CN103314398B - 用于信号输出级的输出晶体管的电压控制 - Google Patents

用于信号输出级的输出晶体管的电压控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于真零或活零测量信号的信号(馈送)分离器。所述信号(馈送)分离器具有初级侧(馈送)输入端(IN)、次级侧输出端(OUT)、用于转换初级侧测量输入电流(Iin)的直流变压器(100)、用于提供次级侧测量输出电流(Iout)的输出级(200)、和用于供给初级侧和用于供给次级侧的辅助能量馈送(400)。所述辅助能量馈送(400)的辅助电压借助于测量装置(500)通过控制装置(300)在次级侧被控制,使得所述输出级(200)的功率损耗基本上与运行状态中连接的负荷(Rb)无关。

Description

用于信号输出级的输出晶体管的电压控制
许多信号分离器和信号馈送分离器在现有技术中是已知的。
这些信号(馈送)分离器在输入端接收以与输出端电隔离的方式转换的输入信号。在此,通常需要为输入端和输出端提供能量的辅助能量电路。
采用这些信号(馈送)分离器,为了在小负荷的情况下也保持功率损耗低,输出级的供给电压必须适应瞬时功率需求。该类型的电路公开在例如DE10322262中。其中,辅助能量只馈送到信号输出中,信号输入由信号输出馈送。
其他构思,例如DE102007006503中的构思,使用线性调节器和下游开关调节器。在这种情况下,直流变压器的输出电流通过电阻器转换为电压信号,所述电压信号被馈送给线性调节器的电压-电流转换器。控制信号通过比较电路从集电极-发射极电路获得。
两种构思都具有其缺点。
DE10322262中的解决方案的特征在于控制装置为辅助能量馈送电路的一个组成部分。此外,控制装置控制输出电路本身的供给电压,以获得特定的输出电压。
一方面,该类型的设计是复杂的并且需要测量电阻器;另一方面,输出级本身的功率损耗必须被控制。另外,具有测量电阻器的设计易发生故障。
此外,DE102007006503的解决方案的特征在于其需要电阻器以提供电压降,所述电压降由电流-电压转换器转换。
一方面,该类型的设计是复杂的并且需要测量电阻器;另一方面,输出级本身的功率损耗必须被控制。另外,具有测量电阻器的设计易发生故障。
因此,本发明的目的是提供另一种解决方法,其以创造性的方式解决现有技术中的缺点,并且可以用于信号分离器和信号馈送分离器两者。
该目的通过用于真零测量信号或活零测量信号的信号(馈送)分离器来实现。该信号(馈送)分离器具有初级侧(馈送)输入端(IN)、次级侧输出端(OUT)、用于转换初级侧测量输入电流(Iin)的直流变压器(100)、用于提供次级侧测量输出电流(Iout)的输出级(200)、和用于供给初级侧和用于供给次级侧的辅助能量馈送(400)。
控制装置(300)的输出电压(UR)借助于测量装置(500)来控制,使得输出级(200)的晶体管(T1)的功率损耗基本上与运行状态中连接的负荷(Rb)无关。
在本发明的一个变化方案中,输出级(200)的供给由辅助能量馈送(400)提供并且具有基本上恒定的电压(U)。
在本发明的另一实施方案中,测量装置(500)包括晶体管(T2),由此输出级(200)的电势被确定,并且为了控制目的所述晶体管的集电极输出信号被提供给控制装置(300)的反馈输入(FB)。
根据本发明的另一实施方案,测量装置(500)包括晶体管(T2),其中所述晶体管(T2)布置为使得所述晶体管(T2)的控制不影响测量输出电流(Iout)。
根据本发明的再一实施方案,辅助能量馈送(400)包括直流变压器。
根据本发明的另一实施方案,辅助能量馈送(400)包括具有两个整流器(420、421)的直流变压器,其中一个整流器(421)提供初级侧的供给,另一个整流器(420)提供待控制的辅助电压的供给。
在本发明的再一实施方案中,控制装置(300)包括步降转换器。
根据本发明的另一实施方案,输出级(200)包括电流-电流转换器(OP1)。
以下将借助于附图更加详细地解释本发明,其中:
图1示出了根据本发明的信号馈送分离器第一实施方案的示意性电路图;
图2示出了根据本发明的信号馈送分离器第二实施方案的示意性电路图;和
图3示出了根据本发明的信号馈送分离器第三实施方案的示意性电路图。
在以下的描述中,将参照附图更详细地解释本发明;此处,相同的附图标记一般表示等同的机构,因此,除非另有说明,否则以下描述总是涉及所有的附图。
根据本发明的用于真零或活零测量信号的信号(馈送)分离器首先包括初级侧(馈送)输入端IN和次级侧输出端OUT。
在活零信号的情况下,某一信号范围被解释为功能故障的指示。活零信号的范围一般为4到20mA,使得当电流降至4mA以下或超过20mA时,认为待测量装置发生故障。在这种情况下,一些单元提供发出警报的可能。所述警报可以例如以发光和/或发声的方式在现场提供,和/或通过相应的信号线或信息远程提供。
