DD245731A1 - Schaltungsanordnung fuer einen spannungswandler zur messung von gleich-, misch- oder wechselspannungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer einen Allfrequenzspannungswandler. Sie besteht aus einer Reihenschaltung von mindestens zwei Zweipolen. Ein Zweipol ist ein ohmscher Widerstand; der zweite Zweipol besteht aus einer Brueckenschaltung, deren Brueckenzweige von jeweils einer Antiparallelschaltung optischer Schalter gebildet sind. Die optischen Schalter werden von einem Mittelfrequenzgenerator angesteuert. Im Brueckenzweig liegt ein Mittelfrequenzstromwandler. Das Ausgangssignal dieses Mittelfrequenzstromwandlers wird entweder direkt verarbeitet oder ueber eine elektronische Umformerschaltung gegeben.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen potentialtrennenden Spannungswandler zur Messung von Gleich-, Misch- oder Wechselspannungen. Selbige besteht aus einer Reihenschaltung von mindestens zwei Zweipolen, an der die zu messende Spannung anliegt. Ein Zweipol dieser Reihenschaltung ist ein Widerstand, vorzugsweise ein Ohmscher Widerstand. Diese Anordnung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß sie zu einem Allfrequenzwandler führt. Wegen ihres günstigen dynamischen Übertragungsverhaltens ist sie vor allem in Steuer-und Regelungskreisen auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik einsetzbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Messung von Gleichspannungen ist es bekannt. Spannungsteiler anzuwenden. Diese unterscheidet man nach der Art ihres Aufbaues (ohmscher Teiler, kapazitive Teiler, gemischte Teiler) sowie nach der Art und Weise ihrer Beschallung.

Spannungsteiler unterscheidet man auch in sogenannte aktive Teiler, wo der Strom im Teiler Auswertung findet, sowie passive Teiler, wo die Spannung des sogenannten Unterspannungszweiges bewertet wird. Auf die Weiterbildung eines sogenannten aktiven Teilers, dessen Teilerverhältnis getaktet ist, bezieht sich die den Gegenstand dieses Patentes bildende Lösung.

Für die Messung von Wechselspannungen ist es bekannt, ohmsche, kapazitive Teiler oder gemischte Teiler, die aus einer Parallelschaltung von reellen Widerständen und Kondensatoren bestehen (DD-PS 75575) zu verwenden; ohmsche Teiler bestehen dabei meist aus einer Reihenschaltung von einzelnen diskreten Bauelementen, die unterschiedlich gestaltet bzw. bemessen sein können (DD-PS 65004).

Für die Messung hoher Gleichspannungen, die mittels eines Hochspannungstransformators und eines Hochspannungsgleichrichters erzeugt sind, ist eine Schaltung bekannt, die neben dem Hochspannungsgleichrichter an einer erdseitigen Anzapfung der Sekundärwicklung des Hochspannungserzeugers noch einen Meßgleichrichter aufweist. Dieser liegt mit einem Kondensator in Reihe, an dessen Spannung ein Spannungsmesser angeschlossen ist.

Der Meßgleichrichter ist dabei so in den Kreis eingeschaltet, daß der gesamte oder ein Teil des im Meßzeitpunkt durch den Hochspannungsgleichrichterfließenden Stromes durch den Meßgleichrichterfließt (DD-PS 74297).

Diese, für die Messung des Scheitelwertes geeignete Schaltung ist in ihrer Anwendung dadurch begrenzt, daß ihre Anordnung nahe der Spannungsquelle notwendig ist, so wie dies bei Gleichspannungsprüfspannungserzeugem normalerweise der Fall ist; zudem eignet sich diese Schaltung weder für die Messung von Gleichspannungen mit kleiner Pulsation noch für die Messung von Wechselspannungen.

Zu den aktiven Teilern würde auch noch eine in Betracht gezogene Anordnung eines Gleichstromwandlers gehören, welcher primärseitig mit einer hohen Windungszahl ausgeführt ist und deren Primärwicklung mit einem Widerstand in Reihe geschaltet an der zu messenden Spannung liegt. Ein solcher Stromwandler wird aber sehr aufwendig, weil der Amperewindungsbedarf eine sehr hohe Primärwindungszahl erfordert; selbige beeinflußt zudem auch noch die obere übertragbare Grenzfrequenz ungünstig. Als Stromwandler käme hier eine Anordnung in Betracht, wie sie in der EP-A1 0132745 beschrieben ist, und die, nach dem Nullflußprinzip arbeitend, auch einen hohen Amperewindungsbedarf für die Kompensationswicklung hat.

