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Die
Erfindung betrifft einen Signaltrenner mit einem Eingang für
einen Messstrom, einem dem Eingang nachgeschalteten potentialgetrennten
Gleichstromübertrager welcher den Messstrom auf eine Ausgangsschaltung überträgt,
welche eine Regel-/Verstärkerschaltung aufweist, zur Bereitstellung eines
dem Messstrom entsprechenden Ausgangsstroms an einem Ausgang, an
dem eine Bürde anschließbar ist.
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Ein
derartiger Signaltrenner ist im Stand der Technik bekannt. Er wird
unter anderem dazu verwendet, Messsignale in Form von Messströmen
aus einem explosionsgefährdeten Bereich zu übertragen. Innerhalb
des explosionsgefährdeten Bereichs befindet sich ein Transmitter.
Dieser Transmiter wird im explosionsgefährdeten Bereich über
eine dortige Spannungs-/Stromversorgung mit Energie versorgt. Der
Transmitter dient dazu, einen Messwert einer physikalischen Größe,
wie bspw. einer Temperatur oder einem Druck zu übertragen.
Der Transmitter wandelt das von einem Messgerät erzeugte
Messsignal in einen Strom um. Die Höhe des Stromes entspricht
dabei der Höhe des Messsignals der physikalischen Messgröße.
Es handelt sich um einen Eingangsgleichstrom. Dieser Eingangsgleichstrom
wird vom potentialgetrennten Gleichstromübertrager zunächst
in einen Wechselstrom umgewandelt. Hierzu besitzt der Gleichstromübertrager
primärseitig einen Wechselrichter. Dieser Wechselrichter
wird üblicherweise als Zerhacker ausgebildet. Der vom Wechselrichter
erzeugte Wechselstrom wird über einen Übertrager
potentialgetrennt übertragen. Die Eingangsklemmen des Übertragers
sind von den Ausgangsklemmen des Übertragers galvanisch
getrennt. Der an den Ausgangsklemmen des Übertragers anliegende
Wechselstrom wird von einem Gleichrichter in einen Gleichstrom umgewandelt.
Der potentialgetrennte Gleichstromübertrager ist üblicherweise
so ausgebildet, dass der sekundärseitige Ausgangsgleichstrom
dem primärseitigen Eingangsgleichstrom entspricht. Über
eine Regel-/Verstärker schaltung stellt der Signaltrenner
dann einen dem Messstrom entsprechenden Ausgangsstrom an einem Ausgang bereit.
An diesen Ausgang kann ein Bürdewiderstand angeschlossen
werden, so dass am Bürdewiderstand eine Spannung abfällt,
die proportional zum Eingangsstrom ist.
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Die
DE 3412 843 C3 beschreibt
eine Schaltungsanordnung zum Umwandeln eines Eingangsstroms in einen
Ausgangsstrom, wobei die Ausgangsschaltung eine Regelverstärkerschaltung
aufweist. Diese besitzt ein Referenzelement und einen Operationsverstärker.
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Aus
der
DE 4014 888 A1 ist
ein Gleichstromumrichter mit Strombegrenzung bekannt.
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Die
DE 197 56 640 A1 beschreibt
einen hilfsenergiefreien Gleichstromübertrager. Die Energie zum
Betrieb des primärseitigen Transmitters wird bei dieser
Schaltung von einer sekundärseitigen Hilfsenergieeinspeiseschaltung
bereitgestellt. Diese Energie wird über den Übertrager
von dessen Sekundärseite zu dessen Primärseite übertragen.
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Eine ähnliche
Schaltung beschreibt die
DE 103
22 262 B4 . Auch diese Schaltung befasst sich mit einem
Signal-Speisetrenner, bei der sekundärseitig eine Hilfsenergieeinspeiseschaltung
vorgesehen ist, die einen Zwei-Leiter-Transmitter über
eine Zweidrahtverbindung mit elektrischer Energie versorgt. Das
vom Transmitter erfasste Messsignal wird in Form eines veränderlichen
Gleichstroms in der Zweidrahtverbindung dargestellt. Die Zweidrahtverbindung
dient bei dieser Schaltung sowohl der Energieübertragung
hin zum Transmitter als auch der Messsignalübertragung
weg vom Transmitter. Die Energieübertragung und die Signalübertragung
erfolgt über einen Übertrager potentialgetrennt.