真零信号通常不具有该类型的范围,使得在这种情况下不能因为没有输入电流而断定待测量的装置有故障。真零信号的范围一般为0到20mA。
在运行期间,例如由馈送电压Usp所驱动的初级侧测量输入电流Iin可以施加到初级侧馈送输入端IN。
然后初级侧测量输入电流Iin在输入端被提供给用于转换的直流变压器100。
然后经转换的信号被提供给用于提供次级侧测量输出电流(Iout)的输出级200。
此外,根据本发明的信号馈送分离器包括辅助能量馈送400,其用于供给初级侧和用于供给次级侧。该辅助能量馈送Uh通过Usp对初级侧供能,而通过U对次级侧供能。
此处,Usp和U可以是不同的电压。优选地,Usp选择为使得它能够供给两线制变送器,例如16V或更高。
在本发明的所有实施方案中,借助于测量装置500通过控制装置300控制输出电压(UR),使得输出级200的晶体管T1的功率损耗基本上与运行状态中连接的负荷Rb无关。
输出级200的供给由辅助能量馈送400提供,并且具有基本上恒定的电压U。
在一个有利的实施方案中,直流变压器100包括将接收的测量输入信号斩波的斩波器110。经斩波的信号与交流信号相似,并且然后被提供给变压器130。变压器130将经转换斩波的信号提供给整流器120,所述整流器120又由经斩波转换的信号产生直流信号。在这种情况下,变压器130可以为1:1变压器或者也可以提供其他转换比。此外,直流变压器100还可以提供电隔离。
输出级200被构造为电流-电流转换器。为此,电流-电流转换器可以具有相应连接的运算放大器OP1。
在一个有利的实施方案中,辅助能量馈送400包括直流电压变压器。它可以与直流变压器100类似地构造。在这种情况下,辅助能量馈送400包括将接收的辅助电压Uh斩波的斩波器410。经斩波的信号与交流电压信号相似,并且然后被提供给变压器430。变压器430提供两个经转换斩波的信号。
第一经斩波转换的信号被提供给第一整流器420,所述整流器420又由经斩波转换的信号产生直流电压信号。所述直流电压信号尤其作为电压U被提供给控制装置300或被提供给在输出级200之内的运算放大器OP1。
第二经斩波转换的信号被提供给第二整流器421,所述整流器421又由经斩波转换的信号产生直流电压信号。所述直流电压信号尤其作为馈送信号以电压Usp的形式提供。
在此,变压器430可以是用于从初级侧到次级侧的各自电压的1:1变压器,或者也可以提供其他转换比。此外,直流电压变压器还可以在辅助能量馈送400内提供电隔离。
在根据图1的实施方案中,驱动负荷Rb所需的电压由控制装置300产生。例如,该控制装置300可以是开关式电源。在此,控制装置300的输出电压被控制为使得位于输出级200内的输出晶体管T1的集电极电势独立于输出电流Iout和输出负荷Rb保持恒定。在这种情况下,T1的集电极电势由测量装置500的晶体管T2的门极电压决定。在T2的集电极处产生的控制电压被提供给控制装置300的反馈输入。
有利地,要限制T2的控制功率,以最小化测量信号的失真,这是因为控制功率被从所述测量信号中移除了。
在根据图2的实施方案中,输出晶体管T1位于控制装置300的输出端,所述控制装置300再次可以被设计为开关式电源。在此,晶体管T2调节控制电压,使得输出晶体管T1的集电极-发射极电势独立于输出电流Iout和输出负荷Rb保持恒定。因此,控制电压近似地对应于T2的基极-发射极电势。晶体管T2的工作点通过电阻器R1来调节。由于输出晶体管T1布置在控制装置300的输出端上,确保用于晶体管T2的控制功率不影响测量信号。
在根据图3的实施方案中,控制开关式电源的输出电压,使得所述输出电压通常大于输出级200内的运算放大器OP1的输出电压。在这种情况下,输出电压大出的值通常由晶体管T2的发射极-基极通道和二极管D1之间的串联来提供。
在此,因为通过测量装置500产生的控制电压不包括与负荷的直接连接,并且由此没有剩余电流可以流过负荷Rb,所以输出级200可以将信号电流设置至0mA。
概括起来,可以断定,在根据图2和图3的实施方案中,测量装置500可以包括晶体管T2,由此晶体管T1的电势UR被确定。为了控制目的晶体管T2的集电极输出信号被提供给控制装置300的反馈输入FB。
进一步概括起来,可以断定,在根据图2和图3的实施方案中,测量装置500包括晶体管T2,其中晶体管T2布置为使得晶体管T2的控制不影响测量输出电流Iout。
附图标记列表
初级侧输入端 IN
次级侧输出端 OUT
直流变压器 100
斩波器 110
整流器 120
变压器 130
输出级 200
控制装置 300
辅助能量馈送 400
斩波器 410
整流器 420、421
测量装置 500
初级侧测量输入电流 Iin
次级侧测量输出电流 Iout
电阻器 R1
负荷 Rb
电压 U
晶体管 T1、T2
反馈输入 FB
运算放大器 OP1
二极管 D1
辅助电压 Uh
受控制的输出电压 UR