Ferner gilt zur Gleichstrommessung die Anwendung von Magnetfeldsonden als bekannt, wo die Sonden eine Vormagnetisierungswicklung, eine Indikatorwicklung und eine Kompensationswicklung aufweisen, die stabförmigen Magnetkernen angeordnet sind und in Aussparungen bzw. in Durchbrechungen von Leitern (WP G 01 R 2797557) oder mittels Abstandshaltern auf den Leiter vorgesehen sind (WP G 01 R 268935).

Derartige Magnetfeldsonden können gemäß einem weiteren Vorschlag auch lediglich mit zwei Wicklungen vorgesehen sein, die Bestandteil eines magnetisch rückgekoppelten Verstärkers sind.

Für die Messung von Gleichspannungen sind außerdem Anordnungen vorgeschlagen worden, die ebenfalls aus Reihenschaltungen von Widerständen bestehen. Dabei ist ein Widerstand der Reihenschaltung ein ohmscher Widerstand, während der zweite Widerstand entweder ein kapazitiver Widerstand oder ein induktiver Widerstand ist. Bei der Reihenschaltung mit einer Kapazität wird die spannungsabhängige Zeit bestimmt, die die Kapazität zur Erreichung einer Schwellspannung benötigt und mittels der Lichtimpulsfolge eines der Kapazität parallelgeschalteten elektro-optischen Wandlers auf die angelegte Spannung geschlossen. Durch die prinzipbedingte Luftstrecke zwischen elektro-optischem Wandler und empfangendem Fototransistor wird auch eine potentialgetrennte Messung bewirkt.

Bei der vorgeschlagenen Reihenschaltung eines reellen Widerstandes mit einer Induktivität wird dieselbe als sättigbare Drossel ausgebildet, die sogleich Teil eines magnetischen Modulators ist. Selbiger besteht aus einem stabförmigen Magnetkern; einer, von einer Wechselspannung gespeisten Ummagnetisierungswicklung; einer Indikatorwicklung und einem Demodulator. Die Wicklungen des magnetischen Modulators sind koaxial oder axial versetzt angeordnet und so von einer magnetischen Abschirmung umgeben, daß der stabförmige Magnetkern praktisch rückschlußfrei arbeitet, wobei der Strom in der Kompensationswicklung bzw. die Spannung derselben bzw. über einem in Reihe liegenden Widerstand als Repräsentant der zu messenden Gleichspannung dient.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die mit größerer Genauigkeit die Spannungsmessung von Gleich-, Misch- oder Wechselspannungen sowie Spannungen, die raschen Veränderungen unterliegen, ermöglicht.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, die der vorstehenden Zielstellung genügt, die eine hohe Grenzfrequenz zu übertragen vermag und ferner wirtschaftlich herstellbar ist. Dabei wird von einer Gattung von Schaltungsanordnungen ausgegangen, die aus einer Reihenschaltung von'Zweipolen besteht und wo mindestens ein Zweipol der Reihenschaltungen ohmscher Widerstand ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der zweite Zweipol der Reihenschaltung aus einer Brückenschaltung besteht, deren Brückenzweige jeweils aus einer Antiparallelschaltung optischer Schalter gebildet sind. Diese optischen Schalter werden mit Lichtsignalen beaufschlagt, welche von einem auf Erdpotential angeordneten Mittelfrequenzerzeuger gespeist werden. In der Brückendiagonale ist ein Mittelfrequenzstromwandler vorgesehen, dessen Ausgangssignal ein Repräsentant der zu messenden Spannung ist.