Sekundärseitig wird ein Ausgangsstrom bereitgestellt, der dem
Messstrom entspricht. Die Hilfsenergieeinspeiseschaltung versorgt
nicht nur den Transmitter im Wege einer Energieübertragung
von der Sekundärseite zur Primärseite des Übertragers
mit Energie. Die Hilfsenergie-Einspeiseschaltung dient dort auch der
Versorgung der Ausgangsschaltung mit Energie. Zur Vermeidung hoher
Ausgangsleistung bei niedrigen Bürdewiderständen
soll dort die Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung an deren
jeweils aktuellen Leistungsbedarf angepasst werden.
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Die
DE 41 21 961 A1 beschreibt
eine Schaltungsanordnung zur Energieversorgung von Feldgeräten. Über
einen Optokoppler ist dort eine Rückkopplung von der Sekundärseite
zur Primärseite vorgesehen, um die Leistungsaufnahme der
Sekundärseite zu vermindern.
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Aus
der
DE 39 04 363 A1 ist
ein Spannungsregler bekannt, bei dem der Eigenleistungsverbrauch reduzierbar
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Signaltrenner
gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene
Erfindung. Jeder der Ansprüche stellt eine eigenständige
Lösung der Aufgabe dar und ist mit jedem weiteren Anspruch
in beliebiger Form kombinierbar.
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Zunächst
und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass die Regel-/Verstärkerschaltung
einen Linearregler umfasst. Diesem ist ein Schaltregler nachgeordnet.
Der Schaltregler kann im Ausgangsstromkreis des Linearreglers mit
einem Bürdewiderstand in Reihe geschaltet sein. Der Schaltregler
ist somit von seiner Wirkung her nicht als zusätzlicher
Ausgangswiderstand ausgebildet, da er nicht dem Ohmschen Gesetz
gehorcht, die an ihm abfallende Spannung führt nämlich
nicht zu einer spannungsproportionalen Verlustleistung. Er verbraucht
somit weniger Energie, als ein ohmscher Widerstand. Der Linearregler
liefert eine Ausgangsspannung. Diese Ausgangsspannung ist so gewählt,
dass durch den im Wesentlichen frei wählbaren Bürdewiderstand
ein dem Messstrom entsprechender Bürdestrom fließt.
Die Versorgungsspannung kann die Summe der Ausgangsspannung der
Bürdespannung und der am Schaltregler abfallenden Schaltreglerspannung
sein. Die Regelung wird so durchgeführt, dass die Ausgangsspannung des
Linearreglers minimiert ist. Der Sekundärstrom, also der
Ausgangsstrom des Gleichstromübertragers, kann eine an
einem Widerstand abfallende Spannung liefern. Diese Spannung kann
von einem Spannungs-Strom-Wandler in den Ausgangsstrom gewandelt
werden. Die Ausgangsspannung, also insbesondere die Spannung, die
der Linearregler liefert bzw. die am Ausgang des Spannungs-Strom-Wandlers
anliegt, kann von einer Komparatorschaltung abgegriffen werden.
Die Komparatorschaltung liefert das Eingangssignal für
den Schaltregler. Die am Schaltregler abfallende Spannung kann somit
derartig geregelt werden, dass die Ausgangsspannung des Spannungs-Stromwandlers
minimiert wird. Der Spannungs-Stromwandler kann einen Operationsverstärker
aufweisen. Der Ausgang des Operationsverstärkers liegt
an der Basis eines ersten Transistors. Dessen Emitter ist über
einen Shunt-Widerstand mit der Masse verbunden. Die Kollektor-Emitter-Spannung
dieses Transistors wird von der Komparatorschaltung abgegriffen,
um sie durch eine entsprechende Regelung der Schaltreglerspannung
auf ein Minimum zu halten. Die Komparatorschaltung kann einen zweiten
Widerstand aufweisen. Der Spannungs-Strom-Wandler und insbesondere
der zu ihm gehörende Operationsverstärker wird
mit einer gleichbleibenden Versorgungsspannung spannungsversorgt.
