DD140595A1

DD140595A1 - METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE POTENTIALLY SEPARATED SIGNAL CURRENT TRANSMISSION

Info

Publication number: DD140595A1
Application number: DD20925978A
Authority: DD
Inventors: Harald Sommerfeldt
Original assignee: Harald Sommerfeldt
Priority date: 1978-11-23
Filing date: 1978-11-23
Publication date: 1980-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Schaltungsanordnung zur potentialgetrermten Signalstromübertragung mittels Impulsübertrager, die beispielsweise in Meßumformern für die Ankopplung von Meßfühlern an Signalverarbeitende.Geräte, insbesondere bei deren Einsatz in explosionsgefährdeten Räumen oder bei der Verkopplung mehrerer, auf verschiedenem elektrischem Potential liegender Geräte angewendet werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die der Brückenanordnung bezüglich technischem Aufwand und einiger technischer Parameter überlegene Gegentaktanordnung der den Signalstrom in Impulsfolgen zerlegenden Schalter so zu modifizieren, daß die ihr in den 'bisher bekannten Ausführungs-formen eigenen großen Übertragungsverluste, die teilweise ansteuerungsabhängig sind und somit die Proportionalität der Übertragung verändern,'minimiert werden. Die Aufgabe, wird dadurch gelöst, daß ein Signalstrom in bekannter Weise, mit Hilfe eines von einem Generator gegenphasig angesteuerten Schalt.erpaares in zwei gleichförmige, zueinander gegenphasige, impulsförmige Signalstromanteile zerlegt und diese .erfindungsgemäß auf zwei magnetisch und kapazitiv voneinander weitestgehend entkoppelten Wegen übertragen werden, indem für jeden Signalanteil ein separater Impulsüoertrager verwendet wird.The invention relates to methods and circuit arrangement for potential-driven signal current transmission by means of pulse transformer, for example, in transducers for the coupling of sensors to Signalverarbeitende.Geräte, especially in their use in explosive areas or in the coupling of several, on applied to different electrical potential devices lying can be. The invention is based on the object, the Bridge arrangement with respect to technical complexity and some technical Parameter superior push-pull arrangement of the signal current in Modify pulse trains decomposing switch so that their in the 'hitherto known forms of execution own large Transmission losses, which are partly drive-dependent and thus changing the proportionality of the transmission, 'minimized become. The object is achieved in that a signal stream in known manner, using one of a generator in anti-phase controlled Schalt.erpaares in two uniform, to each other disassembled antiphase, pulsed signal current components and these .finderungsgemäß on two magnetic and capacitive from each other largely decoupled routes are transmitted by each Signal component is used a separate Impulsüoertrager.

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur potentialgetrennten SignalstromübertragungMethod and circuit arrangement for isolated signal current transmission

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung ist beispielsweise in der Meßtechnik anwendbar, v/o kleine Stromsignale mit hoher Genauigkeit potentialgetrennt zu übertragen sind.The invention is applicable for example in the measurement technique, v / o small current signals are to be transmitted electrically isolated with high accuracy.

Das technische Problem stellt sich wie folgt dar: Dio .Ankopplung von Meßfühlern an signalverarbeitende Geräte, beispielsweise mittels Meßumformer, erfordert unter bestimmten Einsatzbedingungen, insbesondere in Explosionsgefahrdeten Räumen oder bei der Verkopplung mehrerer, auf verschiedenem Potential liegender Geräte, eine Potentialtrennung, an die hohe Anforderungen hinsichtlich konstanter Proportionalität der Signalübertragung und - im Falle der Übertragung eines Signalstromes, insbesondere in der live-zero-Betriebsart geringer Übertragungsverluste gestellt v/erden. Diese Potentialtrennung ist realisierbar, indem die sich langsam ändernde Signalgröße in Impulsfolgen mit einer sur Signaländerungsfrequenz vergleichsweise hohen Iiapulsfolgefroquenz zerlegt wird und diese mittels Impulsübertrager an einen oder mehrere potentialmäßig vom Signalstromkreis getrennte v/eitere Stromkreise angekoppelt werden.The technical problem is as follows: Dio .Ankopplung of sensors to signal processing equipment, for example by means of transmitter requires under certain conditions, especially in Explosionsgefahrdeten rooms or in the coupling of several lying at different potential devices, a potential separation to the high demands in terms of constant proportionality of the signal transmission and - in the case of the transmission of a signal stream, in particular in the live-zero mode of operation set low transmission losses v / ground. This potential separation can be realized by the slow-changing signal size is broken down into pulse sequences with a sur signal change frequency comparatively high Iiapulsfolgefroquenz and these are coupled by means of pulse transformer to one or more v / eitere separate from the signal circuit v / eitere circuits.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Nach Heinrich Schröder "Elektrische Nachrichtentechnik" Bd*2, Berlin-Borsigwaldej Yerlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH,After Heinrich Schröder "electrical communications engineering" Bd * 2, Berlin-Borsigwaldej Yerlag for Radio-Foto-Kinotechnik GmbH,

