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Die Erfindung betrifft eine Schaltung für Treiber und Systeme der Leistungselektronik mit mindestens einem Sender und einem Empfänger.
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Nach dem Stand der Technik geben Treiber analoge Messwerte über zum jeweiligen Messsignal analoge Signale aus. Die analogen Signale werden vom kundenseitigen Empfänger gefiltert, um Beeinflussungen des Messwertes durch EMV-Einkopplungen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) zu minimieren und in der Regel zusätzlich stets genau im selben zeitlichen Abstand zum Schaltzeitpunkt auszuwerten, um die Einflüsse durch die EMV in den Messwert so konstant wie möglich zu halten.
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Bei den EMV-Einkopplungen handelt es sich um kapazitive und/oder um induktive Einkopplungen. Derartige kapazitive und/oder induktive Störeinkopplungen wirken sich auf die Spannung, die am Analogausgang gemessen wird, direkt aus. Um ein geeignetes Messsignal zu erhalten, ist es deshalb üblicherweise notwendig, mehrere Methoden der Filterung zu kombinieren. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine massive Tiefpassfilterung: Ungeachtet ihrer Ursache ist die EMV-Störung, wenn sie nicht infolge eines Durchschlages durch die Isolation eines Kabels zwischen dem Sender und dem Empfänger entsteht, gleichanteilfrei und kann folglich mittels eines Tiefpasses auf Kosten der Grenzfrequenz der Messung reduziert werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das genannte Kabel bzw. die Signalleitung niederohmig abzuschließen. Damit ist eine Reduktion der maximalen Dauer von kapazitiv eingekoppelter sowie der Amplitude von induktiv eingekoppelter EMV möglich. Bei einer bekannten zeitlichen Verteilung der EMV-Störung ist eine Auswertung der Analogwerte immer zum gleichen Zeitpunkt relativ zum Schaltzeitpunkt oder zu anderen Auslösern von Störungen möglich.
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Obwohl sich die Impedanzen eines Analogsignales und einer Analogmasse voneinander sehr unterscheiden, ist es beispielsweise möglich, die Qualität eines interpretierten Signals durch eine differentielle Auswertung des Signals relativ zur Analogmasse zu verbessern.
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Ein derzeit verwendeter d. h. bekannter Analogausgang ist nicht direkt sondern nur über einen zusätzlichen Schaltungsaufwand parallelisierbar. Dieser zusätzliche Schaltungsaufwand bedingt bspw. Analogaddierer.
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Schaltungstechnisch benötigt sowohl die Ausgabe als auch die Interpretation eines vorzeichenbehafteten Signals beispielsweise eine zusätzliche negative Betriebsspannung.
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Die
EP 0 643 515 B1 beschreibt eine Schaltungsanordnung, die beispielsweise in einem Zweidraht-Bus-System in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Es handelt sich dabei um ein digitales System.
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Die
DE 102 35 158 A1 betrifft eine Wellenwiderstandsanpassungsschaltung, in der lediglich ein Sender vorgesehen ist.
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Auch gemäß
EP 0 337 762 A2 ist in einer Schaltung lediglich ein Sender vorgesehen.
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Die
WO2006/105747A1 beschreibt die Informationsübertragung im Gegentaktmodus, wobei hierbei ein zu übertragendes Signal auf zwei Signalleitungen gleich aufgeteilt wird.
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In Kenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art mit einem direkt parallelisierbaren Analogausgang mit erhöhter Störsicherheit zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Bei der Erfindung erfolgt eine Ausgabe der Analogsignale über zwei Spannungen, deren Differenz das Analogsignal bildet. Der Nullpunkt ist durch eine physikalische Grenze festgelegt; ist die Differenz der Ausgangsspannungen gleich Null, so ist ein prinzipbedingter Offset durch Unterschiede der Referenzspannungen V0 von Sender und Empfänger zueinander nicht mehr vorhanden.
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Bei der Parallelisierung von mindestens zwei Analogausgängen mitteln sich die einzelnen Signale über die Ausgangswiderstände; bei einer Strommessung ergibt das beispielsweise den durchschnittlichen elektrischen Strom pro Treiber.