Claims (8)

1.一种用于真零或活零测量信号的信号馈送分离器,包括:
初级侧馈送输入端(IN),
次级侧输出端(OUT),
直流变压器(100),其在其输入侧连接到所述初级侧馈送输入端(IN),并且用于转换在所述初级侧馈送输入端(IN)接收的初级侧测量输入电流(Iin),
输出级(200),来自所述直流变压器(100)的经转换的初级侧测量输入电流被提供给该输出级(200),该输出级包括晶体管(T1),用于提供次级侧测量输出电流(Iout),
用于供给初级侧和用于供给次级侧的辅助能量馈送装置(400),
用于提供受控制的输出电压(UR)的控制装置(300),
其特征在于,
所述辅助能量馈送装置(400)的辅助电压借助于测量装置(500)通过所述控制装置(300)在次级侧被控制到所述输出电压(UR),使得所述输出级(200)的晶体管(T1)的功率损耗与运行状态中连接的负荷(Rb)无关,其中
所述测量装置(500)被配置为确定所述输出级(200)的晶体管(T1)的集电极电势。
2.根据权利要求1所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述输出级(200)的供给由所述辅助能量馈送装置(400)提供并且具有恒定的电压(U)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述测量装置(500)包括晶体管(T2),由此所述输出级(200)的电势被确定,并且为了控制目的所述测量装置(500)的晶体管的输出信号被提供给所述控制装置(300)的反馈输入(FB)。
4.根据权利要求1所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述测量装置(500)包括晶体管(T2),其中所述测量装置(500)的晶体管(T2)布置为使得所述测量装置(500)的晶体管(T2)的控制不影响所述测量输出电流(Iout)。
5.根据权利要求1所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述辅助能量馈送装置(400)包括直流电压变压器。
6.根据权利要求1所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述辅助能量馈送装置(400)包括具有两个整流器(420、421)的直流电压变压器,其中一个整流器(421)提供初级侧的供给,另一个整流器(420)提供待控制的辅助电压的供给。
7.根据权利要求1所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述控制装置(300)包括步降转换器。
8.根据权利要求1所述的信号馈送分离器,其特征在于,所述输出级(200)包括电流-电流转换器(OP1)。
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