DE102004019142B4

DE102004019142B4 - Signal multiplier, in particular signal doubler for measuring signals

Info

Publication number: DE102004019142B4
Application number: DE200410019142
Authority: DE
Inventors: Lars Dipl.-Ing. Schweizer; Wolfgang Dipl.-Ing. Feucht; Jörg GIEBSON
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: DE102004019142A1

Abstract

Signal-Vervielfacher, insbesondere Signalverdoppler für Messsignale, insbesondere Dead-Zero- oder Live-Zero-Messsignale, umfassend
– einen Eingang (1) mit einer Eingangsschaltung (4),
– mindestens zwei damit verschaltete Übertrager (7, 8) zur potentialgetrennten Übertragung des Messsignals auf mindestens zwei Ausgänge (9, 10) und
– eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (14) zur Versorgung der Übertrager (7, 8),
gekennzeichnet durch
– eine Regeleinrichtung (28) in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (14) zur Anpassung der Versorgungsspannung des Signal-Vervielfachers an den jeweils aktuellen Leistungsbedarf der mindestens die Eingangsschaltung (4) und die Übertrager (7, 8) umfassenden Schaltung.Signal multiplier, in particular signal doubler for measurement signals, in particular dead-zero or live zero-measurement signals, comprising
An input (1) with an input circuit (4),
- At least two interconnected transformer (7, 8) for electrically isolated transmission of the measuring signal to at least two outputs (9, 10) and
An auxiliary energy supply circuit (14) for supplying the transformers (7, 8),
marked by
- A control device (28) in the auxiliary power supply circuit (14) for adjusting the supply voltage of the signal multiplier to the respective current power requirement of at least the input circuit (4) and the transformer (7, 8) comprehensive circuit.

Description

Die Erfindung betrifft einen Signal-Vervielfacher und insbesondere Signalverdoppler für Messsignale, insbesondere Dead-Zero- oder Live-Zero-Messsignale mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.The The invention relates to a signal multiplier and in particular signal doubler for measuring signals, in particular dead-zero or live zero-measurement signals with those in the preamble of claim 1 specified characteristics.

Derartige Signal-Vervielfacher, wie sie beispielsweise in der DE 197 14 552 A1 offenbart sind, weisen bekanntermaßen einen Eingang mit einer primärseitigen Eingangsschaltung, mindestens zwei damit verschaltete Übertrager zur potentialgetrennten Übertragung und Vervielfachung des Messsignals auf mindestens zwei Ausgänge und eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung zur Versorgung der Übertrager und Eingangsschaltung auf. Sie werden zur Verdoppelung und galvanischen Trennung analoger Messsignale 0 bzw. 4 mA ... 20 mA (Stromsignale) bzw. 0 ... 10 V (Spannungssignale) eingesetzt. An den Ausgängen steht jeweils ein Dead- oder Live-Zero-Messstrom von 0 bzw. 4 ... 20 mA zur Verfügung. Aus dem Eingangssignal werden also zwei voneinander unabhängige Strommesssignale gebildet.Such signal multipliers, as used for example in the DE 197 14 552 A1 As is known, an input with a primary-side input circuit, at least two transmitters connected therewith, for potential-separated transmission and multiplication of the measurement signal to at least two outputs and an auxiliary power supply circuit for supplying the transformer and input circuit are known. They are used for doubling and galvanic isolation of analog measuring signals 0 or 4 mA ... 20 mA (current signals) or 0 ... 10 V (voltage signals). A dead or live zero current of 0 or 4 ... 20 mA is available at the outputs. From the input signal so two independent current measurement signals are formed.