- 2 - 2t- 2 - 2t

1963, S. 222 ff und S, 4-91 ff, sind Schaltungsanordnungen bekannt, in denen ein Signalstrom in beschriebener Weise über in Gegentakt- oder Brückenanordnung verknüpfte Schalter an einen in spezieller. Weise ausgeführten Impulsübertrager gelangt. '1963, pp 222 ff and S, 4-91 ff, circuit arrangements are known in which a signal current in the manner described above in push-pull or bridge arrangement associated switch to a special in. Way executed pulse transformer passes. '

Die o.g. Gegentaktanordnung hat den Mangel, daß sie zwar insbesondere zur Leistungsübertragung geeignet ist, jedoch wegen unvermeidbarer Signalverfälschungen nicht zur konstanten proportionalen Übertragung von Stromsignalen. Die Signalverfälschungen beruhen auf der engen kapazitiven und magnatischen Kopplung der Wicklungsanteile des Übertragers, die zur gegenseitigen impulsmäßigen Beaufschlagung führt. Weiterhin entste-. hen vergleichsweise hohe Übertragungsverluste durch die permanente Uniraagnetisierung des Übertragungskerns.The o.g. Push-pull arrangement has the defect that, although it is particularly suitable for power transmission, but because of unavoidable signal distortions not for the constant proportional transmission of current signals. The signal distortions are due to the narrow capacitive and magnetic coupling of the winding components of the transformer, which leads to mutual impulsive loading. Continue to emerge. relatively high transmission losses due to the permanent unirradiation of the transmission core.

Die Brückenanordnung hat den Mangel, daß die doppelte Anzahl an Schaltern gegenüber der Gegentaktanordnung benötigt wird, zu deren Ansteuerung zwangsläufig ein zusätzlicher schaltungstechnischer Aufwand erforderlich ist, wie beispielsweise ein kompliziert aufgebauter Aristeuertransformator sowie eine entsprechend hohe Bauelesenteanzahl. Über dieser Schalteranordnung, liegt somit der doppelte Spannungsabfall gegenüber der Gegentaktanordnung. Das hat zur Folge, daß ein höherer Eingangspegel bei gleichem Ausgangspegel erforderlich ist, ) was insbesondere in eigensicheren Stromkreisen au vermeiden ist.The bridge arrangement has the defect that twice the number of switches is required compared to the push-pull arrangement, whose activation inevitably requires additional circuitry, such as, for example, a complicated arithmetic transformer and a correspondingly high number of components. Over this switch arrangement, thus double the voltage drop compared to the push pull arrangement. This has the consequence that a higher input level is required at the same output level, which is especially in intrinsically safe circuits au avoid.

Bs sind Patente bekannt, die sich mit der Verbesserung der Übertragungseigenschaften des im Signalwag liegenden Übertragers durch zusätzliche sehaitungstechnische Maßnahmen befassen. So wird in der DE-OS 27 10 291 die Nutzung der extremen Belastung durch einen virtuellen Kurzschluß zur Erhöhung . der übertragbaren Bandbreite und zur Verringerung dar Übertragerabmessungen beschrieben. Dar Mangel dieser Schaltungsanordnung besteht in einem relativ hohen schaltungstechni™ schen Aufwand, der sekundärseitig eine vergleichsweise große Leistungsaufnahme zur Folge hat.Bs patents are known, which are concerned with the improvement of the transmission characteristics of lying in the Signalwag transmitter by additional sehaitungstechnische measures. Thus, in DE-OS 27 10 291 the use of the extreme load by a virtual short circuit to increase. the transferable bandwidth and to reduce transformer dimensions described. The lack of this circuit arrangement consists in a relatively high schaltungstechni ™'s effort on the secondary side has a comparatively large power consumption.

· ^, J m. · ^, J m.

