DE102006009506B4

DE102006009506B4 - Bidirektionaler, galvanisch getrennter Übertragungskanal

Info

Publication number: DE102006009506B4
Application number: DE102006009506A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Blanke; Heinz-Wilhelm Meier
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: EP2002413B1; CN101421765A; WO2007098909A1; RU2008138557A; ES2388350T3; JP2009528736A; CN101421765B; RU2413308C2; US20090243765A1; EP2002413A1; US7859427B2; JP5155192B2; DK2002413T3; DE102006009506A1

Abstract

Anordnung zur potentialgetrennten, bidirektionalen Übertragung von Gleich- und Wechselstromsignalen als Messsignale und Meldesignale zwischen einem ersten Sende- und Empfangssystem (1) und einem zweiten Sende- und Empfangssystem (2), umfassend:
– Abschnitte (6a, 6b; 7a, 7b; 8a, 8b) eines Sende- und Empfangsleitungspaares, welche die beiden Sende- und Empfangssysteme (1, 2) über einen einzigen Kanal in Zweidrahtleitungstechnik verbinden, wobei die Abschnitte ein primärseitiges Anschlussleitungspaar (6a, 6b), ein sekundärseitiges Verbindungsleiterpaar (7a, 7b) und ein Ausgangsleitungspaar (8a, 8b) enthalten;
– ein Übertrager (3) mit einer Primärwicklung (31) und einer Sekundärwicklung (32) zur galvanischen Trennung des primärseitigen Anschlussleitungspaares (6a, 6b) zu dem sekundärseitigen Verbindungsleitungspaar (7a, 7b);
– ein Stromwandler (4) unter Einschluss des Übertragers (3) mit einem Primärkreis (45) und einem Sekundärkreis (46) zur Wandlung von primärseitigen Signalen in sekundärseitige Signale und umgekehrt, wobei Mittel vorgesehen sind, um im Primärkreis (45) vom ersten System (1) zugeführte Gleichstromsignale (I_N1) in Wechselstromsignale und im...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur potentialgetrennten Übertragung von Gleich- und Wechselstromsignalen als Messsignale und Gleich- und Wechselspannungssignale als Meldesignale zwischen zwei Sende- und Empfangssystemen.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartige Anordnung wird z. B. in DE 297 18 405 U1 , DE 298 16 659 U1 und EP 0 658 866 B1 beschrieben. In diesen Dokumenten werden Verfahren offenbart, bei denen in einem ersten Kanal das Messsignal und in einem zweiten Kanal das Meldesignal übertragen werden. Der erste Kanal umfasst eine Koppelstufe und der zweite Kanal einen Übertrager oder eine weitere Koppelstufe. Insgesamt werden also zwei galvanisch getrennte Kanäle benötigt. Die Verwendung von zwei galvanisch getrennten Kanälen ist aber kostenintensiv und erfordert einen hohen Platzbedarf.
Bei einem Signal-Speisetrenner für Messsignale ( DE 103 22 262 A1 ) wird zwar nur ein Zweileitungskanal für die Übertragung der Signale benötigt, bei denen ein Spannungswandler für die galvanische Trennung in der Übertragungstrecke benutzt wird, jedoch benötigt man eine Hilfsenergie-Einspeiseschaltung, um die empfangenen Spannungssignale je nach aktuellem Leistungsbedarf aufzubereiten. Bei dieser Schaltung können jedoch keine Sende- und Empfangssysteme mit aktiven Stromausgängen angeschlossen werden, weil die Energie von der Einspeiseschaltung zur Verfügung gestellt wird und so zwei Spannungsquellen gegeneinander arbeiten würden.
Aus DE 27 10 291 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung bekannt, bei denen ein Verstärker einen virtuellen Kurzschluss an den Ausgangsklemmen eines Trenntransformators erzeugt. Dies dient zur Verbreiterung der Bandbreite der übertragenen Signale und zur Verringerung der geometrischen Abmessungen von Eingangs-Trenntransformatoren.
Aus DE 35 33 278 C2 ist eine Schaltungsanordnung zur potentialfreien Signalübertragung zwischen zwei elektronischen Einheiten über einen Transformator bekannt, bei dem die Sekundärwicklung des Transformators beim Vorliegen eines Rückmeldesignals kurzgeschlossen wird. Ansteuersignal und Rückmeldesignal müssen jedoch nacheinander erfolgen.
