DK144445B - Kobling til kontinuerlig amplituderegulering - Google Patents

Description

(19) DANMARK

S „2. FREMLÆGGELSESSKRIFT od 144445B

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. ^95^/70 (51) Int.CI.3 6 05 F 1/12 (22) Indleveringsdag 29· sep. 1970 // H 04 B 5/10 (24) Løbedag 29- sep. 1970 (41) Aim. tilgængelig 51 · tnaJ?· 1971 (44) Fremlagt 8. raar. 1982 (86) International ansøgning nr. “ (86) International indleveringsdag -(85) Videreførelsesdag -(62) Stamansøgning nr. -

(30) Prioritet 50. S ep. 19^9 j 19^959 6* DE

(71) Ansøger SIEMENS AKT IENGES ELLS C HAFT 3 Berlin und Muenchen* 8 Muenc= hen 2» DE.

(72) Opfinder Erwin Schumm, DE.

(74) Fuldmægtig Internationalt Patent-Bureau.

(54) Kobling til kontinuerlig amplitudes regulering.

Opfindelsen angår en kobling til automatisk regulering af amplituden af vekselspændinger, specielt til bærefrekvensanlæg, hvor den spænding, der skal reguleres, tilføres en i overføringsvejen indkoblet forstærker med et indstillingsorgan, og hvor udgangsspændingen fra denne forstærker tilføres en tærskelværdikreds, hvis tærskelspænding er fastlagt af amplituden af forstærkerens udgangsspænding, efterfulgt af en elektronisk kobler, ved hjælp af hvilken spændingen tø over en kondensator udnyttes som reguleringsstørrelse, hvormed indstillingsorga- lq net kan indstilles i retning af en tilnærmelse af den faktiske værdi til den fj* ønskede værdi af amplituden.

-ΤΓ I telekommunikationsanlæg anvendes der ofte automatisk forstærkningsregule-ring til udligning af dampningssvingninger. Til ændring af forstærkningen i reguleringsstrækningen er det kendt at anvende styrbare, ulineære modstande såsom *

O

144445 2 rør, transistorer, ensrettere eller termisk afhængige modstande. Disse sidstnævnte, der f.eks. kan være NTC-modstande, kan termisk ofte være så træge, at den gennem modstanden gående vekselstrøm ikke forvrænges. Dette er vigtigt for reguleringsstrækninger, til hvilke der stilles store krav med hensyn til lineariteten. NTC-modstandene har imidlertid en mærkbar tidskonstant, som man må tage hensyn til med henblik på stabiliteten af reguleringskredsløbet, og endvidere er NTC-modstandene også påvirkelige af omgivelsestemperaturen, der indvirker på reguleringen som fejlstørrelse.

Kendte reguleringskoblinger arbejder med ensretning af den signalspænding, der skal reguleres, og sammenligner den dannede jævnspænding med en stabil referencespænding. Den herved opnåede differensspænding styrer en efterfølgende jævnstrømsforstærker. En enkel jævnstrømsforstærker har for det meste ingen jordfri indgang. Følgelig skal enten den stabiliserede referencespænding eller den ensrettede signalspænding tilføres jordfrit til differensdannelsen. Hertil kræves der til galvanisk adskillelse en transformator. Den stabiliserede referencespænding kræver ofte en hjælpespænding af modsat polaritet, hvilket stiller særlige krav til strømforsyningen. Dette er ulemper, der vedrører det tekniske udstyr ved de kendte reguleringskoblinger. Andre ulemper og specielt sådanne, som vedrører reguleringsprocessen, vil blive angivet i forbindelse med en udførelsesform for en kendt reguleringskobling.

Fra SE-fremlæggelsesskrift nr. 333.165 kendes der en kobling til pilotregulering under hensyntagen til forstyrrelsesimpulser.