Nach der DE-OS 23 42 294 ist eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von Gleichstromsignalen bekannt, in dor der Auf- und Entladestrom eines mit der Primärwicklung des Signalübertragers in Reihe liegenden Kondensators genutzt wird, um sekundärseitig eine Wechselspannung zu induzieren, die in gleichgerichteter Form eine Darlingtonstufe aussteuert, die wiederum einen, dem Primärstrom mehr oder weniger proportionalen Ausgangsstrom liefertAccording to DE-OS 23 42 294 a circuit arrangement for the galvanic separation of DC signals is known, in the dor the charging and discharging of a lying with the primary winding of the signal transformer in series capacitor is used to induce an alternating voltage on the secondary side, in the rectified form a Darlingtonstufe controls, which in turn provides a more or less proportional to the primary current output current

Diese Schaltungsanordnung hat folgende Mängel: Die Parameter des im Signalweg liegenden Kondensators, insbesondere die"Kapazitätstoleranz, der Temperaturkoeffizient der Kapazität, können zu "Verfälschungen des Stromsignals führen. Zur Kompensation der Wicklungstoleranzen des Übertragers ist ein Korrekturglied erforderlich. Des weiteren ist ein Korrekturglied zur Kompensation der Streuung und des Temperaturkoeffizienten der Schwellspannungen der Basis-Emitterstrecken der Transistoren in Darlingtonanordnung erforderlich. Weiterhin tritt auf Grund der Ummagnetisierungsverluste großer Leerlaufsti'orabeöarf auf, der kleine, gegen Null gehende Stromsignale überdeckt. This circuit arrangement has the following shortcomings: The parameters of the capacitor in the signal path, in particular the "capacitance tolerance, the temperature coefficient of the capacitance, can lead to" falsifications of the current signal. To compensate for the winding tolerances of the transformer, a correction element is required. Further, a correction term is required to compensate for the dispersion and temperature coefficient of the threshold voltages of the base-emitter paths of the Darlington array transistors. Furthermore occurs due to the Ummagnetisierungsverluste large Leerlaufsti'orabeöarf covering the small, going to zero current signals.

Ziel der Erfindung' Object of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, eine potentialgetrennte Signalstromübertragung zu realisieren, die sich durch geringen Leeria ufstrombedarf, hohe Konstanz der Proportionalität zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, geringe Spikeüberlagerung des Ausgangssignals, geringen Bauelemente- und Yolumenbedarf und unkoinplizierten Übertrageraufbau auszeichnet«.It is the object of the invention to realize a potential-separated signal current transmission, which is characterized by low Leeria ufstrombedarf, high constancy of the proportionality between input and output signal, low spike overlay of the output signal, low component and Yolumenbedarf and uncoined transformer structure «.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die technischen Mängelursachen der bekannten Lösungen zu beseitigen,' die darin . bestehen_s daß die Realisierung eines virtuellen Kurzschlusses erforderlich ist, daß sich ein Kondensator im Signalweg befindet s daß das Signal von hohen Wicklungstoleranzen beeinflußt wird, daß eine Darlingtonschaltung erforderlich, ist undThe invention has for its object to eliminate the technical defects of the known solutions, 'the therein. exist _s that the realization of a virtual short circuit is required that a capacitor is in the signal path s that the signal is influenced by high winding tolerances that a Darlington circuit is required, and

-4- 209-259-4- 209-259

daß ümmagnetisierungsverluste und damit Im Zusammenhang hohe Leerlaufströme auftreten. 'that magnetization losses and thus in connection high idle currents occur. '

Diese Aufgabe wird durch folgende Merkmale der Erfindung gelöst, nachdem, wie bereits bekannt, ein Signalstrom in zwei This object is achieved by the following features of the invention, after, as already known, a signal stream in two

annähernd gleichgroße, gleichförmige und zueinander gegenphasige impulsförmige Signalstromanteile zerlegt wurde; die beiden impulsförmigen Signals tr oiaant eile werden auf zwei magnetisch und kapazitiv weitestgehend entkoppelten Signalwegen übertragen. Dabei wird in Abhängigkeit von gegebenen Randbedingungen die zweckmäßige Übertragungsfrequenz an einem an sich bekannten, in seiner Frequenz variablen Generator fi-) xierteapproximately equally sized, uniform and opposite to each other in phase pulse-shaped signal current components was decomposed; the two pulse-shaped signals triazialte are transmitted on two magnetically and capacitively largely decoupled signal paths. In this case, depending on given boundary conditions, the appropriate transmission frequency is fixed to a known variable frequency generator

Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens basiert auf der an sich bekannten Anordnung, bei der der Generator mit zwei, in Gegentaktanordnung liegenden Schaltern verbunden ist und einer am Ausgang dieser Schaltungsanordnung liegenden Demodulatorschaltung. Erfindungsgemäß sind die bei~ den Schalter mit ihnen zugeordneten Primärwicklungen zweier separater Impulsübertrager verbunden, während deren Sekundärwicklungen mit der Demodulatorschaltung verbunden sind. Das Übersetzungsverhältnis der Impulsübertrager beträgt Vorzugs- weise,- 1:1.The circuit arrangement for carrying out the method is based on the arrangement known per se, in which the generator is connected to two switches in push-pull configuration and a demodulator circuit located at the output of this circuit arrangement. In accordance with the invention, the primary windings of two separate pulse transformers associated with the switches are connected, while their secondary windings are connected to the demodulator circuit. The ratio of the pulse transformer is preferential example, - 1: 1.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörige Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. The accompanying drawing shows the circuit arrangement according to the invention.

