Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Phasenempfindlicher Gleichrichter


von Dirk B. (kahless)


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Moin Moin liebe Schaltungsprofis,

ich habe ein kleines Problem bei meinem phasenempfindlichen 
Gleichrichter. Im Grunde soll er die Phasenverschiebung zwischen zwei 
Signalen in ein Gleichspannungssignal umwandeln. V3 bildet dabei das 
Referenzsignal und je nachdem wie die Phasenlage von V6 ist, wird die 
Spannung über C2 positiv oder auch negativ. Befinden sich beide Signale 
in Phasen, soll sie Spannung 0V betragen. Aber genau hier liegt der 
Kasus Knacktus. Denn hier habe ich einen Offset von ca. 560mV.
Daher hier nun die Frage, wie ich diesen Fehler so weit wie möglich 
korrigieren kann. Es müssen nicht exakt 0V rauskommen, aber eine 
Reduzierung des Offsets um den Faktor 10 wäre schon wünschenswert.

Vielen Dank für alle Hinweise und Ideen

Dirk

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Warum ist die Schaltung so asymmetrisch?

Ich würde einfach erst beide Signale zu Rechtecken umformen (z.b. mit 
Komparatoren) und diese dann mit einem XOR vergleichen. Dahinter dann 
Joch ein RC-Glied und fertig. Das Vorzeichen (vor bzw. nacheilend) 
liesse sich mit einem Flipflop aus den beiden Rechtecksignalen gewinnen.

von d&g (Gast)


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Zeig mal die Spannung am + Eingang.

von d&g (Gast)


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und V3

von Helmut S. (helmuts)


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J1 wird falsch angesteuert und ist falsch angeschlossen.
Bedenke dass zwischen Gate und Source und zwischen Gate und Drain eine 
Sperrschicht(=Diode) ist.

Ersetze J1 durch einen idealen Schalter "sw".

Wenn das dann funktioniert kannst du dir überlegen wie du J1 richtig 
anschließen und ansteuern musst.

von Dirk B. (kahless)


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Hallo d&g,

wie gefordert hier die Bilder. V3 ist nichts weiter als ein Sinus mit 
einer Amplitude von 10V und 1k Hz.
An dem Eingang des OPV U2 sieht man sehr schön, dass die negative Flanke 
nicht so steil ist, wie die positive.

Helmut S. schrieb:
> J1 wird falsch angesteuert und ist falsch angeschlossen.
> Bedenke dass zwischen Gate und Source und zwischen Gate und Drain eine
> Sperrschicht(=Diode) ist.

Das erklärt einiges. Aber selbst, wenn ich den JFet durch zwei anti 
parallel geschaltete MosFets mit vorgeschalteten Dioden ersetze, bleibt 
das Problem bestehen. Einen idealen Schalter will ich nicht verwenden, 
denn bei einem späterem Aufbau und einer angestrebten Frequenz von 
100kHz (natürlich mit anderen OPVs) geht es ohne Halbleiterschalter nun 
einmal nicht.

von d&g (Gast)


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Hallo Dirk,
Ich meine, viel isses ja nicht. Du hast ein 10V Signal und 500mV Offset 
sind 5%.

>An dem Eingang des OPV U2 sieht man sehr schön, dass die negative Flanke
>nicht so steil ist, wie die positive.
Ist U3 ein 90' Phasenschiebener ?
Wie das aussieht, und wenn man die Flanke noch anschaut, sind es eben 
keine 90.0'. Kannst Du man anstatt U3 einfach an U1 direkt einen Sinus 
einspeisen, der 90' verschoben ist ? Besser ein Rechteck. Besser ein 
Rechteck direkt am FET.

von Ulrich (Gast)


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So wie das Bild aussieht, ist die Phasenverschiebung nicht ganz 90 Grad 
- entsprechend hat man auch nicht ganz 0 als Spannung. Eine zusätliche 
Phase kommt z.B. durch die Endliche Slew Rate von U1 zustande. In die 
Andere Richtung geht der 1 M Widerstand an U3

Der JFET sollte keine Positive Spannung bekommen - jedenfalls nicht so 
viel, das ein nennenswerter Strom fließt.

von Helmut S. (helmuts)


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Schon 10pF sind bei 100kHz gerade mal 160kOhm. Deshalb sind deine 22kOhm 
am +Eingang des Opamps U2 zu hochohmig.

Vielleicht ein anderes/besseres Prinzip nehmen.