Den foreliggende opfindelse går derimod ud på at tilvejebringe optimale indsvingningsforhold i en kobling af den indledningsvis anførte art ved hjælp af forholdsvis få koblingstekniske midler samt desuden at opnå en god stabilitet.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved, at tærskelværdikredsen er en amplitudebegrænser med adskilte strømveje for de to halvbølger, hvor der i den ene strømvej indgår styrestrækningen af den elektroniske kobler, som ved spændinger i den pågældende halvbølge, som er højere end tærskelspændingen for amplitudebegrænse-ren, styres ind i den ledende tilstand, og at kondensatoren er forbundet således parallelt med koblerstrækningen i den elektroniske kobler, at den hurtigt aflades over den elektroniske kobler og langsomt oplades fra en strømkilde, medens ladestrømmen eller ladespændingen for kondensatoren udnyttes som reguleringsstørrelse til indstilling af indstillingsorganet. Ved hjælp af disse foranstaltninger, altså amplitudebegrænseren med adskilte strømveje for de to halvbølger, den elektroniske kobler og kondensatoren, indskudt mellem udgangen af den forstærker, hvis udgangsspænding skal reguleres, og det på forstærkerens indgangssignal indvirkende indstillingsorgan, opnås det tilsigtede optimale indsvingningsforhold og god stabilitet ved hjælp af få koblingsmidler.

3 U4U 5

En hensigtsmæssig udførelsesform for opfindelsen består i, at udgangsspændingen af forstærkeren tilføres amplitudebegrænseren over en ekstra forstærker, og ved at der i den ene af de to strømveje af amplitudebegrænseren findes serieforbindelsen af en zenerdiode og en diode, der er således orienteret, at zener-dioden kun fører strøm i gennemslagsretningen, samt ved at der i den anden af de to strømveje findes serieforbindelsen af basisemitterstrækningen i en transistor, der udgør den elektroniske kobler, og en diode.

En anden hensigtsmæssig udførelsesform for opfindelsen består i, at der mellem kollektoren i transistoren og den nævnte kondensator findes en sluttekontakt, der åbnes af et relæ i en niveau-overvågningsindretning ved pludseligt niveauudfald, og ved at der parallelt med kondensatoren findes styrestrækningen i en felteffekttransistor, der styres af ladespændingen på kondensatoren, og hvis ar-bejdsstrømkreds er tilsluttet indstillingsorganet.

Opfindelsen kan med særlig fordel anvendes til amplituderegulering ved bærefrekvenstelekommunikation over højspændingsledninger. De med opfindelsen opnåede fordele består især i, at der optræder en væsentligt kortere forsinkelse og en langt mindre dødtid end ved kendte reguleringskoblinger, hvor sammenligningen med referencen sker på jævnspændingssiden. Herved forbliver reguleringskredsen stadig stabil trods stor reguleringsforstærkning. Den store reguleringsnøjagtighed opnås allerede med små indgangsvekselspændinger. I koblertransistoren optræder der som følge af koblerdriften kun små tab, så at transistoren udnyttes bedre end en jævnstrømsforstærker. Dette er muligt ved, at ladestrømmen kan ændres med en meget kort kobletid i en stejl overgang fra nul til dens højeste værdi. Overgangen er teoretisk så stejl, at den kun i samvirken med den ikke ideelle knæk-karakteristik for amplitudebegrænseren eller amplitudetærskelen kan kombineres til en i praksis brugbar reguleringsstejlhed. Endvidere er en stabiliseret saimnenligningsspænding til referenceværdien, der for det meste også kræver en særskilt strømforsyning, og en transformator ikke nødvendig, hvorfor der fås en billigere fabrikation.

Ved tilstrækkeligt store styktal er der mulighed for at fremstille koblingen i integreret form. Som indstillingsorgan og til modkoblingen af en regulerbar forstærker anvendes altid en spændingsdeler, der består af en indirekte opvarmet NTC-modstand og en NTC-modstand med for store tab, men med en lige så stor temperaturkoefficient. Herved opnås en absolut temperaturkompensation af grunddæmpningen eller begyndelsesforstærkningen, så at den maksimale følsomhed forbliver konstant ved alle temperaturer. Koblingen er således indrettet, at det ved NTC-mod-standene hovedsageligt er den regulerende spænding, der er virksom, hvorved NTC-modstanden heller ikke ved store indgangsspændinger opvarmes af selve signalspændingen og derved ikke påvirkes med hensyn til reguleringsevnen.