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Weitere Vorteile bestehen darin, dass auch bei Übertragung vorzeichenbehafteter Messgrößen M keine negative Betriebsspannung erforderlich ist, woraus auf der Seite des Senders – und ggf. auf der Seite des Empfängers – niedrigere Kosten resultieren.
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Die erfindungsgemäße Schaltung weist einen vollsymmetrischen und volldifferentiellen Aufbau auf, weil alle Schaltungskomponenten in den beiden Schaltzweigen des mindestens einen Parallelzweiges zueinander identisch sind.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Sender EMV-störungsunabhängig ist, weil er nur einfache Spannungen erzeugt, was keine – schon durch das Schaltungskonzept entstehende – EMV-Probleme birgt. Ein weiterer Vorteil besteht in dem verbesserten Schutz des Senders und darin, dass auf der Seite des Empfängers nur ein schwacher EMV-Filter ausreichend ist.
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Dem Ausgangswiderstand des jeweiligen Schaltzweiges kann eine Clampingdiodenschaltung zugeordnet sein. Diese Clampingdiodenschaltung kann hinter dem zugehörigen Ausgangswiderstand vorgesehen sein, d. h. auf der Empfängerseite, oder vor dem Ausgangswiderstand. Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der jeweilige Ausgangswiderstand in zwei in Reihe geschaltete Reihenwiderstände unterteilt ist, und dass die zugehörige Clampingdiodenschaltung zwischen den beiden Reihenwiderständen des jeweiligen Ausgangswiderstandes vorgesehen ist. Durch eine Ausbildung der erfindungsgemäßen Schaltung mit Clampingdiodeneinrichtungen ergibt sich der Vorteil, dass eine kapazitive Rückkoppelung zwischen dem Sender und seinem Ausgang nicht mehr erforderlich ist, um Schwingungen eines Operationsverstärkers bei Anschluss eines Filters auf der Empfängerseite, der einen kapazitiven Eingang hat, zu verhindern. Ein im Vergleich zum Stand der Technik schwächerer EMV-Filter ist erfindungsgemäß anwendbar, weil das gemessene Signal von Störsignalen nur sehr geringfügig oder vernachlässigbar beeinflusst wird, solange das Signal am Eingang des Differenzverstärkers in dessen Gleichtakteingangsspannungsbereich bleibt. Differenzverstärker-ICs mit ±100 V Gleichtakteingangsspannungsbereich bei +5 V Betriebsspannung – und entsprechend höherem Eingangsspannungsbereich bei ±15 V sind auf dem Markt preisgünstig erhältlich. Auf der Seite des Empfängers, d. h. auf Kundenseite, resultiert ein relativ geringer Entwicklungsaufwand, der mit einer vergleichsweise hohen Bandbreite der Analogsignalübertragung einhergeht.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltung kann an dem Ausgangswiderstand des jeweiligen Schaltzweiges des Parallelzweiges anstelle oder zusätzlich zu einer Clampingdiodenschaltung ein Kondensator vorgesehen sein, nämlich auf der Empfängerseite des Ausgangswiderstands.
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Der EMV-Filter des Empfängers kann im einfachsten Fall ein Filter erster Ordnung sein, d. h. zwei gleich große Filterkondensatoren aufweisen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Bei einer solchen Ausbildung ist die Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Abschlusswiderstände und die Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Filterkondensatoren miteinander und zur dynamischen Generierung einer Mittenspannung mit einem Referenzkondensator zusammengeschaltet.
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Der Differenzverstärker ist vorzugsweise ein Differenzverstärker mit großem Gleichtakteingangsspannungsbereich.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 einen Analogausgang nach dem Stand der Technik,
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2 den Analogausgang gemäß 1 nach dem Stand der Technik bei einer kapazitiven Einkopplung (EMV),
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3 den Analogausgang gemäß 1 bei einer induktiven Einkopplung (EMV),
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4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung, wobei eine kapazitiv eingekoppelte EMV verdeutlicht ist, bei der die volle Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers wirksam ist,
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5 eine der 4 prinzipiell ähnliche Schaltungsdarstellung, wobei eine induktiv eingekoppelte EMV verdeutlicht ist, bei der ebenfalls die volle Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers wirksam ist,
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6 eine Schaltung mit direkt parallelisierbaren Analogausgängen,
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7 die zeitliche Abhängigkeit einer analogen Messgröße M = M(t), und
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8 den Funktionszusammenhang zwischen den Analogsignalen U und der Zeit.