: Bearbeitet durch User
von Detlef K. (adenin)


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>An dem Eingang des OPV U2 sieht man sehr schön, dass die negative Flanke
>nicht so steil ist, wie die positive.
Genau diese Flanke halte ich für am realistichsten simuliert. Die andere 
ist zu steil.

Ich hab mal Eingang_Plus_U2.png vermessen.
Das hat eine zeitliche Auflösung von ca. 1.9µs.
Wenn der LT1007 eine Slew Rate von 1.7-2.5V/µs hat. dann müsste die 
Flanken eine Ranpe von ca. 4-6 Pixel Breite bilden.
Das trifft für die erste in etwa zu, die andere ist viel zu steil.

: Bearbeitet durch User
von Dirk B. (kahless)


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d&g schrieb:
> Ist U3 ein 90' Phasenschiebener ?

U3 ist nichts weiter als ein Integrator und sorgt somit für eine 
Verschiebung von 90° und das schafft er bei einer Frequenz von 1kHz sehr 
gut. Ich habe spaßeshalber mal eine Spannung gleicher Frequenz und 
Amplitude mit einer Phasendrehung von 90° darüber gelegt. Die Phasen 
stimmen überein.

Helmut S. schrieb:
> Schon 10pF sind bei 100kHz gerade mal 160kOhm. Deshalb sind deine 22kOhm
> am +Eingang des Opamps U2 zu hochohmig.

Die Bauteile wie auch die OPVs müssen natürlich bei einer anderen 
Frequenz angepasst werden. Aber wenn es bei 1kHz schon nicht 
zufriedenstellend klappt, wird es bei 100kHz voll in die Hose gehen. 
Darum lieber erst einmal langsam anfangen.

Helmut S. schrieb:
> Vielleicht ein anderes/besseres Prinzip nehmen.

Das ist das einzige was mir eingefallen ist. Die Schaltung zeigt mir an 
ob induktiv oder kapazitiv und der Betrag der Spannung gibt Aussage über 
die Größe des Winkels.
Wenn dir eine Topologie einfällt die das gleiches leisten kann, würde 
ich mich darüber freuen, wenn du sie mir mitteilen könntest.

Detlef Kunz schrieb:
> Genau diese Flanke halte ich für am realistichsten simuliert. Die andere
> ist zu steil.

Ich habe mal zum Spaß die OPVs gegen LT1213 getauscht, aber das Problem 
besteht weiter. Je nachdem welchen JFet ich verwende, wird das Problem 
schlimmer oder besser. Also müsste der Fet für das Problem 
verantwortlich sein.

Vielen Dank an alle, die sich für mein Problem interessieren :D

von Roland L. (Gast)


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benutze mal U2 nur als invertierenden Verstärker und schalte mit einem 
Analogschalter (z.B. DG419) zwischen V3 und dem invertierten Signal um.
am Ausgang des Analogschalters dann den Tiefpass.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Die Erzeugung und Verarbeitung steiler Flanken mit Opamps, wie es in
dieser Schaltung geschieht, ist imm er ein ganz schwieriges Thema, wenn
man zudem auch noch eine hohe Genauigkeit erwartet.

Die kritischen Bauteile sind vor allem U1 und U2. Mit schnelleren Opamps
kannst du das Ergebnis verbessern. Für U1 wäre ein richtiger Komparator
sowieso die bessere Wahl.Bei 100kHz statt 1kHz wird es aber sogar mit
den schnellsten Opamps, die es überhaupt gibt, sehr schwierig, da sich
bei den extrem steilen Flanken parasitäre Kapazitäten stark bemerkbar
machen.

Auch zieht der FET in eingeschaltetem Zustand die Spannung am
nichtinvertierenden Eingang von U2 nicht sauber auf 0. Zudem dauert das
Ausschalten länger als das Einschalten, weil dabei parasitäre
Kapazitäten über R4 umgeladen werden müssen. Man kann zwar R4 kleiner
machen, dann hat der FET aber noch mehr Schwierigkeiten, die Spannung
auf 0 zu ziehen.

Bei Lothars Vorschlag von oben heben sich die Laufzeiten der
Komparatoren weitgehend auf, so dass zumindest bei gleicher Amplitude
der beiden Eingangssignale wesentlich genauere Ergebnisse zu erwarten
sind.

Evtl. solltest dein Vorhaben noch einmal in seiner Gesamtheit betrachten
und überlegen, ob dur wirklich eine analoge Phasendetektionsschaltung
brauchst, oder ob man das Ganze nicht auch digital realisieren kann,
oder ob vielleicht sogar das Gesamtkonzept geändert werden sollte.