Der Generator 1, bestehend aus zwei KMiD-Ga t tern und einer_s seine Frequenz bestimmende RC-Kombination, ist mit den Schaltern 2;3 verbunden. Die Schalter 2;3., die als MOS-Pets ausgeführt sind, sind jeweils mit den zugeordneten Primärwicklungen der Impulsübertrager 4;5 verbunden. Sekundärseitlg sind die Übertrager 4;5 über die Demodulationsschaltung 6 miteinander verknüpft.The generator 1, consisting of two KMiD Ga t tern and one _s its frequency-determining RC combination is connected to the switches 2, 3. The switches 2, 3, which are designed as MOS pets, are each connected to the associated primary windings of the pulse transformers 4, 5. Sekundärseitlg the transformers 4, 5 are linked together via the demodulation circuit 6.

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Die Funktionswaise dieser Schaltungsanordnung ist folgende: Der Generator 1 steuert die Schalter 2; 3 zueinander gegenphasig mit Rechteckiiapulsen an, wodurch diese einander abwechselnd öffnen bzw. schließen. Dadurch wird der an den Schaltern 2; 3 liegende Signalstrom I^ in zwei impulsförmige Signalstromteile zerlegt, die an die Primärwicklung des zum jev/eiligen Schalter 1;2 gehörenden Impulsübertragers 4;5 gelangen. Die an den Impulsübertragern 4; 5 sekundärseitig gewonnenen Signalstromanteile werden in der gemeinsamen Demodulationsschaltung 6 zum Signalstrom I₂ zusammengefügt. Der Signalstrom Ip unterscheidet sich vom Signalstrom I^ um einen Verlustanteil Al₁ der sich aus der Summe aller an den Schaltern 2;3j den Impulsübertragern 4;5 und der Demodulationsschaltung 6 auftretenden Verluste zusammensetzt. Durch Variieren der Frequenz des Generators 1 mit Hilfe des Widerstandes 7 läßt sich bei gegebenen Randbedingungen eine Arbeitsfrequenz für diese Schaltungsanordnung einstellen, bei der der Verlustanteil Δ I sein Minimum erreicht.The Funktionswaise this circuit is the following: The generator 1 controls the switch 2; 3 opposite each other with Rechteckiiapulsen, causing them alternately open or close. As a result, the at the switches 2; 3 lying signal current I ^ decomposed into two pulse-shaped signal current parts, which arrive at the primary winding of the jev / urgent switch 1, 2 belonging pulse transformer 4; The at the momentum transducers 4; 5 signal current components obtained on the secondary side are combined in the common demodulation circuit 6 to form the signal current I ₂ . The signal current Ip differs from the signal current I ^ by a loss component Al ₁ which is composed of the sum of all losses occurring at the switches 2; 3j and the pulse transducers 4; 5 and the demodulation circuit 6. By varying the frequency of the generator 1 by means of the resistor 7, it is possible to set an operating frequency for this circuit arrangement given given boundary conditions, at which the loss component Δ I reaches its minimum.

Claims

Erfindungsanspruoh

1. A method for isolated signal current transmission by impulsförinige decomposition of Signaistroms in two approximately equal, uniform and mutually opposite phase signal current components, characterized in that the two pulse-shaped signal current components are transmitted to two magnetically and capacitively largely decoupled signal paths.

2. Method according to item 1, characterized in that, depending on given boundary conditions, the expedient transmission frequency is fixed to a known variable frequency generator (1),

3 »circuit arrangement for carrying out the terfahren according to item 1 and 2, wherein the generator is connected to two, in Gegentakl arrangement switches and a lying at the output of the circuit demodulator circuit, characterized in that the two switches (2? 3) respectively a separate pulse transformer (4; 5) is associated with it and that the secondary windings of these pulse transformers (4; 5) are linked together by Dsmodulator circuit (6). , ·

4, circuit arrangement according to point 3 », characterized in that the transmission ratio of the pulse transmitter (4; 5) is preferably 1: 1

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