Auch der Schaltregler wird mit einer gleichbleibenden Versorgungsspannung
spannungsversorgt. Dies hat den Vorteil, dass die Versorgungsspannung
in einem weiten Bereich frei wählbar ist, ohne dass von
der Höhe der Versorgungsspannung die Stromübertragungswirkung
der Gesamtschaltung beeinträchtigt wird. Die Versorgungsspannung braucht
somit nicht stabilisiert zu werden, da höhere Versorgungsspannungen
durch den Schaltregler kompensiert werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen
erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Signaltrenners
und
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2 das
Schaltbild eines weiteren erfindungsgemäßen Signaltrenners.
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Der
erfindungsgemäße Signaltrenner ist in der Lage,
einen Messstrom I1 potentialgetrennt derartig
zu übertragen, dass durch eine am Ausgang angeschlossene
Bürde BB ein Bürdestrom
IB fließt, dessen Größe
dem Eingangsstrom I1 entspricht.
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Der
Eingangsstrom I1 wird von einem nicht dargestellten
Transmitter bzw. einem Messgerät geliefert. Es handelt
sich dabei um einen Gleichstrom, der einen Wert zwischen 0 und 20
mA annehmen kann. Der Wert dieses Eingangsstromes entspricht dem
Messwert einer physikalischen Messgröße, die vom
Messgerät gemessen wird.
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Der
Aufbau und die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen
Signaltrenners gemäß Blockschaltbild 1 wird
im Folgenden erläutert:
Mittels eines Zerhackers ZH
wird aus diesem Gleichstrom I1 ein Wechselstrom
erzeugt. Der Wechselstrom liegt an einer Primärspule eines Übertragers Ü an.
In der Sekundärspule des Übertragers Ü wird
ein Sekundärstrom erzeugt. Dieser Wechselstrom wird von
einem Gleichrichter GR gleichgerichtet. Zerhacker ZH, Übertrager Ü und
Gleichrichter GR sind so ausgebildet, dass der Ausgangsgleichstrom
I2 des Gleichrichters dem Eingangsstrom
I1 entspricht. Eine Energieübertragung
von der Sekundärseite hin zur Primärseite ist
nicht vorgesehen. Der Ausgangsgleichstrom I2 des
Gleichrichters wird einem Linearregler LR zugeleitet. Dieser Linearregler
LR ist im Wesentlichen ein Impedanzwandler. Der Ausgangsstrom I3 des Linearreglers entspricht dabei dem
Eingangsstrom I1. Dieser Strom I3 durchfließt einen Schaltregler
SR, der in den Ausgangsstromkreis des Linearreglers geschaltet ist.
Vom Linearregler LR empfängt der Schaltregler SR ein Regelsignal
R. Über dieses Regelsignal wird der Schaltregler SR so geregelt,
dass die Ausgangsspannung UA des Linearreglers
minimiert ist. Der Ausgangsstrom des Schaltreglers IB fließt
durch den Bürdewiderstand RB. Der
Ausgangsstrom IB entspricht dem Strom I3 bzw. den Strömen I1 und
I2.
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Der
Schaltregler SR reduziert die Spannung ähnlich wie ein
Widerstand jedoch ohne die ohmschen Verluste. Da der Schaltregler
SR kein ohmschen Verhalten zeigt, ist die dort verbrauchte Leistung
nicht das Produkt aus daran abfallender Spannung und Strom.
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Das
in der 2 dargestellte Schaltungsbeispiel besitzt ebenfalls
einen potentialgetrennten Gleichstromübertrager. Auch dieser
besteht aus einem Zerhacker ZH, einem Übertrager Ü und
einem sekundärseitigen Gleichrichter GR. Der Ausgangsstrom
I2 des Gleichrichters GR fließt
durch einen Widerstand R1. Es handelt sich
hier um einen Referenzwiderstand, so dass die am Widerstand R1 abfallende Spannung U1 proportional
zum Strom I2 ist.
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Am
positiven Eingang eines Operationsverstärkers OP, deren
Versorgungsspannungsklemmen an der Versorgungsspannung US liegen, liegt die Spannung U1 an.