Roland L. schrieb:
> benutze mal U2 nur als invertierenden Verstärker und schalte mit einem
> Analogschalter (z.B. DG419) zwischen V3 und dem invertierten Signal um.
> am Ausgang des Analogschalters dann den Tiefpass.

Ja, damit bekommt man die steilen Eingangsflanken von U2 weg, und das
FET-Problem ist ebenfalls beseitigt. Wenn man dann für U1 noch einen
schnellen Komparator nimmt, geht die Sache sicher schon in die richtige
Richtung.

Woher kommen denn die beiden Signale überhaupt? Sind sie immer
sinusförmig? Ist die Frequenz immer ungefähr 100kHz, oder muss ein
größerer Frequenzbereich abgedeckt werden? Ist die Amplitude immer etwa
10V (oder zumindest konstant)? Können die Signale auch verrauscht sein?

von Helmut S. (helmuts)


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> Wenn dir eine Topologie einfällt die das gleiches leisten kann, würde
ich mich darüber freuen, wenn du sie mir mitteilen könntest.

Wie wäre es mit zwei Komparatoren plus digitalem Phasendetektor. Das 
funktioniert auch mit 100kHz hervorragend.

von Jobst M. (jobstens-de)


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Elektor hatte mal ein 'digitales Phasenmessgerät' was genau das tat ...
Vielleicht mal nach googlen, sonst muss ich mal nach der Hardcopy 
schauen ...

Gruß

Jobst

von Dirk B. (kahless)


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Yalu X. schrieb:
> Woher kommen denn die beiden Signale überhaupt? Sind sie immer
> sinusförmig? Ist die Frequenz immer ungefähr 100kHz, oder muss ein
> größerer Frequenzbereich abgedeckt werden? Ist die Amplitude immer etwa
> 10V (oder zumindest konstant)? Können die Signale auch verrauscht sein?

Das eine Signal wird direkt über dem dem Ausgang eines Wechselrichters 
mit H-Brücke abgegriffen, bei dem die Leistungsregelung mittels 
Phase-Shift erfolgt. Max Amplithude 400V.
Das andere Signal wird über einem Parallelschwingkreis abgegriffen und 
ist sinusförmig, allerdings ist die Amplitude variabel.
Der Wechselrichter soll mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 
betrieben werden und diese ggf. nachregeln. Dabei soll die Frequenz 
irgendwo zwischen 50 und 100 kHz liegen. Amplitude 70-10V.
Dabei ist es vollkommen unerheblich welches Signal ich als Referenz 
verwende. Ich will lediglich erfassen wie die Phasenlage zwischen beiden 
Signalen ist.

Jobst M. schrieb:
> Elektor hatte mal ein 'digitales Phasenmessgerät' was genau das tat

Ich habe gesucht, bin aber leider nicht fündig geworden.

Frohe Weihnachten an alle

Dirk

von Roland L. (Gast)


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wenn du nur die Phasenlage wissen willst, ist eine Digitalschaltung 
besser. Ich dachte eher an eine Leistungsmessung oder so was, wo die 
Amplitude auch eingehen soll.
mit einem CD4046 müsste das gehen.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Roland L. schrieb:
> mit einem CD4046 müsste das gehen.
Und nach 2 Tagen schließt sich der Kreis und da sieht der 
Phasenvergleicher (zumindest der Phasenkomparator 1) genau so aus: 
Beitrag "Re: Phasenempfindlicher Gleichrichter"
;-)

von Jobst M. (jobstens-de)


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Dirk Bösche schrieb:
> Jobst M. schrieb:
>> Elektor hatte mal ein 'digitales Phasenmessgerät' was genau das tat
>
> Ich habe gesucht, bin aber leider nicht fündig geworden.

Ich werde heute Nacht mal suchen ...


Gruß

Jobst

von Dirk B. (kahless)


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Jobst M. schrieb:
> Ich werde heute Nacht mal suchen ...

Musst du nicht unbedingt machen. Interessant wäre es sicherlich, aber 
ich glaube ich nehme den 4046.

Roland L. schrieb:
> mit einem CD4046 müsste das gehen.

Kurzer Blick ins Datenblatt => Ne, das viel zu einfach. Ein fertiges IC 
kann ja jeder nehmen. Spaß bei Seite. Danke für die Info.

von Kurt B. (kurt-b)


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Dirk Bösche schrieb:
> Jobst M. schrieb:
>> Ich werde heute Nacht mal suchen ...
>
> Musst du nicht unbedingt machen. Interessant wäre es sicherlich, aber
> ich glaube ich nehme den 4046.
>
> Roland L. schrieb:
>> mit einem CD4046 müsste das gehen.
>
> Kurzer Blick ins Datenblatt => Ne, das viel zu einfach. Ein fertiges IC
> kann ja jeder nehmen. Spaß bei Seite. Danke für die Info.