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1 zeigt die Schaltung eines Analogausganges nach dem Stand der Technik, wobei eine Spannungsquelle 10 mit einem Ausgangswiderstand 12 und einem Abschlusswiderstand 14 zusammengeschaltet ist. Die Spannungsquelle 10 und der Ausgangswiderstand 12 befinden sich auf der Seite des Senders 16 und der Abschlusswiderstand 14 befindet sich auf der Seite eines Empfängers 18. Am Abschlusswiderstand 14 steht eine Spannung an, die durch den Pfeil 20 angedeutet ist. Diese Spannung 20 ist durch die folgende Formel bestimmt: Rab / Rab + Raus·(V0 + k·M) mit
- Rab
- = Widerstandswert des Abschlusswiderstandes 14
- Raus
- = Widerstandswert des Ausgangswiderstandes 12
- M
- = Messgröße
- k
- = Proportionalitätsfaktor
- V0
- = Betriebsspannung
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2 zeigt den Analogausgang nach dem Stand der Technik gemäß
1 bei einer kapazitiven Einkopplung, d. h. mit den Kondensatoren C
EMVa und C
EMVb mit der Spannungsquelle U
EMV. Bei einer solchen kapazitiven Einkopplung ergibt sich am Abschlusswiderstand
14 die durch den Pfeil
20 angedeutete Spannung nach der Formel
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3 verdeutlich den Analogausgang nach dem Stand der Technik gemäß 1 bei einer induktiven Einkopplung (EMV) mit den Einkoppelströmen IEMV, wobei am Abschlusswiderstand 14 sich die durch den Pfeil 20 angedeutete Spannung nach der folgenden Formel errechnet: Rab / Rab + Raus·(V0 + k·M)· Raus·Rab / Raus + Rab·IEMV
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Aus dem Obigen folgt, dass kapazitive und/oder induktive Störeinkopplungen sich direkt auf die durch den Pfeil 20 verdeutlichte Spannung auswirken, die am Analogausgang gemessen wird. Um ein sinnvolles Messsignal zu erhalten ist es also bislang notwendig, mehrere Methoden der Filterung zu kombinieren, nämlich eine massive Tiefpassfilterung bzw. einen niederohmigen Abschluss der Signalleitung vorzusehen. Bei einer bekannten EMV ist es sinnvoll, die Auswertung der Analogwerte immer zum selben Zeitpunkt relativ zum Schaltzeitpunkt vorzunehmen. Auch eine differentielle Auswertung ist sinnvoll, weil es damit möglich ist, die Qualität des interpretierten Signals durch eine Auswertung des Signals relativ zur Analogmasse zu verbessern, obwohl sich die Impedanzen des Ausgangssignals und der Analogmasse voneinander sehr unterscheiden – wie bereits ausgeführt worden ist.
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Die 4 und 5 verdeutlichen eine erfindungsgemäße Schaltung für Treiber und Systeme der Leistungselektronik mit einem Sender 16 und einem Empfänger 18, wobei in 4 eine kapazitiv eingekoppelte EMV und in 5 eine induktiv eingekoppelte EMV verdeutlicht sind. In den 4 und 5 ist jeweils ein Parallelzweig 22 verdeutlicht, der zwei Schaltzweige 24 aufweist. Jeder der beiden Schaltzweige 24 gibt über eine Spannungsquelle 10 ein Analogsignal aus. Die eine Spannungsquelle ist mit V0 + k·M und die zweite Spannungsquelle 10 ist mit V0 – k·M bezeichnet. Die Differenz dieser beiden Spannungen bildet am Analogausgang ein Analogsignal. Jeder der beiden Schaltzweige 24 des jeweiligen Parallelzweiges 22 weist einen Ausgangswiderstand 12 auf. Die beiden Ausgangswiderstände 12 sind gleich groß.
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Der Empfänger 18 weist zwischen den beiden Schaltzweigen 24 zwei gleich große Abschlusswiderstände 14 auf, die in Reihe geschaltet sind. Die beiden Schaltzweige 24 weisen außerdem ein EMV-Filter 26 auf, das im einfachsten Falle ein Filter erster Ordnung, d. h. von zwei gleich großen Filterkondensatoren 28 gebildet ist.