Bei solchen herkömmlichen Signal-Vervielfachern werden die ausgangsseitigen Übertrager mit einer festen Versorgungsspannung betrieben. Deren Bemessung ergibt sich aus der maximal möglichen Ausgangsspannung – der sogenannten Bürdenspannung – und dem Eigenspannungsbedarf der Schaltung. Das Produkt aus Versorgungsspannung und -strom ergibt die aufgenommene Gesamtleistung der Ausgangsschaltung. Die Verlustleistung in der Ausgangsschaltung ist die Differenz zwischen der aufgenommenen Gesamtleistung und der am Ausgang abgegebenen Leistung. Wird unter diesen Rahmenbedingungen die Ausgangsschaltung bei kleiner Ausgangsspannung betrieben, steigt die in der Ausgangsschaltung umgesetzte Verlustleistung aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der konstant hohen Versorgungsspannung und der niedrigen Ausgangsspannung. Der Wirkungsgrad der Ausgangsschaltung verschlechtert sich also. Gerade für die Betriebsbedingungen einer kleinen Ausgangsspannung und eines hohen Ausgangssignalstromes muss in der Ausgangsschaltung eine hohe Verlustleistung umgesetzt werden können, wofür entsprechende Bauelemente zu verwenden sind. Da für hohe Verlustleistungen ausge legte Bauelemente voluminöser sind, steigt der Platzbedarf von Signalvervielfachern mit einer derartigen Schaltungsanordnung. Dies läuft den Anforderungen, die an moderne Messgeräte gestellt werden, diametral entgegen, da mit aktuellen Entwicklungen die Integration solcher Signalvervielfacher – wie auch anderer Signaltrenner für Messsignale – in sehr schmale Anreihgehäuse bei komplett potentialgetrennter Ausführung von Eingang, Ausgängen und Hilfsenergie (4-Port-Trennung) angestrebt wird.at such conventional Signal multipliers become the output side transformers operated with a fixed supply voltage. Their design results from the maximum possible output voltage - the so-called Burden voltage - and the Residual stress demand of the circuit. The product of supply voltage and -current gives the total absorbed power of the output circuit. The power loss in the output circuit is the difference between the total power consumed and that delivered at the exit Power. Under these conditions, the output circuit operated at low output voltage, which rises in the output circuit converted power loss due to the voltage difference between the constant high supply voltage and the low output voltage. The efficiency of the output circuit thus deteriorates. Especially for the operating conditions of a small output voltage and a high output signal current must in the output circuit a high Power loss can be implemented, for which corresponding components to be used. Therefore high power losses, components are more voluminous, increases the space requirement of signal multipliers with such Circuitry. This is running Requirements placed on modern measuring instruments, diametrically contrary, since with current developments the integration of such Signal multiplier - like also other signal isolators for Measuring signals - in very narrow bayed housing with completely isolated version of input, outputs and Auxiliary power (4-port separation) is sought.

Die DE 22 15 302 C3 zeigt einen Signal-Vervielfacher zur potentialgetrennten Übertragung eines Messsignals auf mehrere Ausgänge. Dabei ist ebenfalls keine Beeinflussung der Versorgungsspannung im Hinblick auf die oben erörterte Problematik vorgesehen.The DE 22 15 302 C3 shows a signal multiplier for the potential-separated transmission of a measurement signal to multiple outputs. In this case, there is likewise no influence on the supply voltage in view of the problem discussed above.

Die DE 100 57 315 A1 zeigt lediglich eine Schaltung zur potentialfreien Übertragung eines Messsignals auf einen einzelnen Ausgang.The DE 100 57 315 A1 shows only a circuit for floating transmission of a measuring signal to a single output.

Ausgehend von der eingangs geschilderten Problematik des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Signalvervielfacher so zu verbessern, dass hohe Ausgangsleistungen bei kleinem Bauvolumen ermöglicht werden.outgoing from the initially described problems of the prior art the invention has the object, a signal multiplier To improve so that high output power in a small volume allows become.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale grundsätzlich gelöst. Demnach ist eine Regeleinrichtung in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung vorgesehen, die die Versorgungsspannung des Signal-Vervielfachers an den jeweils aktuellen Leistungsbedarf der Schaltung anpasst. Damit wird der Leistungsverbrauch bei kleinen Ausgangsspannungen reduziert, was gleichzeitig die Verlustleistung entscheidend herabsetzt. Dies bringt es wiederum mit sich, dass die thermische Belastung der Bauelemente gegenüber dem Stand der Technik so verringert werden kann, dass kleinere Bauelemente und geringere Volumina des Trennergehäuses verwendbar sind.These Task is indicated by the in the characterizing part of claim 1 Characteristics in principle solved. Thus, a regulator is in the auxiliary power feeding circuit provided that the supply voltage of the signal multiplier adapts to the current power requirements of the circuit. Thus, the power consumption at low output voltages reduced, which at the same time significantly reduces the power loss. This in turn entails that the thermal load the components opposite The prior art can be reduced so that smaller components and smaller volumes of the separator housing are usable.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.preferred embodiments The invention will become apparent from the dependent claims and the following Description of an embodiment.