Aus DE 102 44 665 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur galvanisch getrennten Signalübertragung eines Spannungssignals in einer Richtung bekannt.
Aus DE 34 22 252 C2 ist eine Schaltungsanordnung mit galvanischer Trennung für analoge Gleichstromsignale in einer Richtung bekannt. Auf der Sekundärseite des Übertragers ist eine Operationsverstärkerschaltung vorgesehen, die bei zu großem Bürdewiderstand aktiv wird und den Eingangsspannungsbedarf auf der Primärseite begrenzt.
Allgemeine Erfindungsbeschreibung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die potentialgetrennte Übertragung von Messsignalen von einem ersten Sende- und Empfangssystem auf ein zweites Sende- und Empfangssystem sowie die gleichzeitige Übertragung von Meldesignalen zwischen dem zweiten Sende- und Empfangssystem auf das erste Sende- und Empfangssystem zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 10 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden über den gleichen galvanisch getrennten Kanal ein vorzugsweise Gleichstromsignal als Messsignal und ein Gleich-/Wechselspannungsrücksignal als Meldesignal übertragen. Hierzu befinden sich zwischen zwei elektronischen Geräten ein Stromwandler mit Übertrager und ein elektronischer I/I-Wandler oder I/U-Wandler. Die beiden elektronischen Geräte, der Stromwandler und der I/I- oder I/U-Wandler sind hintereinander mittels Zweidrahtleitungen verbunden. Der Übertrager dient der galvanischen Trennung der Stromkreise der beiden elektronischen Geräte. Der Stromwandler wird im Kurzschluss betrieben, so dass im wesentlichen keine Leistung übertragen wird.
Auf der Primärseite des Stromwandlers wird das vom ersten elektronischen Gerät ankommende vorzugsweise Gleichstromsignal in ein Wechselstromsignal umgewandelt.
Auf der Sekundärseite wird aus dem dort eintreffenden Wechselstromsignal wieder ein Gleichstromsignal gemacht.
Zur schaltungstechnischen Realisierung des Stromwandlers bieten sich mehrere Möglichkeiten an. Zum einen kann der Stromwandler als HalbbrUckenstromwandler mit aktiven Schaltern (Transistoren, Analogschaltern, etc.), die auf der Sekundärseite durch Dioden gebildet werden können, zum anderen als Vollbrückenstromwandler realisiert werden. Auch ist es möglich, den Stromwandler mit einem Übertrager mit Mittelanzapfung zu konstruieren.
Um sicherzustellen, dass der Übertrager im Kurzschluss betrieben wird, wird auf der Sekundärseite des Stromwandlers ein I/I-Wandler eingesetzt, der den Stromwandler vom zweiten elektronischen Gerät entkoppelt.
Soll dass zweite elektronische Gerät ein Rücksignal an das erste elektronische Gerät abgeben, so kann dieses als Impuls-, Gleich- oder Wechselspannungssignal an verschiedenen Stellen auf der Sekundärseite des Stromwandlers eingespeist werden.
Ein erste Möglichkeit zur Einspeisung des Rücksignals besteht darin, ein mit der Sekundärseite des Stromwandlers in Reihe geschaltete gesteuerte Spannungsquelle zu verwenden. Ferner kann das Rücksignal an einem Eingang des I/I- oder I/U-Wandlers angelegt werden.
Die Einspeisung dieses Impuls-, Gleich- oder Wechselspannungssignals führt zu einer Aufhebung des Kurzschlusses der Sekundärseite des Stromwandlers, was dazu führt, dass das vom ersten elektronischen Gerät ausgesandte vorzugsweise Gleichstromsignal nur dann weiterhin getrieben werden kann, wenn primärseitig die Spannung um den Wert des sekundärseitig eingespeisten Impuls-, Gleich- oder Wechselspannungssignals erhöht wird. Auf diese Weise kann primärseitig das sekundärseitig eingespeiste Impuls-, Gleich- oder Wechselspannungssignal gemessen werden.
Im Ergebnis ist kein zweiter galvanisch getrennter Übertragungskanal notwendig, um entgegen der Richtung des vorzugsweise Gleichstromsignals ein Rücksignal zu übertragen.
