<Desc/Clms Page number 1>
Einrichtung zur Spannungswandlung unter galvanischer
Trennung, insbesondere für Regelkreise
In der industriellen Antriebstechnik liegt vielfach die Aufgabe vor, eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung kleiner Frequenz unter galvanischer Trennung in eine proportionale Gleichspannung anderer Höhe umzuwandeln. Diese Aufgabe ist beispielsweise bei geregelten Walzwerkantrieben gegeben, bei denen relativ hohe Gleichspannungen bis zu einigen tausend Volt als Mess- oder Regelgrösse in Betracht kommen, oder bei z. B. in der Förder-und Hebezeugtechnik angewendeten Langsam-Antrieben mit Wechselstrom kleiner Frequenz von nur einigen Hz. Regelkreise erfordern nämlich meistens eine in einem bestimmten Bereich liegende Eingangsgleichspannung.
Aber auch für Mess- und Steuerzwecke ist es a. u$ Anp. assungsgründen von Vorteil, wenn die Möglichkeit zur Spannungswandlung und zur galvanischen Trennung zwischen Ausgangsspannung und dem eigentlichen Mess- oder Steuerkreis besteht.
Bei höherfrequenten Wechselströmen wird die Aufgabe der Spannungswandlung und der galvanischen
EMI1.1
zen unter etwa 20 Hz, so müssen andere Wege beschritten werden.
Es sind schon verschiedene Einrichtungen und Geräte zur Gleich- und Wechselspannungs-Wandlung unter galvanischer Trennung des Eingangs-vom Ausgangskreis bekannt. So kann man hiezu einen Magnetverstärker bzw. Transduktor verwenden, der mit der zu untersuchenden Gleich- oder Wechselspannung niedriger Frequenz vormagnetisiert wird. Hiezu ist es aber erforderlich, die mit der Messgrösse zu beeinflussende Hilfs-Wechselspannung durch besondere Mittel konstant zu halten. Ferner muss eine GegentaktSchaltung angewendet werden, wenn eine vorzeichenempfindliche Übertragung gefordert wird. Ausserdem sind besondere Massnahmen erforderlich, um die Zeitkonstante und die Überwellen klein genug halten zu können. Der Aufwand ist also relativ hoch.
Ferner ist schon vorgeschlagen worden, zur Spannungswandlung eine Hall-Anordnung zu verwenden, deren Magnetfeld in Abhängigkeit von der zu untersuchenden Spannung steht. Auch hiebei muss der Steuerstrom für den Hall-Spannungserzeuger konstant gehalten werden. Ausserdem ist die Hall-Spannung meistens zu gering, als dass sie in Regelkreisen unmittelbar verarbeitet werden könnte. Es sind deshalb Messverstärker erforderlich. Nachteilig ist auch die Temperaturabhängigkeit der Hall-Spannungserzeuger und der hohe Preis derartiger Anordnungen.
Es ist auch schon bekannt, die Gleichspannung vorübergehend in eine Wechselspannung umzuwandeln, diese zu transformieren und dann wieder gleichzurichten. Hiezu werden entweder mechanische Zerhacker oder Transistor-Zerhacker verwendet. Mechanischen Zerhackern haftet der allen Kontaktanordnungen eigene Nachteil der Wartungsbedürftigkeit und der begrenzten Lebensdauer an, und TransistorZerhacker erfordern eine bestimmte Mindestspannung, so dass es nicht ohne weiteres möglich ist, eine gegen oder durch Null gehende Spannung linear zu übertragen. Auch ist der Spannungsbereich nach'oben hin begrenzt. Transistoren haben ausserdem eine begrenzte Leistung und weisen ebenfalls einen Temperaturgang auf.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile ; sie besteht darin, dass zurSpannungswandlung und galvani" schen Trennung ein an sich bekannter, mit Halbleiter-Dioden arbeitender Ringmodulator verwendet und dessen Ausgangssignal über Gleichrichter entnommen wird. Ein derartiger Ringmodulator kann a : 1s Modu-
<Desc/Clms Page number 2>
EMI2.1
tor hat ausserdem den Vorteil, dass er einen ausserordentlich hohen Spannungsbereich umfasst und bei geeigneter Bemessung seiner einzelnen Schaltelemente selbst in unmittelbarer Nulliiähe eine für alle praktischen Bedürfnisse ausreichende Linearität aufweist. Die Zeitkonstante ist äusserst gering und liegt bei optimaler Auslegung etwa in der Grössenordnung von 1/2 bis einer Periode der Modulationsfrequenz.
Durch Erhöhung derselben kann sie beliebig klein gemacht werden. Der gerätemässige Aufwand ist gering.
Der Wandler ist daher auch erheblich billiger als die bekannten Anordnungen. Da die Ausgangs-Wechselspannung des Modulators eine angenähert rechteckige Kurvenform aufweist, ist für die gleichgerichtete
EMI2.2
An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung noch näher beschrieben :
EMI2.3
Ausgàngsgleichrichter bezeichnet. Der Eingangsspannungsteiler 1 besteht aus den Widerständen r8, rl, r9 und r10. Letzterer ist mit einer Reihe von Anzapfungen versehen zum Anpassen an den Spannungsbereich
EMI2.4
leichspannung U1.ter Grenzen beliebig einstellbare Werte konstant zu halten und betrage etwa 1500 V.