Es gibt einen 74er, da ist schon alles drin, ist aber noch einfacher.


 Kurt

von Jobst M. (jobstens-de)


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Ich bin der Meinung, der 4046 war da auch drin ...

von Jobst M. (jobstens-de)



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Hier ist der ganze Artikel ...
Der 4046 ist im übrigen doch nicht drin ...


Gruß

Jobst

von Dirk B. (kahless)


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Jobst M. schrieb:
> Hier ist der ganze Artikel ...

Vielen vielen lieben Dank für deine Mühen. Habe den Artikel erst einmal 
nur überflogen. Aber ich finde ihn sehr interessant und werde mir 
sicherlich das ein oder andere abschauen oder vielleicht sogar das Gerät 
als solches nachbauen.

Stellt sich mir aber noch eine abschließende Frage. Wie reagieren wohl 
der 4046 oder die Schaltung des Phasenmeters auf ein Phase-Shift PWM 
Signal wie oben angehängt.

von Jobst M. (jobstens-de)


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Dirk Bösche schrieb:
> Stellt sich mir aber noch eine abschließende Frage. Wie reagieren wohl
> der 4046 oder die Schaltung des Phasenmeters auf ein Phase-Shift PWM
> Signal wie oben angehängt.

Auf eine der Flanken werden sie wohl schon reagieren. Ich würde ein 
Filter und einen ST dazwischen setzen.


Gruß

Jobst

von Helmut S. (helmuts)


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> Stellt sich mir aber noch eine abschließende Frage. Wie reagieren wohl
der 4046 oder die Schaltung des Phasenmeters auf ein Phase-Shift PWM
Signal wie oben angehängt.

Dieses Signal musst du erst filtern damit daraus ein Sinus wird. Ohne 
Filter wird das nichts.

von Roland L. (Gast)


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Dirk Bösche schrieb:
> Wie reagieren wohl
> der 4046 oder die Schaltung des Phasenmeters auf ein Phase-Shift PWM
> Signal wie oben angehängt.

der 4046 wird kaputtgehen. 100V sind zu viel  :)

du musst erstmal ein ordentliches Digitalsignal draus machen.
zu dem Filter und Schmitt-Trigger würde ich noch für beide Signale einen 
:2 Teiler einbauen, dann hast du Signale mit exakt 50% duty-cycle

sehe ich das richtig, dass letztendlich nur die Frequenz geregelt werden 
soll, und nicht die Phasenlage?

von Kurt B. (kurt-b)


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Dirk Bösche schrieb:
>
> Stellt sich mir aber noch eine abschließende Frage. Wie reagieren wohl
> der 4046 oder die Schaltung des Phasenmeters auf ein Phase-Shift PWM
> Signal wie oben angehängt.

Da wirst du dich wohl oder übel erstmal "festlegen" müssen welcher 
Zustand da der Nulldurchgang oder so, sein soll.


 Kurt

von Dirk B. (kahless)


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Roland L. schrieb:
> der 4046 wird kaputtgehen. 100V sind zu viel  :)

Habe mal eben ins Datenblatt der MOS-Version geschaut und da steht was 
von 17V, aber das sind ja nur vorsichtige Richtwerte :D Der wird schon 
ohne weiteres die 100V aushalten. Sonst muss ich mir was anderes 
einfallen lassen.

Roland L. schrieb:
> du musst erstmal ein ordentliches Digitalsignal draus machen.
> zu dem Filter und Schmitt-Trigger würde ich noch für beide Signale einen
> :2 Teiler einbauen, dann hast du Signale mit exakt 50% duty-cycle

Dachte auch an sowas wie einen Bandpass (aktiv oder passiv) und dann 
halt den Schmidt Trigger. Aber das mit dem Teiler ist eine sehr gute 
Idee.

Roland L. schrieb:
> sehe ich das richtig, dass letztendlich nur die Frequenz geregelt werden
> soll, und nicht die Phasenlage?

Die Grundidee ist folgende:
Die Frequenz wird durch den Schwingkreis festgelegt und diesem zur 
Ansteuerung der Brücke entnommen. Da aber die Signalverarbeitung wie 
auch die Brückentreiber eine gewisse Laufzeit haben, soll die Phasenlage 
überwacht und nachgeregelt werden. Die Leistungsregelung soll dann 
mittels Phase-Shift erfolgen. Dafür benötige ich dann wieder einen 
umgedrehten  4046. Also ein IC, dass ein Signal bestimmter Frequenz in 
Abhängigkeit einer vorgegeben Spannung in der Phase verschiebt.