Haupteinsatzbereiche für eine derartige Anordnung sind Trennverstärker mit HART-Kommunikation im Ex- und Nicht-Ex-Bereich. Bei dem im Ex-Bereich verwendeten elektronischen Gerät kann es sich beispielsweise um Vorrichtungen zur Messung von Druck- und/oder Temperaturwerten oder einem Aktor, z. B. einem Ventil, handeln. Bei dem im Nicht-Ex-Bereich eingesetzten elektronischen Gerät kann es sich beispielsweise um einen Leitstand zur Überwachung der „im Feld” gemessenen Werte handeln.
Weiterhin ist es denkbar, die erfindungsgemäße Anordnung zur Rückmeldung von Melde- und Statussignalen, z. B. „Drahtbruch”, „Kurzschluss” etc., zu verwenden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen.
Dabei zeigt:
1 in einem Blockschaltbild eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemäßen Anordnung,
2 in einem Prinzipschaltbild hinsichtlich der Einkoppelung der Meldesignale den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung,
3 in einem Prinzipschaltbild hinsichtlich der Einkoppelung der Meldesignale den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung,
4 den Schaltungsaufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung nach 3,
5 den Schaltungsaufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung nach 2,
6 in einem Schaltbild die erfindungsgemäße Anordnung nach 2 mit einem beispielhaften Halbbrückenstromwandler,
7 in einem Schaltbild die erfindungsgemäße Anordnung nach 3 mit einem beispielhaften Halbbrückenstromwandler,
8 in einem Schaltbild die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Vollbrückenstromwandler,
9 in einem Schaltbild die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Übertrager mit Mittelanzapfung als Stromwandler, und
10 in einem Schaltbild die erfindungsgemäße Anordnung nach 3 mit einem weiteren beispielhaften Halbbrückenstromwandler.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt in einem Schaltbild den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Ein erstes Sende- und Empfangssystem 1 ist über eine Zweidrahtleitung, die ein Eingangsleitungspaar 6a und 6b umfasst, mit einem Übertrager 3 verbunden, der Teil eines Stromwandlers 4 ist. Der Übertrager 3 weist eine primärseitige Wicklung 31 und eine sekundärseitige Wicklung 32 auf. Diese primär- bzw. sekundärseitigen Wicklungen 31 und 32 definieren eine Primärseite 45 (= Primärkreis) und eine Sekundärseite 46 (= Sekundärkreis) des Stromwandlers 4. Mit der Primärseite 45 und der Sekundärseite 46 können für die gesamte Anordnung zwei Bereiche A und B unterschieden werden, die beispielsweise für Ex- und Nicht-Ex-Bereich stehen. Da zwischen Primärseite 45 und Sekundärseite 46 keine leitende Verbindung besteht, sind die beiden Seiten galvanisch getrennt.
Die Sekundärseite 46 des Stromwandlers 4 ist über einen weiteren Abschnitt der Zweidrahtleitung, die ein Verbindungsleitungspaar 7a und 7b enthält, mit der Eingangsseite eines elektronischen I/I- oder I/U-Wandlers 5 verbunden. Die Ausgangsseite des elektronischen I/I- oder I/U-Wandlers 5 ist mittels eines weiteren Abschnitts der Zweidrahtleitung, die ein Ausgangsleitungspaar 8a und 8b enthält, mit einem zweiten Sende- und Empfangssystem 2 verbunden. Ferner ist der elektronische I/I- oder I/U-Wandler 5 an einen Meldesignalgeber 9 angeschlossen.
Ein erstes Sende- und Empfangssystem 1 führt dem Stromwandler 4 über das Eingangsleitungspaar 6a, 6b den Primärstrom zu. Bei diesem Primärstrom kann es sich um ein Normstromsignal I_N1 (0–20 mA, 4–20 mA) handeln. Bei dieser Signalrichtung für Messsignale wird die Sekundärseite des Stromwandlers 4 im Kurzschluss betrieben. Dies bedeutet, dass die Sekundärspannung gleich Null ist, so dass praktisch keine Leistung übertragen wird. Der sekundärseitig fließende Strom I_N2 ist proportional zum Primärstrom I_N1 und zum Übersetzungsverhältnis von Primärwicklung 31 zu Sekundärwicklung 32. Sind die Wicklungszahlen von Primärseite 45 und Sekundärseite 46 gleich, so ist der Primärstrom I_N1 gleich dem Sekundärstrom I_N2, jedoch sind die Stromrichtungen entgegengesetzt. Signalrichtung und Stromrichtung stimmen somit nicht überein. Würde der Stromwandler 4 das zweite Sende- und Empfangssystem selbst treiben, würde er nicht mehr im Kurzschluss betrieben, was zur Folge hätte, dass bei zu großer Leistungsübertragung der lineare Stromübertragungsbereich verlassen würde.