Spannungsregler sind aber gewöhnlich so beschaffen, dass die Sollspannung, mit der die Istspannung zur Bildung der Regelabweichung verglichen wird, selten erheblich höher als etwa 100 V liegt. Ausserdem erfordern insbesondere mit Transistoren arbeitende Spannungsregler eine galvanische Trennung des Regelkreises von der Regelgrösse. Der diesem Zweck dienende Ringmodulatorwandler besteht aus den Dioden ril-n4 mit den
EMI2.5
Vorzugsweise werden Halbleiterdiodennung, die einem Transformator m2 entstammt, fliesst dem Ringmodulator einerseits über die Symmetriewiderstände r2 und r3 und anderseits über den Mittelabgriff des Modulator-Transformators ml zu.
Dabei dient der alsEinstell-'Potentiometer ausgebildete Widerstand rl wieder zur Symmetrierung und die beiden Widerstände r8 und r9 zur gleichmässigen Einkopplung der Modulations-Wechselspannung. Die drei Widerstände rl, r8 und r9 haben somit gleichzeitig zwei Aufgaben zu erfüllen. Der Transformator m2 kann primärseitig an das Wechsel :.-. c. ; n etE : üblicher Frequenz angeschlossen sein. Wenn jedoch für den Spannungswandler eine besonders kleine Zeitkonstante gefordert wird, so kann als Modulationsfrequenz auch eine höhere Frequenz verwendet werden.
Entsprechend der bekannten Wirkung des Ringmodulators ist die über eine Sekundärwicklung des Mo- dulator-Transformators ml abzunehmende Spannung praktisch inPhase mitderModulations-Wechselspan- nung, wenn die Eingangs-Gleichspannung positiv ist ; ist dagegen die Eingangs-Spannung negativ, so ist
EMI2.6
verschoben.Eingangs-Gleichspannung in einem durch die Grösse der verwendeten Widerstände und das Übersetzungsverhältnis des Modulator-Transformators ml bestimmten Verhältnis steht.
Wenn jedoch, wie es bei Regelkreisen fast immer der Fall ist, die Ausgangs-Gleichspannung auch in
EMI2.7
übereinstimmen soll, soGleichrichterschaltung verwenden. Eine solche phasenempfindliche Gleichrichterschaltung ist bei 3 dargestellt. Sie besteht aus den beiden Gleiehrichterbrücken 4 und 5 mit den zu deren Grundbelastung dienenden Widerständen rl3 und r14. Diese sind über den als Einstell-Potendome. ter ausgeführten Widerstand r12 parallel zur zugeordneten Gleichrichterbrücke geschaltet.
Das Potentiometer r12 dient dabei zur Symmetrierung der beiden Gleiehrichterbrücken. Jede der beiden Gleichrichterbrücken 4 und 5 wird über je eine Sekundärwicklung des Modulator-Transformators ml und je eine dazu inReihe liegende Tertiär-
EMI2.8
die Differenz aus der Modulations-Wechselspannung und der Modulator-Ausgangsspannung zufliesst. In den Klemmen 6, 7 entsteht dadurch eine Gleichspannung, die in ihrer Höhe dem Zweifachen der Modulator-
<Desc/Clms Page number 3>
Ausgangsspannung entspricht. Sie ist proportional der Eingangsspannung U1 und wechselt mit dieser im Vorzeichen.
Wählt man die Widerstandswerte der linearen ohmschen Widerstände r4-r7 im Verhältnis zu den Innenwiderständen der zugehörigen Dioden nl-n4 ausreichend gross, so bleibt die Nichtlinearität derselben sowie ihr Temperaturgang praktisch ohne Einfluss und man erhält eine für Regel- und sonstige Messzwecke ausreichend lineare Abhängigkeit zwischen Eingangsspannung Ul und Ausgangsspannung U2. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die Linearität auch im Nulldurchgang und in der Nähe desselben weitgehend gewahrt bleibt. Die vomModulator-Transformator ml abgenommene Spannung hat fast rechteckige Kurvenform. Daher lässt sich die aus ihr gewonnene Gleichspannung mit wenigen und einfachen Mitteln glätten. Es reichen hiefür ein Widerstand r15 und ein Parallelkondensator c von einigen IIF aus.
Die geglättete Gleichspannung ist dann an den Klemmen 8, 9 abnehmbar. Sie ist vorzeichengetreu und linear proportional der Eingangs-Gleichspannungul und galvanisch von dieser getrennt, so dass sie im angenommenen Beispiel unmittelbar der Vergleichsspannung entgegengeschaltet und die eventuell auftretende Regelabweichung im Regelkreis weiterverarbeitet werden kann.
Die Teile 1, 2 und 3 können zu einem Gerät zusammengefasst werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Spannungswandlung unter galvanischer Trennung des Eingangskreises vom Ausgangskreis für Gleich- und Wechselspannung mit kleiner Frequenz, insbesondere zur Istwert-Umformung in Regelkreisen für industrielle Antriebe, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem an sich bekannten, vorzugsweise mit Halbleiter-Dioden bestuckten Ringmodulator besteht, dessen Ausgangssignal über Gleichrichter abgenommen wird.