Der negative Eingang des Operationsverstärkers ist mit
einem Shunt-Widerstand R2 verbunden, dessen
andere Seite mit der Masse verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers liegt
an der Basis eines Transistors T1 an. Der
Emitter des Transistors T1 ist mit dem Shunt-Widerstand
bzw. mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers
verbunden. Zufolge dieser Schaltung wandelt der Operationsverstärker
OP zusammen mit dem ersten Transistor T1 die
Eingangsspannung U1 in einen Ausgangsstrom
um, der proportional zur Eingangsspannung ist. Schaltungstechnisch
liefert diese Spannungs-Strom-Wandlerschaltung eine Ausgangsspannung
UA.
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In
dem Ausgangsstromkreis dieser Spannungs-Strom-Wandlerschaltung liegen
die beiden Ausgangsklemmen der Signaltrennerschaltung, an denen
ein Bürdewiderstand RB angeschlossen
werden kann. Durch den Bürdewiderstand fließt
der Bürdestrom IB, der dem Strom
entspricht, den die Spannungs-Strom-Wandlerschaltung aus der Eingangsspannung
U1 erzeugt. Dieser Strom IB entspricht
dem Eingangsstrom I2 bzw. dem Messstrom
I1.
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Zwischen
den Ausgangsklemmen bzw. dem Bürdewiderstand RB befindet
sich ein Schaltregler SR. Am Schaltregler fällt eine Schaltreglerspannung USR ab. Die Summe der Schaltreglerspannung
USR, der Bürdespannung UB und der Ausgangsspannung UA entspricht
der Versorgungsspannung US der sekundärseitigen
Auswerteschaltung.
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Die
am Schaltregler SR abfallende Schaltreglerspannung USR hängt
von der Größe des Bürdewiderstandes RB ab. Je kleiner der Bürdewiderstand RB, desto größer ist die
Schaltreglerspannung USR. Entgegen dem üblichen
Gebrauch von Schaltreglern wird dabei die Ausgangsspannung des Schaltreglers nicht
auf einen konstanten Wert eingestellt, sondern so geregelt, dass
die Ausgangsspannung UA minimiert ist.
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Zur
Regelung dient eine Komparatorschaltung, die aus einem Komparator
K und einem zweiten Transistor T2 entspricht.
Die Basis des zweiten Transistors T2 ist
mit dem Emitter des ersten Transistors T1 verbunden.
Der Kollektor des zweiten Transistors T2 ist über
den Widerstand R3 mit der Masse verbunden.
Der Emitter des Transitors T2 ist mit einem
der beiden Eingänge des Komparators K verbunden. Der andere
Eingang des Komparators K ist mit dem Kollek tor des ersten Transistors
T1 verbunden. Der Ausgang des Komparators
ist mit dem Regeleingang des Schaltreglers verbunden. Die Schaltreglerspannung USR wird zufolge dieser Schaltung so geregelt,
dass die Emitterkollektorspannung UEC des
ersten Transistors E1 minimal ist und etwa
0,7 V beträgt. Die Versorgungsspannung US beträgt
bevorzugt 24 V. Sie kann aber auch einen kleineren Wert betragen.
Die Schaltreglerspannung USR liegt demzufolge
im Bereich zwischen 0 und 24 V.
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Bei
dem Schaltregler SR kann es sich um einen üblichen Schaltregler
handeln, wie er von Schaltnetzteilen her oder von Konstantspannungsquellen her
bekannt ist. Er kann eine Induktivität und/oder einen Kondensator
aufweisen, in dem pulsweise Energie gespeichert wird, die dann über
die beiden Ausgangsklemmen in Form einer Spannung abgegeben wird.
Schaltungstechnisch wirkt der Schaltregler im vorliegenden Fall
wie eine geregelte Spannungsquelle. Wesentlich ist, dass der Schaltregler
nur eine minimale Leistung verbraucht und die Ausgangsspannung des
Linearreglers, also im Wesentlichen die Emitterkollektorspannung
des Transistors T1 minimiert ist.
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Der
im Ausgangsstromkreis liegende Schaltregler hat die Wirkung, dass
die Gesamtenergieaufnahme der Schaltung minimiert ist, obwohl die
Eingangsspannung U1 proportional zum Eingangsstrom I1 ist.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich.
In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt
der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3412843
C3 [0003]
- - DE 4014888 A1 [0004]
- - DE 19756640 A1 [0005]
- - DE 10322262 B4 [0006]
- - DE 4121961 A1 [0007]
- - DE 3904363 A1 [0008]