Zur Entkopplung des Stromwandlers 4 von dem zweiten Sende- und Empfangssystem 2 wird ein elektronischer I/I- oder I/U-Wandler 5 verwendet, der als Operationsverstärkeranordnung ausgebildet ist. Diese Operationsverstärkeranordnung 5 sorgt durch seine Beschaltung als invertierender Verstärker dafür, dass der Anschluss mit der Rückführung durch den Regelvorgang auf virtuelle Masse gelangt, womit die beiden Eingänge P und N auf gleiches Potential kommen, so dass der sekundärseitige Kurzschluss des Stromwandlers 4 sichergestellt ist. Es handelt sich hierbei um einen sog. virtuellen Kurzschluss. Ein Meldesignalgeber 9 ist dabei als kurzgeschlossen zu betrachten. Seine Spannung U₂ ist gleich Null.
Dies wird in 2 verdeutlicht. Die Operationsverstärkeranordnung 5 umfasst einen Operationsverstärker 51 mit einem P-Eingang, einem N-Eingang und einem Ausgang. Der Operationsverstärker 51 ist an seinem P-Eingang mit Massepotential verbunden, sein N-Eingang ist an die Sekundärseite 46 des Stromwandlers 4 angeschlossen. Der Ausgang ist über das zweite Sende- und Empfangssystem 2 auf den N-Eingang rückgeführt. Der Operationsverstärker 51 der Operationsverstärkeranordnung 5 wird mit der Spannung U_V versorgt. Sowohl der Fußpunkt des Stromwandlers 4 als auch der P-Eingang des Operationsverstärkers 51 der Operationsverstärkeranordnung 5 liegen auf gleichem Potential, da sie beide mit Massepotential verbunden sind. Auch hier ist der Meldesignalgeber 9 als kurzgeschlossen zu betrachten. In Verbindung mit dem virtuellen Kurzschluss des Operationsverstärkers 51 wird der Stromwandler 4 im Kurzschluss betrieben. Durch die Hochohmigkeit der Operationsverstärkereingänge ist gewährleistet, dass der Strom durch das zweite Sende- und Empfangssystem 2 exakt gleich dem Sekundärstrom I_N2 des Stromwandlers 4 ist. Der durch das zweite Sende- und Empfangssystem 2 fließende Strom wird vom Operationsverstärker 51 geliefert. Die Energie hierfür erhält der Operationsverstärker 51 von seiner Versorgungsspannung U_V.
Um die Übertragung eines Signals entgegen der Signalrichtung des Normstromsignals I_N1 zu ermöglichen, wird der Meldesignalgeber 9, der eine gesteuerte Spannungsquelle mit der Spannung U₂ darstellt, im Sekundärkreis 46 des Stromwandlers 4 in Reihe eingeschaltet. Diese Spannungsquelle hebt den Kurzschluss des Stromwandlers 4 im Sekundärkreis 46 auf, nicht jedoch den virtuellen Kurzschluss des Operationsverstärkers. Jedoch kann das Normstromsignal I_N1 nicht mehr mit seinem ursprünglichen Wert weiter fließen. Soll dieses Signal trotz der sekundärseitig eingespeisten Spannung U₂ weiterhin fließen, so muss primärseitig das als Eingangsstromquelle dienende erste Sende- und Empfangssystem 1 seine Spannung U₁ um genau den Wert erhöhen, der dem Wert der sekundärseitig eingespeisten Spannung U₂ entspricht. Im Ergebnis wird die sekundärseitig eingespeiste Spannung U₂ auf der Primärseite 45 messbar. Auf diese Weise erfolgt die Signalübertragung des Meldesignals.