Viele Grüße

Dirk

von Jobst M. (jobstens-de)


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Dirk Bösche schrieb:
> Der wird schon
> ohne weiteres die 100V aushalten.

Garantiert nicht.


Dirk Bösche schrieb:
> Die Grundidee ist folgende:

Vielleicht solltest Du Dir mal den Royer-Converter ansehen :-D


Gruß

Jobst

von Dirk B. (kahless)


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Jobst M. schrieb:
> Garantiert nicht.

Das war ja auch nicht wirklich ernst gemeint. Nicht umsonst steht hinter 
dem absolute maximum rating auch noch ein Kreuz, damit selbst der letzte 
Laie merkt, dass der magische Rauch entweicht, wenn er die Grenze 
überschreitet.

Jobst M. schrieb:
> Vielleicht solltest Du Dir mal den Royer-Converter ansehen :-D

Den Royer-Converter habe ich kennen und lieben gelernt. Besonders die 
Version von Herrn Rehrmann, den ich gerne Rehrmann-Oszillator nenne 
(http://www.joretronik.de/bilder_schaltungstechnik/Oszillatoren_html_m4cd394a1.gif)
Aber auf Grund verschiedener Nachteile, die der Oszillator bauartbedingt 
mit sich bringt, wollte ich ihn in diesem speziellen Fall nicht 
verwenden. Außerdem muss man sich ja auch an was neuem wagen :D

von Roland L. (Gast)


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Dirk Bösche schrieb:
> Die Grundidee ist folgende:
> Die Frequenz wird durch den Schwingkreis festgelegt und diesem zur
> Ansteuerung der Brücke entnommen

verstehe ich nicht ganz. Die Frequenz am Schwingkreis ist doch immer 
die, mit der die Brücke angesteuert wird. Der schwingt doch nicht auf 
seiner Resonanzfrequenz, wenn er mit einer anderen Frequenz angeregt 
wird.

die Phasenlage von welchen Spannungen willst du miteinander vergleichen?
ist R1 ein extra Widerstand, oder der Innenwiderstand des Trafos? und wo 
wird die Energie entnommen? an der Spule?

von Dirk B. (kahless)


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Roland L. schrieb:
> verstehe ich nicht ganz. Die Frequenz am Schwingkreis ist doch immer
> die, mit der die Brücke angesteuert wird. Der schwingt doch nicht auf
> seiner Resonanzfrequenz, wenn er mit einer anderen Frequenz angeregt
> wird.

Eben da kommt die Phasenerkennung ins Spiel. Denn daraus lässt sich 
daraus schließen ob die Frequenz exakt getroffen wurde oder auch nicht.
Man könnte damit auch die Leistungsregelung machen und die 
Streuinduktivität des Trafos als "Vorwiderstand" nutzen. Aber das hat 
relativ enge Grenzen.

Roland L. schrieb:
> die Phasenlage von welchen Spannungen willst du miteinander vergleichen?
> ist R1 ein extra Widerstand, oder der Innenwiderstand des Trafos? und wo
> wird die Energie entnommen? an der Spule?

Die Phasenlage vom Ausgang der H-Brücke und die Phasenlage des 
Schwingkreises.
R1 ist kein extra, sondern nur der Leitungswiderstand.
Es dreht sich (mal wieder) um das Thema Induktionsheizung. Die 
Energieübertragung erfolgt durch die Spule L3. Somit ändert sich die 
Güte und Resonanzfrequenz des Schwingkreises ja nach Werkstück in der 
Spule.

Viele Grüße

Dirk

von Roland L. (Gast)


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wäre es dann nicht besser, direkt am Schwingkreis Strom und Spannung zu 
messen und die Phasenlage zu vergleichen, als am Ausgang der Brücke?

oder Strom und Spannung am Brückenausgang, wenn es die Resonanzfrequenz 
des ganzen Systems sein soll. Aber nicht eins vorne und eins hinten.

von Dirk B. (kahless)


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Das war auch meine erste Überlegung. Aber laut Richard Burnett bereitet 
es große Problem, wenn man Strom und Spannung misst. Bei einem 
unbelastetem Schwingkreis führt schon eine geringe Abweichung von der 
Resonanzfrequenz zu einer abrupten Phasendrehung des Stromes. Er 
empfiehlt ausdrücklich die Phasenlage des Konverters und des 
Schwingkreises zur Regelung heranzuziehen.

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