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Die beiden Schaltzweige 24 sind mit den Eingängen 30 eines Differenzverstärkers 32 zusammengeschaltet.
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Dem Ausgangswiderstand 12 des jeweiligen Schaltzweiges 24 ist eine Clampingdiodenschaltung 34 zugeordnet. Bei dem jeweils dargestellten Schaltzweig 24 sind die Clampingdiodenschaltungen 34 hinter den Ausgangswiderständen 12 vorgesehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Clampingdiodenschaltungen 34 vor den Ausgangswiderständen 12 eingeschaltet sind. Noch eine andere Möglichkeit besteht darin, dass der jeweilige Ausgangswiderstand 12 in zwei in Reihe geschaltete Reihenwiderstände unterteilt ist, und dass die zugehörige Clampingdiodenschaltung 34 zwischen den beiden Reihenwiderständen eingeschaltet ist.
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Noch eine andere bzw. bevorzugte Ausbildung ist dadurch realisiert, dass dem Ausgangswiderstand 12 des jeweiligen Schaltzweiges 24 des Parallelzweiges 22 ein Kondensator zugeordnet ist, der hinter dem entsprechenden Ausgangswiderstand 12 eingeschaltet ist. Der jeweilige Kondensator kann gegen Masse geschaltet sein.
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Die beiden Filterkondensatoren 28 sind gleich groß und miteinander in Reihe geschaltet. Die Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Abschlusswiderstände 14 und die Verbindung der beiden in Reihe geschalteten Filterkondensatoren 28 sind miteinander und mit einem Referenzkondensator 36 zusammengeschaltet, der zur dynamischen Generierung einer Mittenspannung vorgesehen ist.
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Am Ausgang
38 des Differenzverstärkers
32 ergibt sich eine Spannung, die durch die folgende Formel bestimmt ist:
mit A = Gleichanteilunterdrückung des Differenzverstärkers.
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Bei einer Gleichanteilunterdrückung des Differenzverstärkers 32 von beispielsweise A = 100 kann die Stärke des EMV-Filters 26 im Idealfall um denselben Faktor 100 verringert werden, was die Bandbreite der Analogübertragung stark erhöht und den Entwicklungsaufwand auf der Seite des Empfängers 18, d. h. auf Kundenseite, verringert.
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Bei der Schaltung gemäß
5 ergibt sich am Ausgang
38 des Differenzverstärkers
32 die Spannung nach der Formel
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6 verdeutlicht eine Ausbildung der Schaltung, bei der der Sender 16 zwei zueinander parallel geschaltete Parallelzweige 22 aufweist, deren Analogausgänge mit dem Empfänger 18 direkt parallelisierbar zusammengeschaltet ist.
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Gleiche Einzelheiten sind 6 mit denselben Bezugsziffern wie in den 4 und 5 bezeichnet, so dass es sich erübrigt, in Verbindung mit 6 alle diese Einzelheiten noch einmal detailliert zu beschreiben.
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Die am Ausgang
38 des Differenzverstärkers
32 gegebene Spannung ist durch die folgende Formel bestimmt
mit M1, M2 = Messgrößen der Parallelzweige
22.
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7 verdeutlicht den Funktionszusammenhang eines analogen Messsignals Mi mit der Zeit t, wobei das analoge Messsignal Mi auch < 0 sein kann.
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8 zeigt die analogen Signale V0 ± K·Mi, die jederzeit positiv sind.
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Das analoge Messsignal Mi kann eine Temperatur, ein Druck, eine Spannung, ein Strom oder dergleichen sein. Die Konstante k besitzt dann die entsprechende Dimension Spannung: Temperatur, Druck, Spannung, Strom o. dgl.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Spannungsquelle
- 12
- Ausgangswiderstand
- 14
- Abschlusswiderstand
- 16
- Sender
- 18
- Empfänger
- 20
- Spannung (an 14)
- 22
- Parallelzweig
- 24
- Schaltzweige (von 22)
- 26
- EMV-Filter (zwischen 24 und 24)
- 28
- Filterkondensatoren (von 26)
- 30
- Eingänge (von 32)
- 32
- Differenzverstärker
- 34
- Clampingdiodenschaltung (bei 24)
- 36
- Referenzkondensator (bei 26)
- 38
- Ausgang (von 32)