3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel eine weitere Möglichkeit zur Übertragung der sekundärseitig eingespeisten Spannung U₂ in den Primärkreis 45. Die als Meldesignalgeber 9 dienende gesteuerte Spannungsquelle wird in diesem Ausführungsbeispiel an den hochohmigen Eingang des Operationsverstärkers 51, der in 2 Masseanschluss war, angeschlossen. Durch dieses Einschalten wird der sekundärseitige Kurzschluss des Stromwandlers 4 aufgehoben, da die Spannungsquelle 9 wirkungsmäßig in Reihe mit dem Stromwandlerausgang 46 liegt. Daher muss die Primärspannung U₁ um den Wert der sekundärseitig eingespeisten Spannung U₂ erhöht werden, damit das Normstromsignal I_N1 weiterhin fließen kann. Das Meldesignal wird auf diese Weise auf der Primärseite messbar.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der P-Eingang des Operationsverstärkers 51 der Operationsverstärkeranordnung 5 über einen Widerstand R mit Massepotential verbunden ist. Der N-Eingang liegt an der Sekundärseiteseite 46 des Stromwandlers 4. Im Ausgang des Operationsverstärkers 51 liegt ein Transistor T zur Verstärkung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 51 und zur Rückführung dieses Ausgangssignals auf den N-Eingang.
Besonders vorteilhaft ist diese Anordnung für die galvanisch getrennte Übertragung eines Wechselspannungssignals U_W eines Wechselspannungssignalgebers 11 von dem zweiten Sende- und Empfangsgerät 2 aus, das als Feldgerät mit einer Bürde 15 ausgestaltet sein kann. Dabei bildet das Ausgangsleitungspaar 8a, 8b den über das Feld laufenden Zweileitungskanal. Das Wechselspannungssignal U_W wird auf das Normstromsignal I_N2 aufmoduliert, um Prozessdaten entgegengesetzt zur Signalrichtung des Normstromsignals I_N1 zu übertragen. Das Wechselspannungssignal U_W wird aus der Ausgangsleitung 8a mittels eines Kondensator C_K ausgekoppelt und liegt unter Berücksichtigung, dass die Betriebsspannung U_B einer Betriebsspannungsquelle 10 für Wechselspannung als Kurzschluss zu betrachten ist, über den Widerstand R am hochohmigen Eingang des Operationsverstärkers 51 an, der mit Masse verbunden ist. Somit liegt das Wechselspannungssignal U_W über den virtuellen Kurzschluss des Operationsverstärkers 51 in Reihe mit dem Ausgang des Stromwandlers 4 und wird auf die Primärseite 45 des Stromwandlers 4 übertragen und dort messbar.
5 zeigt eine im Prinzip gleiche Anordnung wie 4, allerdings mit dem Unterschied, dass die Einspeisung des Wechselspannungssignals U_W am Fusspunkt des Sekundärkreises 46 des Stromwandlers 4 mittels eines Operationsverstärkers 52 erfolgt, der als niederohmige Spannungsquelle 92 betrieben wird.
Die 6 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Stromwandleranordnung 4, wie sie in die Schaltungsanordnung der Erfindung eingefügt sind.
6 zeigt den Stromwandler 4 als Halbbrückenstromwandler mit aktiven Schaltern. Hierbei sorgen ein primärseitiger Taktgeber 43 und ein sekundärseitiger Taktgeber 44 dafür, dass ein primärseitiger Schalter 35 und ein sekundärseitiger Schalter 36 zwischen zwei Zuständen synchron hin- und hergeschaltet werden, so dass auf der Primärseite 45 das Normstromsignal I_N1, abhängig von dem durch den primärseitigen Taktgeber 43 vorgegebenen Takt, die Stromrichtung ändert, wozu auf der Primärseite 45 zwei Kondensatoren 33a und 33b abwechselnd beaufschlagt werden. Entsprechendes geschieht auf der Sekundärseite 46 mittels zweier Kondensatoren 34a und 34b. Das Wechselspannungssignal U_W wird in dieser Ausführungsform am Fußpunkt der Sekundärseite 46 des Stromwandlers 4 eingespeist. Die Frequenz der Umschaltung (etwa 100–200 kHz) ist an die Induktivität der Wicklungen 31, 32 und die Kapazität der Kondensatoren 33a, 33b, 34a, 34b angepasst.
7 zeigt den Stromwandler 4 als Halbbrückenstromwandler mit aktiven Schaltern in der gleichen Ausführungsform wie in 6. Der Unterschied zwischen 7 und 6 besteht darin, dass in 7 die Einspeisung des Wechselspannungssignals U_W durch eine Spannungsquelle 9 erfolgt, die am P-Eingang des Operationsverstärkers 51 angeschlossen ist, wie dies mit 3 beschrieben ist.