Reguleringskoblingen ifølge opfindelsen med sammenligningen med referencen 4 1AAAA5 på vekselspændingssiden kan ligeledes med fordel anvendes til styring af andre indstillingsorganer, som arbejder med rør, transistorer, dioder eller også motordrevne potentiometre. Herved kan der i stedet for ladestrømmen anvendes ladespændingen på kondensatoren. I sidste tilfælde er det i forbindelse med en MOS-FET og en alarmkontakt muligt at fastholde indstillingen af indstillingsorganet i længere tid ved et pludseligt bortfald af niveauet.

Andre fordelagtige udformninger vil blive angivet i beskrivelsen af et udførelseseksempel .

En udførelsesform for en kendt reguleringskobling og en udførelsesform for en reguleringskobling ifølge opfindelsen vil i det følgende blive nærmere beskrevet under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser en kendt reguleringskobling, fig. 2a og 2b henholdsvis princip og koblingsskema for koblingen ifølge opfindelsen til indstilling af indstillingsorganer, fig. 3 en udførelsesform for den samlede reguleringskobling ifølge opfindelsen,· og fig. 4 en udførelsesform for en kobling, hvormed indstillingen af.indstillingsorganet kan fastholdes i længere tid ved udfald af niveauet.

I den i fig. 1 viste kendte reguleringskobling med en forstærker Vq, der føder en belastning RA, ensrettes den signalspænding, der skal reguleres, efter forstærkning i en forstærker V^j ved hjælp af ensrettere GI og G2 i spændings-fordoblerkobling med udglatningskondensatorer CU og CS, og den herved opnåede jævnspænding sammenlignes med en stabil referencespænding, der fås ved hjælp af en zenerdiode GZ. En efterfølgende jævnstrømsforstærker styres af den herved tilvejebragte differensspænding og tjener til indstilling af indstillingsorganerne. Da den enkle jævnstrømsforstærker V^ ikke har jordfri indgang, kræves der -en transformator til galvanisk adskillelse for at føre den ensrettede signal spænding jordfrit til differensdannelsen. Indstillingsorganet består af en styret NTC-modstand HL^ i seriegrenen og i modsat retning styret NTC-modstand HI^ i shuntgrenen. Ved stor reguleringsnøjagtighed skal det samlede reguleringsområde styres med en lille jævnspændingsforskel. Pulsationerne i differensspændingen skal være små, f.eks. mindre end 10%. Ved en samlet reguleringsafvigelse på maksimalt 0,05 neper eller ca. 5% på en reguleringsforskel på 7 neper på indgangen, hvilket omtrent svarer til faktoren 1000, skal pulsationerne af den forud ensrettede signalspænding så være mindre med en faktor, der svarer til reguleringsnøj agtigheden, dvs. mindre end 5%. En høj udglatningsfaktor ved ensretningen betyder, at der samtidigt fås en mærkbar tidskonstant. Herved opstår en regulering med tilsvarende stor dødtid. Er den signalspænding, der skal reguleres, et lydfrekvens signal, således som det er sædvanligt ved pilotregulering, er tidskonstan- 5 UU4 5 ter af størrelsesordenen T lig med eller større end 80 ros nødvendige ved ensretningen. Stabilitet og gode indsvingningsforhold for en regulering sikres kun i de tilfælde, hvor forholdet mellem tidskonstanterne for de medvirkende forsinkelsesled er lig med eller større end forstærkningen i den åbne reguleringskreds, hvoraf reguleringsnøjagtigheden igen er afhængig. Det er således vanskeligt at realisere en stabil regulering med stor nøjagtighed ved hjælp af NTC-modstande efter denne metode. Tidligere har man gjort det, at man har indført en endnu større tidskonstant i jævnstrømsforstærkeren, som var bestemmende for den samlede reguleringstid.

Indstillingsorganet er i den kendte reguleringskobling en spændingsdeler, hvor de to NTC-modstande HL^ og HL^ også påvirkes af omgivelsernes temperatur.