Das beigefügte Schaltbild zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines potentialgetrennten Signal-Verdopplers mit Regeleinrichtung für die Versorgungsspannung.The attached Wiring diagram shows the basic Construction of a potential-separated signal doubler with control device for the Supply voltage.

Die dargestellte Schaltungsanordnung weist einen Eingang 1 mit einem negativen Anschluss 2 und einem positiven Anschluss 3 auf. Das Messsignal am Eingang wird von einer als Ganzes mit 4 bezeichneten Eingangsschaltung verarbeitet. Dem negativen Anschluss 2 ist dabei über einen Eingangswiderstand R3 ein Umschalter 5 nachgeschaltet, um den Signal-Vervielfacher zwischen den Betriebsfällen „Stromeingang” und „Spannungseingang” umzuschalten. Dem Umschalter 5 schließt sich die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors T12 an, dessen Basis über einen schematisch dargestellten Operationsverstärker 6 und einen davor geschalteten Eingangswiderstand R4 ebenfalls mit dem negativen Anschluss 2 des Eingangs 1 gekoppelt ist. Beim Betriebsfall „Spannungseingang” – der Umschalter 5 steht in Stellung U – gewährleistet der Operationsverstärker 6 eine hohe Impedanz des Eingangs 1. Das von der Eingangsschaltung 4 aufgenommene Eingangssignal wird mittels zweier Übertrager 7, 8 auf zwei Dead- oder Live-Zero-Stromsignale abgebildet, die an den beiden Ausgängen 9, 10 abgegriffen werden können. Die beiden Übertrager 7, 8 sind identisch aufgebaut und weisen als Herzstück jeweils einen Transformator TR1/TR2 auf. Primärseitig werden diese Transformatoren TR1/TR2 jeweils von Modulatorschaltungen 11/12 gespeist, die zusammen mit einer über den Widerstand R1 eingebundenen Live-Zero-Schaltung 13 und der Eingangsschaltung 4 in Reihe am Ausgang der als Ganzes mit 14 bezeich neten Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung geschaltet sind. Die Modulatorschaltungen 11, 12 sind mit ihren Wechselanschlüssen jeweils über Kondensatoren C3, C4/C7, C8 mit dem einen primärseitigen Anschluss der Transformatoren TR1/TR2 sowie mit ihrem zentralen Anschluss mit dem anderen primärseitigen Anschluss der Transformatoren TR1/TR2 verbunden. Sekundärseitig sind die beiden Anschlüsse der Transformatoren TR1/TR2 über Kondensatoren C1, C2/C5, C6 bzw. Dioden D1, D2/D3, D4 mit den jeweiligen Anschlüssen der Ausgänge 9, 10 verbunden.The illustrated circuit arrangement has an input 1 with a negative connection 2 and a positive connection 3 on. The measurement signal at the input is from one as a whole with 4 designated input circuit processed. The negative connection 2 is an input resistor R3 a switch 5 downstream to switch the signal multiplier between the operating cases "current input" and "voltage input". The switch 5 the collector-emitter path of a transistor T12 adjoins, the base thereof via a schematically illustrated operational amplifier 6 and a front-connected input resistor R4 also connected to the negative terminal 2 of the entrance 1 is coupled. In the operating case "voltage input" - the changeover switch 5 is in position U - ensures the Operationsver stronger 6 a high impedance of the input 1 , That of the input circuit 4 recorded input signal is by means of two transformers 7 . 8th mapped to two dead or live zero current signals, which are at the two outputs 9 . 10 can be tapped. The two transformers 7 . 8th are identical and have as the heart of a respective transformer TR1 / TR2. On the primary side, these transformers TR1 / TR2 each of modulator circuits 11 / 12 fed together with a via the resistor R1 integrated live zero circuit 13 and the input circuit 4 in series at the exit of the whole as 14 designated Neten auxiliary power supply circuit are connected. The modulator circuits 11 . 12 are connected with their AC terminals in each case via capacitors C3, C4 / C7, C8 to the one primary-side terminal of the transformers TR1 / TR2 and with their central terminal to the other primary-side terminal of the transformers TR1 / TR2. On the secondary side, the two terminals of the transformers TR1 / TR2 via capacitors C1, C2 / C5, C6 and diodes D1, D2 / D3, D4 with the respective terminals of the outputs 9 . 10 connected.