8 zeigt den Stromwandler 4 als Vollbrückenstromwandler mit aktiven Schaltern. Hierbei schaltet ein primärseitiger Taktgeber 43 zwei primärseitige Schalter 37a und 37b zwischen zwei Positionen. Der zyklische Positionswechsel der beiden primärseitigen Schalter 37a und 37b wandelt das eingehende Gleichstromsignal I_N1 in ein Impulssignal oder Wechselstromsignal um. Synchron zum primärseitigen Taktgeber 43 schaltet ein sekundärseitiger Taktgeber 44 zwei sekundärseitige Schalter 38a und 38b zwischen zwei Positionen. Der zyklische Positionswechsel der beiden sekundärseitigen Schalter 38a und 38b wandelt das auf der Sekundärseite 46 eingehende Impulssignal oder Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal I_N2 um.
9 zeigt den Stromwandler 4 in der Bauform als Übertrager 3 mit Mittelanzapfung. Hierbei schaltet ein primärseitiger Taktgeber 43 zwei primärseitige Schalter 43a und 43b zwischen zwei Positionen. Der zyklische Positionswechsel der beiden primärseitigen Schalter 43a und 43b wandelt das eingehende Gleichstromsignal I_N1 in ein Impulssignal oder Wechselstromsignal um. Synchron zum primärseitigen Taktgeber 43 schaltet ein sekundärseitiger Taktgeber 44 zwei sekundärseitige Schalter 44a und 44b zwischen zwei Positionen. Der zyklische Positionswechsel der beiden sekundärseitigen Schalter 44a und 44b wandelt das auf der Sekundärseite 46 eingehende Impuls- oder Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal I_N2 um.
10 zeigt den Stromwandler 4 als Halbbrückenstromwandler mit Dioden 47, 48. Primärseitig wird das Gleichstromsignal I_N1 in der bereits in 6 und 7 dargestellten Weise in ein Impulssignal oder Wechselstromsignal umgewandelt. Sekundärseitig wird das eintreffende Impulssignal oder Wechselstromsignal mittels der Dioden 47 und 48 und zweier Kondensatoren 34a und 34b in ein Gleichstromsignal I_N2 umgewandelt.
Ein möglicher Anwendungsfall für die vorstehend beschriebenen Anordnungen besteht darin, dass das erste Sende- und Empfangssystem 1 beispielsweise ein Speicherprogrammiertes System SPS ist, das das Normstromsignal I_N1 erzeugt. Dieses Normstromsignal I_N1 führt auf der Sekundärseite 46 dazu, dass ein Aktor (= Bürde 15 als Teil eines Feldgerätes) seinen Zustand ändert. Dieser Aktor kann z. B. ein Ventil sein, das in Abhängigkeit von dem Normstromsignal I_N1 seinen Zustand ändert. Über das Rücksignal kann das Ventil den Ist-Zustand der Ventilstellung auf die Primärseite 45 zurückmelden. Sekundärseitig könnte aber auch eine komplexe Elektronik wie beispielsweise ein Busteilnehmer das zweite Sende- und Empfangssystem 2 darstellen.
Ein weiterer möglicher Anwendungsfall für die erfindungsgemäße Anordnung besteht darin, dass auf der Primärseite 45 das erste Sende- und Empfangssystem 1 einen Temperatursensor beinhaltet, der das Normstromsignal I_N1 erzeugt. Das zweite Sende- und Empfangssystem 2 ist dann beispielsweise eine Auswerteschaltung. Auf diese Weise kann eine vom Sensor gemessene Temperatur angezeigt und/oder für Steueurungsaufgaben verwendet werden. Über das Rücksignal kann der Sensor parametriert werden.
Allgemein kann das erste Sende- und Empfangssystem 1 und/oder das zweite Sende- und Empfangssystem 2 als Feldgerät ausgebildet sein, wonach der Zweileitungskanal 6a, 6b und/oder 8a, 8b die über Feld laufende Übertragungsstrecke darstellen, die Signale in beide Richtungen übermitteln kann. Der Stromwandler 4 und die Operationsverstärkeranordnung 5 kann in diesem Zusammenhang als „Zentrale” betrachtet werden. Diese Zentrale weist nur wenig Baugruppen auf und kann auf kleinem Raum untergebracht werden, wie es erwünscht ist.