Ved begyndelsen af reguleringsområdet er NTC-modstanden HL^ i seriegrenen allerede opvarmet, medens NTC-modstanden HI^ i shuntgrenen er kold, hvorfor omgivelsernes temperatur kun har lille indflydelse på den opvarmede NTC-modstand, så at der kun kan fås en ringe kompensation. En anden ulempe er, at NTC-modstanden HL^ i seriegrenen ved store indgangsniveauer modtager hele signalspændingen, der opvarmer denne i dens nu kolde tilstand og derved indsnævrer den øverste ende af reguleringsområdet yderligere. Endvidere kræves der til den i modsatte retninger gående styring af de direkte opvarmede NTC-modstande og til adskillelse af højfrekvensstrømkredsen fra styrestrømkredsen dyre transformatorer U^ og flere konden satorer Cp C3’ I reguleringskoblingen ifølge opfindelsen anvendes der til styring af indstillingsorganet ingen jævnstrømsforstærker, men man benytter ladestrømmen til en kondensator, hvis ladespænding indstilles med en koblertransistor. Dette princip vil i det følgende blive nærmere beskrevet og vist i fig. 2a i princippet og i fig. 2b i forbindelse med en udførelsesform.

Ifølge fig. 2a er en kondensator C^ over en modstand R^ forbundet til en fødespænding UO. Parallelt med kondensatoren findes en afbryder i serie med en modstand Rp Er modstanden R^ stor i forhold til modstanden Rp kan kondensatoren hurtigt udlades ved at lukke afbryderen, medens kondensatoren, efter at afbryderen er åbnet, kun langsomt oplades igen gennem modstanden Rp

Lukkes afbryderen periodisk i korte tidsrum, indstiller der sig over konden satoren C^ en spænding U, afhængig af den tid ti, hvor afbryderen er lukket, og den tid tO, hvor afbryderen er åben. Afhængigt af forskellen mellem spændingerne UO og U går der en strøm I gennem modstanden Rp hvilken strøm kan benyttes til styring af indstillingsorganet. Dersom modstanden R2 og afbryderen som vist i fig. 2b erstattes af en koblertransistor Tp og indgår denne i en gren af en amplitudebegrænser A, aktiveres denne koblertransistor Tp så snart den på amplitudebegrænseren A påtrykte signalspænding overstiger tærskelværdien.

144445 6

Koblertransistoren styres således i retning af ledende tilstand af spidsen af en halvbølge af signalspændingen. Med den store stejlhed i strømændringen bliver det muligt, at denne kombineret med den mindre stejle overgangskarakteristik for en i praksis realiserbar amplitudebegrænser giver en for det samlede reguleringsområde anvendelig stejlhed. Det lille linearitetsområde for reguleringskoblingen bevirker, at strømmen straks bliver nul, når tærskelværdien underskrides, medens der ved overskridning af denne værdi tilsvarende vil gå maksimal reguleringsstrøm. Herved forhindres ustabilitet af reguleringskredsen ved store niyeauspring. I den praktiske udformning i overensstemmelse med fig. 2b kan indsvingningsforholdene forbedres yderligere ved hjælp af et RC-led R^, mellem kollektor og basis i koblertransistoren Tp

Rig. 3 viser en udførelsesform for forstærkerkoblingen med automatisk regulering ifølge opfindelsen. Over indgangen Ap til reguleringsstrækningen ligger en spændingsdeler HL^, HL^, som kan indstilles ved hjælp af NTC-modstanden HL^ i shuntgrenen. Indstillingen af NTC-modstanden HL^ sker ved hjælp af en varmetråd Hp som opvarmes af ladestrømmen til kondensatoren C^. Ved den ne-derste reguleringsgrænse er NTC-modstanden HL^ kold, så at en fuldstændig temperaturkompensation er mulig ved hjælp af den i seriegrenen indskudte NTC-modstand HLp der har en lige så stor temperaturkoefficient. Reguleringsområdet indskrænkes ikke ved store indgangsniveauer, idet NTC-modstanden HL^ i seriegrenen på grund af sin store varmeledningsevne ikke kan opvarmes af signalet. Reguleringsområdet kan omtrent fordobles ved hjælp af en anden spændingsdeler HL,., HL, i modkob-

