlich größer als der Sättigungssperrstrom der Dioden D1 bis. D3 ist. Versuche haben gezeigt, daß das Maximum des Gleichrichtfehlers bei 18 mV liegt. Der Fehlerverlauf ist aus der Diodengleichung berechenbar, somit bekannt und kompensierbar.

Wesentlich für die Qualität der Schaltung ist der Gleichlauf der drei Dioden D1, D2 und D3, d. h. es müssen möglichst gleiche Diodenkennlinien und gleiches Temperaturverhalten vorliegen. Dies läßt sich relativ leicht dadurch erfüllen, daß man ein Diodennetzwerk benutzt. Diodennetzwerke sind mehrere Dioden, die auf einem Chip integriert sind. Dadurch kann dafür gesorgt werden, daß die geometrischen Abmessungen der pn-Übergänge zueinander identisch sind, wie alle integrierten Dioden dem gleichen Herstellungsprozeß unterliegen. Durch diese Maßnahmen lassen sich gleiche Kennlinien und gleiches Temperaturverhalten mehrere Dioden erzielen.

Die Tatsache, daß die Dioden D1 bis D3 Teil eines Diodennetzwerkes sind, ist in der Zeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet.

Eine äquivalente Abänderung der Schaltung könnte so aussehen, daß die Dioden D1 bis D3 in ihrer Polarität umgedreht wären und daß der dann in seiner Richtung gewechselte Strom I2 doppelt so groß geschalten wäre, wie der ebenfalls umgekehrte Strom I1. Die Ausgangsspannung Ua wäre dann allerdings



Ua = Umin (Ue; -Ue) = -|Ue|.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zum Gleichrichten einer Wechselspannung mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. 1. die Wechselspannung (Ue) in nicht invertierter Form an die Anode einer ersten Diode (D1) geschaltet ist,
    2. 2. die Wechselspannung (Ue) ferner in invertierter Form an die Anode einer zweiten Diode (D2) geschaltet ist,
    3. 3. die Kathoden der ersten Diode (D1) und der zweiten Diode (D2) zusammengeschaltet sind mit der Kathode einer dritten Diode (D3), der über ihre Anode ein erster Strom (I1) von vorgegebener Stärke eingespeist wird,
    4. 4. den Kathoden der Dioden (D1 bis D3) ein zweiter Strom (I2) entnommen wird, der doppelt so groß ist wie der erste Strom (I1), und daß
    5. 5. das Gleichrichtersignal als Spannung (Ua) an der Anode der dritten Diode (D3) abgreifbar ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D1, D2, D3) auf einem Halbleiterchip integriert sind.






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