Claims

Anordnung zur potentialgetrennten, bidirektionalen Übertragung von Gleich- und Wechselstromsignalen als Messsignale und Meldesignale zwischen einem ersten Sende- und Empfangssystem (1) und einem zweiten Sende- und Empfangssystem (2), umfassend: – Abschnitte (6a, 6b; 7a, 7b; 8a, 8b) eines Sende- und Empfangsleitungspaares, welche die beiden Sende- und Empfangssysteme (1, 2) über einen einzigen Kanal in Zweidrahtleitungstechnik verbinden, wobei die Abschnitte ein primärseitiges Anschlussleitungspaar (6a, 6b), ein sekundärseitiges Verbindungsleiterpaar (7a, 7b) und ein Ausgangsleitungspaar (8a, 8b) enthalten; – ein Übertrager (3) mit einer Primärwicklung (31) und einer Sekundärwicklung (32) zur galvanischen Trennung des primärseitigen Anschlussleitungspaares (6a, 6b) zu dem sekundärseitigen Verbindungsleitungspaar (7a, 7b); – ein Stromwandler (4) unter Einschluss des Übertragers (3) mit einem Primärkreis (45) und einem Sekundärkreis (46) zur Wandlung von primärseitigen Signalen in sekundärseitige Signale und umgekehrt, wobei Mittel vorgesehen sind, um im Primärkreis (45) vom ersten System (1) zugeführte Gleichstromsignale (I_N1) in Wechselstromsignale und im Sekundärkreis (46) zurück in Gleichstromsignale (I_N2) zu wandeln; – ein elektronischer I/I- oder I/U-Wandler (5), dessen Eingangsseite über das sekundärseitige Verbindungsleitungspaar (7a, 7b) mit dem Sekundärkreis (46) verbunden ist, um die Messsignalübertragung im Kurzschluss zu betreiben, und an dessen Ausgangsseite über das Ausgangsleitungspaar (8a, 8b) Messnutzsignale als Strom- oder Spannungssignale an das zweite Sende- und Empfangssystem (2) abgegeben werden; und – ein Meldesignalgeber (9), der an die Sekundärseite (46) des Stromwandlers (4) für die Meldesignalübertragung angeschlossen ist, um ein Meldesignal (U₂) im Primärkreis (45) des Stromwandlers (4) messbar zu machen.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Meldesignalgeber (9) eine gesteuerte Spannungsquelle in Reihe mit dem Sekundärkreis (46) des Stromwandlers (4) darstellt, und dass das vom ersten Sende- und Empfangssystem (1) gelieferte Messsignal als ein Normstromsignal (I_N1) dem Primärkreis (45) des Stromwandlers (4) zugeführt wird.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Meldesignalgeber (9) an einem ersten Eingang eines Operationsverstärkers (51) des elektronischen I/I- oder I/U-Wandlers (5) angeschlossen ist, an dessen anderem, zweiten Eingang der Sekundärkreis (46) des Stromwandlers (4) anliegt, und dass der Ausgang des Operationsverstärkers (51) auf dem zweiten Eingang des Operationsverstärkers (51) rückgeführt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Sende- und Empfangssystem (2) eine Wechselspannungssignalquelle (11) aufweist, deren Wechselspannungssignal (U_W) auf das Signal (I_N2) des Ausgangsleitungspaares (8a, 8b) aufmoduliert wird, und dass ein Kondensator (C_K) vorgesehen ist, um das Wechselspannungssignal (U_W) auf einen Widerstand (R) im Eingang des I/I- oder I/U-Wandlers (5) auszukoppeln, wobei das Wechselspannungssignal den direkten Massebezug des elektronischen I/I- oder I/U-Wandlers (5) aufhebt und das erste Sende- und Empfangssystem (1) gezwungen wird, die gleiche Spannung (U_w) als Einspeisespannung (U₁) zur Verfügung zu stellen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Meldesignalgeber (9) durch eine niederohmige Spannungsquelle (92) gebildet wird, die einerseits an der Sekundärseite (46) des Stromwandlers (4) angeschlossen ist und andererseits über einen Kondensator (C_K) an ein Feldgerät mit einer Bürde (15) und einem Wechselspannungssignalgeber (11) angeschlossen ist, wobei das Meldesignal, als Wechselspannungssignal über das primärseitige Anschlussleitungspaar (6a, 6b) zum ersten Sende- und Empfangssystem (1) übertragen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwandler (4) sowohl primärseitig als auch sekundärseitig als Halbbrückenwandler ausgeführt ist und Schaltelemente (35, 36) enthält, die synchron umschaltbar sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umschaltung im Primärkreis (45) aktive Schalter (35, 37a, 37b, 43a, 43b) und im Sekundärkreis (46) entweder aktive Schalter (36, 38a, 38b, 44a, 44b) oder Dioden (47, 48) vorgesehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das primärseitige Anschlussleitungspaar (6a, 6b) und das sekundärseitige Verbindungsleitungspaar (7a, 7b) zur Bildung eines Vollbrückenstromwandlers mit aktiven Schaltern (37a, 37b; 38a, 38b) synchron umschaltbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertrager (3) in seiner Primärseite (45) und seiner Sekundärseite (46) mittenangezapft ist, und dass die dem Übertrager (3) benachbarten Abschnitte (6a, 6b₁ , 6b₂ ; 7a, 7b₁ , 7b₂ ) des Sende- und Empfangsleitungspaares synchron umschaltbar sind.