Die für die Versorgung der Übertrager 7, 8 und der Eingangsschaltung 4 vorgesehene Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 14 weist zwei Eingangsanschlüsse 20, 21 auf, über die ein Zerhacker 22 geschaltet ist. Dessen Abgang 23 ist mit der Primärwicklung 24 eines Transformators TR3 in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 14 gekoppelt. Die Primärwicklung 24 ist mit ihrem zweiten Anschluss an den Abgriff 26 zwischen zwei Eingangskondensatoren C11, C12 über den Eingangsanschlüssen 20, 21 geschaltet. Mit Hilfe des Zerhackers 22 und der beiden Eingangskondensatoren wird die an den Eingangsanschlüssen 20, 21 anliegende Gleichspannung in ein Wechselsignal umgewandelt, das über den Transformator TR3 auf die Sekundärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 14 übertragen wird. Dazu ist die Sekundärwicklung 27 des Transformators TR3 mit einem Anschluss mit dem Mittenabgriff zwischen zwei Kondensatoren C9, C10 auf der Sekundärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 14 und mit dem anderen Anschluss der Sekundärwicklung 27 mit dem Mittenabgriff zwischen zwei Gleichrichterdioden D5, D6 verbunden. Die potentialgetrennt auf der Sekundärseite der Einspeisungsschaltung 14 zur Verfügung gestellte Wechselspannung wird so in eine Gleichspannung umgewandelt. Insgesamt weist die gezeigte Schaltung also eine 4-Port-Trennung auf, wobei unter Weglassung des Transformators TR3 auch eine 3-Port-Trennung realisierbar ist.The for the supply of the transformer 7 . 8th and the input circuit 4 provided auxiliary power supply circuit 14 has two input terminals 20 . 21 on, over which a chopper 22 is switched. Its departure 23 is with the primary winding 24 a transformer TR3 in the auxiliary power supply circuit 14 coupled. The primary winding 24 is with her second connection to the tap 26 between two input capacitors C11, C12 across the input terminals 20 . 21 connected. With the help of the chopper 22 and the two input capacitors will be at the input terminals 20 . 21 applied DC voltage in an AC signal, via the transformer TR3 to the secondary side of the auxiliary power supply circuit 14 is transmitted. This is the secondary winding 27 of the transformer TR3 having a terminal with the center tap between two capacitors C9, C10 on the secondary side of the auxiliary power supply circuit 14 and with the other terminal of the secondary winding 27 connected to the center tap between two rectifier diodes D5, D6. The isolated on the secondary side of the feed circuit 14 provided AC voltage is thus converted into a DC voltage. Overall, therefore, the circuit shown has a 4-port isolation, whereby the omission of the transformer TR3 and a 3-port separation can be realized.

Auf der Sekundärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 14 ist nun eine als Ganzes mit 28 bezeichnete Regeleinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe die von der Einspeisungsschaltung 14 abgegebene Versorgungsspannung an den jeweiligen aktuellen Leistungsbedarf der Schaltung angepasst wird. Bei dieser Regeleinrichtung handelt es sich um einen DC-DC-Wandler 29, der in üblicher Fly-Back-Konfiguration – beispielsweise wie bei Schaltnetzteilen – aufgebaut ist. Dabei wird der Pulsweitenmodulationsregler 31 über dessen positiven Versorgungsanschluss mit Spannung versorgt. Die Primärwicklung 30 des DC-DC-Wandlers 29 ist dabei mit ihrem ersten Anschluss an die Diode D5 angeschlossen und der zweite Anschluss der Primärwicklung 30 über die Drain-Source-Strecke 32 eines MOSFETs 33 mit dem negativen Versorgungsanschluss des Pulsweitenmodulationsreglers 31 verbunden. Der Regelausgang des Pulsweitenmodulationsreglers 31 ist mit dem Gate 34 des MOSFETs 33 verbunden. Sein Regeleingang ist über eine Leitung 35 mit der Verbindungsleitung 38 zwischen der Eingangsschaltung 4 und der Live-Zero-Schaltung 13 verbunden, womit die an der Eingangsschaltung 4 anliegende Teilspannung als Regelgröße erfasst wird. Entsprechend wird durch Pulsweitenmodulation die vom DC-DC-Wandler 29 übertragene, nach der Sekundärwicklung 36 durch eine Diode D7 mit Glättungskondensator C13 in ein Gleichspannungssignal umgewandelte Leistung so geregelt, dass die Spannung an der Eingangsschaltung 4 konstant gehalten wird. Die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 29 ergibt sich demnach durch die Addition der Versorgungsspannungen für die Modulatorschaltungen 11, 12 mit dem Eigenspannungsbedarf der Live-Zero-Schaltung 13 und der Eingangsschaltung 4.On the secondary side of the auxiliary power supply circuit 14 is now one as a whole with 28 designated control device provided with the help of the feed circuit 14 delivered supply voltage is adapted to the current power requirements of the circuit. This control device is a DC-DC converter 29 , which is built in the usual fly-back configuration - for example, as with switching power supplies. In this case, the pulse width modulation controller 31 supplied with voltage via its positive supply connection. The primary winding 30 of the DC-DC converter 29 is connected with its first connection to the diode D5 and the second terminal of the primary winding 30 over the drain-source route 32 a MOSFET 33 with the negative supply connection of the pulse width modulation controller 31 connected. The control output of the pulse width modulation controller 31 is with the gate 34 of the MOSFET 33 connected. Its control input is via a line 35 with the connection line 38 between the input circuit 4 and the live zero circuit 13 connected, bringing to the input circuit 4 applied partial voltage is detected as a controlled variable. Accordingly, by the pulse width modulation of the DC-DC converter 29 transmitted, after the secondary winding 36 Power converted by a diode D7 with smoothing capacitor C13 into a DC signal is controlled so that the voltage at the input circuit 4 is kept constant. The output voltage of the DC-DC converter 29 results from the addition of the supply voltages for the modulator circuits 11 . 12 with the residual power requirement of the live zero circuit 13 and the input circuit 4 ,

