DE2342294C3

DE2342294C3 - Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von analogen Gleichstromsignalen

Info

Publication number: DE2342294C3
Application number: DE19732342294
Authority: DE
Inventors: Claus Dr.-Ing. 5628 Heiligenhaus Kleegrewe
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1973-08-22
Filing date: 1973-08-22
Publication date: 1979-07-26
Also published as: DE2342294B2; DE2342294A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von analogen Gleichstromsignalen mit Hilfe eines Transformators, dessen Primärwicklung mit einem Zerhacker für das Gleichstromsignal verbunden ist und dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter für das übertragene Wechselstromsignal verbunden ist.

Schaltungen zur potentialfreien Übertragung von Gleichstromsignalen mit einem Wandler oder Transformator sind im Prinzip bekannt (siehe H & B-Gebrauchsanweisung 42 TE 27-1 »CMR-Meßumformer TEU 5« vom März 1973, Seite 10/11, Bild 1). Fig. 1 zeigt eine solche Schaltung, deren Transformator Tr eine in der Mitte angezapfte Primärwicklung P und eine anzapfungslose Sekundärwicklung 5 aufweist Die Mittelanzapfung der Primärwicklung P ist mit dem einen Pol einer Gleichstromquelle G verbunden, die einen dem Meßwert entsprechenden eingeprägten Strom liefert Die Enden der Primärwicklung P sind über die Kollektor-Emitter-Strecken von zwei npn-Transistoren Ti, T2 mit einer Masseleitung M verbunden. Die so Basisanschlüsse der Transistoren werden im Gegentakt mit einer steuernden Rechteckspannung beaufschlagt, die von einem nicht dargestellten Rechteckgenerator geliefert wird. Der eingeprägte Gleichstrom fließt also wechselnd über die linke und rechte Hälfte der <>5 Primärwicklung, so daß der Kern des Transformators Tr von dem zerhackten Gleichstrom im Takt des Rechteckgenerators ummaenetisiert wird. Hierdurch wird in der Sekundärwicklung S eine dem Primärstrom proportionale Wechselspannung induziert, die einem Brückengleichrichter D1 zugeführt wird. Am Ausgang des Brückengleichrichters Di liegt ein Glättungskondensatcr Cl. Die galvanisch vom Eingang getrennte Meßgleichspannung fällt an einem Arbeitswiderstand Ra an, der an die Ausgangsklemmen Ki, K 2 der Schaltung angeschlossen ist

Die beschriebene Schaltung ist insofern nachteilig, als beim Abschalten an den beiden Hälften der Primärwicklung P hohe Spannungsspitzen entstehen. Werden diese Spannungsspitzen mit bekannten Maßnahmen begrenzt, treten unerwünschte Übertragungsfehler auf. Weitere Fehler können entstehen, wenn die Primärwicklung nicht absolut symmetrisch aufgebaut ist

Aus der DE-OS 22 58 722 ist ein Telegraphenrelais mit einem ersten und zweiten Eingangskanal zum Empfang eines ersten und zweiten Eingangssignals bekanntgeworden. Dort werden zwar Schaltoszillatoren und einfache Trenntransformatoren eingesetzt, die getastete Signale auf einen Sekundärkreis schalten, jedoch geht es dabei nicht um eine analoge Abbildung von Gleichströmen. Die in diesem elektronischen Telegraphenrelais offenbarten Schaltungsprinzipien sind nicht geeinget, die bei einer Schaltung nach Fig. 1 auftretenden Probleme zu lösen.

In der DE-AS 10 20 909 wird ein Meßwertfernübertrager beschrieben, der auf der Geberseite eine Wechselspannung oder eine zerhackte Meßgleichspannung auf einen ersten Übertrager gibt und auf der Empfängerseite das Wechselspannungssignal mit einem zweiten Übertrager transformiert und zur Anzeige gleichrichtet Es geht dabei weniger um eine galvanische Trennung bei möglichst fehlerfreier Übergabe des Meßwertes, sondern vielmehr um eine Fernübertragung über abgeriegelte Leitungen. Es ist auch nicht offenbart, von welcher Art ein eventuell erforderlicher Umsetzer (Zerhacker) sein sollte. Weiterhin ist nichts über Symmetrieprobleme und sonstige Ubertragungsfehler ausgesagt Daß dort Übertrager zur Leitungsabriegelung mit Eisenkernen aus Mu-Meta!l vorgeschlagen werden, deren Permeabilität bis zu gewissen Vormagnetisierungsströmen praktisch konstant bleibt, kann zur Lösung der hier anstehenden Aufgabe nichts beitragen.

Der Erfindung liegt nämlich die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schaltung nach F i g. 1 dahingehend zu verbessern, daß die Anforderungen an den Transformator reduziert und Schaltransistoren mit kleinen Sperrspannungen eingesetzt werden können.

Die Erfindung ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß die anzapfungslose Primärwicklung über einen Kondensator und einen Halbleiterzerhacker mit der Gleichstromsignalquelle verbunden ist.

Diese Schaltung bietet den überraschenden Vorteil, daß die Reihenschaltung eines anzapfungslosen Transformators mit einem Kondensator die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzt und bei kleinerem Aufwand zu besseren Meßeigenschaften führt als die bekannte Anordnung.

Ein Ausführungsbeispiel wird anhand von F i g. 2 der Zeichnung erläutert.