Zweckmäßige Ausbildungsvarianten dieses Erfindungskonzeptes sind in den Unteransprüchen definiert.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird der Gegenstand des Patentes näher beschrieben. Das Bild zeigt eine Schaltungsanordnung für den Gleichspannungswandler mit einer nachfolgenden elektronischen Meßwertverarbeitungsstufe. An einem, eine Gleichspannung führenden Leiter 1 liegt eine Reihenschaltung, die aus einem ohmschen Widerstand 2 und einer Brückenschaltung 3 besteht. Diese Brückenschaltung weist in ihren vier Brückenzweigen 4; 5; 6; 7 jeweils einen optischen Schalter auf, der aus einer Antiparallelschaltung von Fototransistoren besteht, die von opto-elektronischen Wandlern, die ihnen jeweils zugeordnet sind, mit Lichtimpulsen beaufschlagt werden. Diese opto-elektronischen Wandler erhalten Spannungsimpulse von einem Mittelfrequenzerzeuger 8, dem ein Phasendrehglied 9 nachgeschaltet sein kann. In der Brückendiagonalen liegt ein Mittelfrequenzstromwandler 10, welcher aus einem Ferritkern 11 und zwei Wicklungen besteht. Die Isolation zwischen den Wicklungen sowie die magnetische Kopplung bewirkt die Potentialtrennung. Am Ausgang des Mittelfrequenzstromwandlers 10 ist ein Signal abnehmbar, welches in seiner Amplitude die zu messende Spannung am Leiter 1 repräsentiert. Um dieses Signal in einem dem zeitlichen Verlauf der zu messenden Spannung am Leiter 1 entsprechende Spannung zu formen, wird im vorgeschlagenen Lösungsbeispiel dem Mittelfrequenzstromwandler 10 ein Strom/ Spannungswandler 14 nachgeschaltet. Diesem ist ein steuerbarer Gleichrichter 15 nachgeschaltet, an dessen Ausgang ein Tiefpaß 16 angeschlossen ist. Der steuerbare Gleichrichter 15 wird entweder direkt oder über eine Impulsformerstufe 17 von dem Mittelfrequenzerzeuger 8 getaktet. Durch diese phasenempfindliche Demodulationsschaltung ist es bei geeigneter Dimensionierung möglich, in einem weiten Frequenzbereich an dem mit UA bezeichneten Anschluß der Ausgangsspannung eine Spannung zu entnehmen, die ein Abbild der zu messenden Spannung ist. Daneben ist es z.B. in Automatisierungsanlagen auch möglich, das Ausgangssignal des Mittelfrequenzstromwandlers beispielsweise in getakteten Pegelschaltungen direkt weiter zu verarbeiten.

Durch den Einsatz eines Stromwandlers zur Potentialtrennung, welcher als Mittelfrequenzstromwandler ausgebildet ist, ergibt sich neben dem Vorteil eines großen Dynamikbereiches auch der Vorteil, daß der Spannungsabfall über der Wicklung 12 sehr klein und damit der Einfluß auf das Meßergebnis vermindert ist.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1. Schaltungsanordnung für einen potentialtrennenden Spannungswandler zur Messung von Gleich-, Misch-oder Wechselspannungen, die aus einer Reihenschaltung von mindestens zwei Zweipoien besteht, an der die zu messende Spannung anliegt uncf wo ein Zweipol ein Widerstand, vorzugsweise ein ohmscher Widerstand ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Zweipol aus einer Brückenschaltung (3) besteht, deren Brückenzweige (4; 5; 6; 7) jeweils aus einer Antiparallelschaltung optischer Schalter gebildet sind, und daß diese optischen Schalter mit Lichtsignalen beaufschlagt sind, welche von einem auf Erdpotential angeordneten Mittelfrequenzerzeuger (8) hervorgerufen sind und wobei in der Brückendiagonalen ein Mittelfrequenzstromwandler (10) liegt, dessen Ausgangssignal ein Repräsentant der zu messenden Spannung ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Mittelfrequenzstromwandlers (10) an einem StromVSpannungswandler anliegt, welchem ein, vom Mittelfrequenzgenerator 8 getakteter steuerbarer Gleichrichter nachgeschaltet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mittelfrequenzgenerator (8) und der Brückenschaltung (3) bzw. dem steuerbaren Gleichrichter (15) ein Phasendrehglied (9) bzw. eine Impulsformerstufe (17) eingeschaltet ist.