Eine Ausführung der Regeleinrichtung 28 als DC-DC-Wandler mit Pulsweitenmodulationsregler in grundsätzlich bekannter SEPIC-Konfiguration ist ebenfalls möglich.An embodiment of the control device 28 as a DC-DC converter with pulse width modulation controller in basically known SEPIC configuration is also possible.

Zusammenfassend zeigt die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 28 mit DC-DC-Wandler 29 den vorteilhaften Effekt, dass sich die Ausgangsspannung des Wandlers 29 in Abhängigkeit vom tatsächlich benötigten Spannungsbedarf einstellt. Das aufgezeigte Schaltungskonzept reduziert damit die Aussteuerungsabhängigkeit der Verlustleistung, indem die Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung in Abhängigkeit von der momentan erforderlichen Ausgangsspannung eingestellt wird.In summary, the control device according to the invention 28 with DC-DC converter 29 the advantageous effect that the output voltage of the converter 29 depending on the actual required voltage requirements. The circuit concept shown thus reduces the modulation dependence of the power loss by the supply voltage of the output circuit is set in dependence on the currently required output voltage.

Claims

Signal multiplier, in particular signal doubler for measuring signals, in particular dead-zero or live zero-measuring signals, comprising - an input ( 1 ) with an input circuit ( 4 ), - at least two connected transformers ( 7 . 8th ) for the potential-separated transmission of the measuring signal to at least two outputs ( 9 . 10 ) and - an auxiliary energy supply circuit ( 14 ) to Supply of transformers ( 7 . 8th ), characterized by - a control device ( 28 ) in the auxiliary power supply circuit ( 14 ) for adapting the supply voltage of the signal multiplier to the respectively current power requirement of the at least the input circuit ( 4 ) and the transformers ( 7 . 8th ) comprehensive circuit.

Signal multiplier according to claim 1, characterized in that the control device ( 28 ) at a by a transformer (TR3) isolated auxiliary power supply device ( 14 ) is arranged on the secondary side.

Signal multiplier according to claim 1 or 2, wherein the outputs ( 9 . 10 ) primary-side modulator circuits ( 11 . 12 ) in the transformers, characterized in that the modulator circuits ( 11 . 12 ) with the input circuit ( 4 ) are connected in series, wherein by means of the control device ( 28 ) the voltage at the input circuit ( 4 ) is stable.

Signal multiplier according to claim 3, characterized in that the control device ( 28 ) as a DC-DC converter ( 29 ) with pulse width modulation controller ( 31 ) in fly-back or SEPIC configuration.

Signal multiplier according to Claim 4, characterized in that the pulse width modulation controller ( 31 ) to the at the input circuit ( 4 ) lying partial voltage as a controlled variable accesses.