Übereinstimmende Teile in F i g. 1 und 2 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Mit Ki, K2 sind die Ausgangsklemmen, mit K 3, K 4 die Eingangsklemmen für den eingeprägten Gleichstrom, mit K 5, K 6 Klemmen für eine Hilfsgleichspannungsquelle und mit K 7, KS Klemmen für eine

Hilfswechselspannung bezeichnet Der Transformator Tr weist eine anzapfungslose Primärwicklung P und eine einzige Sekundärwicklung 5 auf. Im Primärkreis ist ein aus den npn-Transistoren T3, TA und den pnp-Transistoren TS, T6 bestehender Halbleiterzerhacker vorgesehen, der als Doppel-Darlington-Stufe ausgebildet ist Die Emitter der Transistoren TA, T6 sind mit dem einen Ende der Primärwicklung P verbunden. Das andere Ende liegt über einen Kondensator C 3 an der Eingangsklemme K 4. Die Eingangsklem- ι ο men K 3, KA sind ferner durch einen Kondensator CA miteinander verbunden. Die Doppel-Darlington-Stufe wird über einen Rechteckgenerator angesteuert, der in an sich bekannter Weise aus einem Operationsverstärker V, den Widerständen Ri-RS und einem Kondensator CS besteht Die Rechteckimpulse des Generators werden über einen Kondensator C 6 und einen Widerstand R 6 auf die Basisanschlüsse der Transistoren Γ3, TS geleitet Die an die Klemmen K 5, K% anzuschließende Hilfsgleichspannungsquelle liegt gemäß Zeichnung auf dem gleichen Potential wie die Meßstromquelle. In der Verbindungsleitung zwischen Zerhacker und Generator kann jedoch auch eine konstante, niederohmige Gleichspannungsquelle liegen.

Durch die Rechteckimpulse des Generators werden abwechselnd die Transistoren T3, TA und T5, 76 in den leitenden Zustand gesteuert In der ersten Halbperiode, in der die Transistoren Γ3, TA durchgeschaltet sind, fließt ein Strom von der positiven Klemme K 3 über den Transistor TA, die Primärwicklung fund den Kondensator C 3 zur negativen Klemme K 4. In der zweiten Halbperiode wird der Kondensator C3 über die Primärwicklung Pund den geöffneten Transistor 76 zur negativen Klemme KA entladen. Da sich die Stromrichtung in der Primärwicklung P in jeder Halbwelle umkehrt, wird der Eisenkern des Transformators ständig ummagnetisiert Hierdurch wird in der Sekundärwicklung 5 eine dem Eingangsstrom proportionale Wechselspannung induziert, die in der Diodenbrücke Dl gleichgerichtet wird. Die Gleichspannung steuert über einen Glättungskondensator CI und einen Vorwiderstand R 7 eine weitere, aus den Transistoren TT, T8 bestehende Darlington-Stufe aus. Zur Versorgung dieser Darlington-Stufe dient eine Hilfsgleichspannung, die mittels einer Diodenbrücke D 2 aus einer aii den Klemmen K 7, KS anliegenden Hilfswechselspannung gewonnen wird. Mit C 7 ist ein Glättungskondensator und mit 51 eine Sicherung bezeichnet Die Anwendung der Darlington-Stufe TT, T% ermöglicht es, mit einem Transformator T von sehr geringer Leistung auszukommen. Vor allem aber wird durch diese Darlington-Stufe die Bürdenabhängigkeit wesentlich verringert Um Wicklungstoleranzen des Transformators Tr ausgleichen zu können, ist am Ausgang der Diodenbrücke D1 ein Abgleichwiderstand R 8 in Reihe mit zwei Dioden D3, DA vorgesehen.

Grundsätzlich ist die Schaltung auch ohne Darlington-Stufe TT, TS und die Abgleicheinrichtung voll funktionsfähig.

Die beschriebene Schaltung hat folgende Vorteile:
Durch die Verwendung einer Primärwicklung ohne Mittelanzapfung werden Schwingungen infolge von Streuinduktivitäten vermieden. Da die Primärströme infolge der periodischen Be- und Entladung des Kondensators C3 stetig abklingen, werden hohe Spannungsspitzen vermieden und es können Transistoren mit kleinen Sperrspannungen benutzt werden. Zugleich verhindert dieser Kondensator eine Gleichstromvormagnetisierung des Transformators. Da die beiden Haupttransistoren TA, T6 der Doppel-Darlington-Stufe durch die Vortransistoren T3, TS ausgesteuert werden, kommt man mit einem in integrierter Technik aufgebauten Rechteckgenerator kleiner Leistung aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von analogen Gleichstromsignalen mit Hilfe s eines Transformators, dessen Primärwicklung mh einem Zerhacker für das Gleichstromsignal verbunden ist und dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter für das übertragene Wechselstromsignal verbunden ist, dadurch gekennzeich- net, daß die anzapfungslose Primärwicklung (P) über einen Kondensator (C3) und einen Halbleiterzerhacker (T3—T6) mit der Gleichstromsignalquelle verbunden ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterzerhacker (T3— Γ6) als Doppel-Darlington-Stufe ausgebildet ist, dec'en Steuereingänge an einem Rechteckgenerator (V, R1 - R 5, CS) liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der npn-Transistoren (T3, T4) mit dem einen Pol der Gleichstromsignalquelle, daß die Emitter der beiden. Haupttransistoren (TA, T6) mit dem einen Wicklungsende der Primärwicklung (P) und daß die Kollektoren der pnp-Transistoren (TS, T6) mit dem anderen Pol der Gleichstromsignalquelle verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichgerichtete Sekundärspannung eine weitere Darlington-Stufe (T7, TS) aussteuert, die mit einer Hilfsgleichspannungsquelle betrieben wird, und daß die Ausgangsklemmen (Ki, K 2) in Reihe mit der Kollektor-Emitterstrecke des Haupttransistors (TS) in der Hitfsspannungsleitung liegen.