J O

lingsgrenen. Hvis der i forstærkeren V, f.eks. som vist i fig. 3, anvendes en spændingsstyret spændingsmodkobling,som medfører en forøgelse af indgangsmodstanden, og en formindskelse af udgangsmodstanden for forstærkeren V, forbliver den foran-koblede spændingsdeler HL^, HL^ upåvirket på grund af den store indgangsmodstand. Modkoblingen og dermed forstærkningen kan styres ved hjælp af NTC-modstanden HL^ i seriegrenen, idet dennes varmetråd ^ ligeledes gennemløbes af ladestrømmen til kondensatoren C^. Ved begyndelsen af reguleringsområdet er også NTC-modstanden HL,, kold, så at kompensationen for omgivelsestemperaturens indflydelse er fuldstændig ved hjælp af NTC-modstanden HL^ i shuntgrenen. En ekstra opvarmning af NTC-modstanden HL,- ved store indgangssignaler finder ikke sted, idet der her kun er tale om allerede regulerede signaler. Den afledte udgangs-størrelse optræder på indgangen af en anden forstærker V^, som efterfølges af en amplitudebegrænser. Denne amplitudebegrænser består som den i fig. 2b viste af en zenerdiode Dp som ved hjælp af dioden D£ kun kan føre strøm i en bestemt retning. Parallelt hermed ligger dioden D^ og transistoren Tp som kun kan styres med strøm i den modsatte retning. Denne i sig selv usymmetriske amplitudebegrænser bliver ved hjælp af kondensatoren CO, hvorover der opstår en jævnspænding, symmetrisk over for vekselspændingen. Så snart indgangsspændingen overskri-

Claims (2)

7 1A4U6 der amplitudebegrænserens tærskelspænding, fremkalder den positive halvbølge kort-varigt en basisstrøm i transistoren T-^, hvilken strøm gør transistoren ledende. Herved udlades kondensatoren kortvarigt. Der indstiller sig en af strømvink len stærkt afhængig ladejævnstrøm, hvormed varmetrådene og i de indirekte opvarmede NTC-modstande HL^ og HL^ fødes. Fig. 4 viser en udførelsesform for opfindelsen, hvormed indstillingen af indstillingsorganet fastholdes i længere tid ved udfald af niveauet. Koblingen indeholder en amplitudebegrænser af samme opbygning som den, der er vist i fig. 3, og hvor transistoren fødes over en modstand Rq. Kollektoremitterkredsen, hvori kondensatoren ligger, kan ved pludseligt niveauudfald afbrydes ved hjælp af en afbryder S2. Den på kondensatoren liggende spænding bestemmer gennem gangsmodstanden for en MOS-FET M, så at der gennem varmelederne og vil gå den for den sidste reguleringstilstand forud for afbryderens åbning nødvendige strøm I* i tilstrækkelig lang tid, indtil kondensatoren er udladet gennem den høje indgangsmodstand for MOS-FET'en M.

1. Kobling til automatisk regulering af amplituden af vekselspændinger, specielt til bærefrekvensanlæg, hvor den spænding, der skal reguleres, tilføres en i overføringsvejen indkoblet forstærker med et indstillingsorgan, og hvor udgangsspændingen fra denne forstærker tilføres en tærskelværdikreds, hvis tærskelspænding er fastlagt af amplituden af forstærkerens udgangsspænding, efterfulgt af en elektronisk kobler, ved hjælp af hvilken spændingen over en kondensator udnyttes som reguleringsstørrelse, hvormed indstillingsorganet kan indstilles i retning af en tilnærmelse af den faktiske værdi til den ønskede værdi af amplituden, kendetegnet ved, at tærskelværdikredsen er en amplitudebegrænser med adskilte strømveje for de to halvbølger, hvor der i den ene strømvej indgår styrestrækningen af den elektroniske kobler (TI), som ved spændinger i den pågældende halvbølge, som er højere end tærskelspændingen for amplitudebegrænseren, styres ind i den ledende tilstand, og at kondensatoren (C4) er forbundet således parallelt med koblerstrækningen i den elektroniske kobler (TI), at den hurtigt aflades over den elektroniske kobler og langsomt oplades fra en strømkilde (+ 24V), medens ladestrømmen eller ladespændingen for kondensatoren udnyttes som reguleringsstørrelse til indstilling af indstillingsorganet.

2. Kobling ifølge krav 1,kendetegnet ved, at udgangsspændingen af forstærkeren (V) tilføres amplitudebegrænseren over en ekstra forstærker (V3), og ved at der i den ene af de to strømveje af amplitudebegrænseren findes serieforbindelsen af en zenerdiode (Dl) og en diode (D2), der er således orienteret, at zenerdioden kun fører strøm i gennemslagsretningen, samt ved at der i den anden af de to strømveje findes serieforbindelsen af basis-