Verfahren zur potentialgetrennten, bidirektionalen Übertragung von Gleich- und Wechselstromsignalen als Messsignale und Meldesignale zwischen einem ersten Sende- und Empfangssystem (1) und einem zweiten Sende- und Empfangssystem (2) mit folgenden Schritten: a) in dem ersten Sende- und Empfangssystem (1) werden Messsignale gewonnen, die zur Übertragung über einen Zweileitungskanal mit galvanisch voneinander getrennten Abschnitten (6a, 6b; 7a, 7b; 8a, 8b) als Gleich- und Wechselstromsignale aufbereitet werden; b) die Gleich- und Wechselstromsignale werden unter Benutzung eines Stromwandlers (4) mit Primärkreis (45) und Sekundärkreis (46) unter Einbezug eines Übertragers (3) über den Zweileitungskanal einem elektronischen I/I- oder I/U-Wandler (5) zugeführt, wobei im Primärkreis (45) vom ersten System (1) zugeführte Gleichstromsignale (I_N1) in Wechselstromsignale und im Sekundärkreis (46) zurück in Gleichstromsignale (I_N2) gewandelt werden, und wobei der Sekundärkreis (46) für die Messsignalübertragung durch den I/I- oder I/U-Wandler im Kurzschluss betrieben wird; c) der elektronische I/I- oder I/U-Wandler (5) gewinnt aus den Gleich- und Wechselstromsignalen ein dem Messsignal korrespondierendes Strom- oder Spannungssignal zurück und stellt es dem zweiten Sende- und Empfangssystem (2) zur Verfügung; d) im Falle der Übertragung eines Meldesignals an das erste Sende- und Empfangssystem (1) vom zweiten Sende- und Empfangssystem (2) aus wird das Meldesignal dem Sekundärkreis (46) des Stromwandlers (4) zugeführt und über den Primärkreis (45) dem ersten Sende- und Empfangssystem (1) als Spannungsänderung zugeleitet; e) die Meldesignalspannung wird primärseitig (45) als die Spannungsänderung festgestellt, die benötigt wird, um das primärseitige Stromsignal (I_N1) aufrecht zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale Gleichstromsignale (I_N1) eines Messsignalgebers darstellen und zur Übertragung über den Stromwandler (4) zerhackt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleichstrom-Messsignale (I_N1) Normstromsignale einer vorgegebenen Stromstärke verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Meldesignale auf der Sekundärseite (46) eingespeiste Spannungssignale darstellen, die auf der Primärseite (45) durch Kompensation der Spannungsänderung an der Primärseite (45) nachweisbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Sende- und Empfangssystem (1) ein Speicher-programmierbares System verwendet wird und dass als zweites Sende- und Empfangssystem (2) eine gesteuerte Einrichtungbenutzt wird, die aufgrund des Messsignals reagiert und gegebenenfalls die Rücksendung eines Meldesignals veranlasst.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als gesteuerte Einrichtung ein Aktor verwendet wird, der in Abhängigkeit von dem Messsignal seinen Zustand oder seine Stellung ändert.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als gesteuerte Einrichtung ein Busteilnehmer verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als gesteuerte Einrichtung eine Auswerteschaltung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Sende- und Empfangssystem (1) eine Sensoreinrichtung verwendet wird.