DE102009045689A1

DE102009045689A1 - Messumformer

Info

Publication number: DE102009045689A1
Application number: DE102009045689A
Authority: DE
Inventors: Björn HAASE
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-04-28
Also published as: CN102687382B; US20120201052A1; CN102687382A; WO2011045114A1

Abstract

Es ist ein Messumformer beschrieben, an den zwei oder mehr von dem Messumformer mit Gleichspannung (U, U) zu versorgende Einheiten (7, 9) gegeneinander und gegenüber den anderen Komponenten des Messumformers galvanisch getrennt anschließbar sind, der hinsichtlich Bauraum und Anzahl der für galvanische Trennungen benötigten Bauteile optimiert ist, mit einem Netzteil (1), das einen Gleichspannungsgenerator (3) aufweist, der dazu dient eine stabile Gleichspannung (U) zu erzeugen, einem an den Gleichspannungsgenerator (3) angeschlossenen Zerhacker (11), der aus der stabilen Gleichspannung (U) eine rechteckförmige Wechselspannung (U) erzeugt, einer digitalen Einheit (5), die zur Ansteuerung des Zerhackers (11) dient, und zwei oder mehr parallel zueinander an den Zerhacker (11) angeschlossenen Anschlussmodulen (19, 21), die jeweils einen Transformator (23) aufweisen, der die rechteckförmige Wechselspannung (U) transformiert, die jeweils einen dem jeweiligen Transformator (23) nachgeschalteten Gleichrichter (25) aufweisen, der aus der transformierten rechteckförmigen Wechselspannung eine Gleichspannung (U, U) erzeugt, und an die jeweils eine Einheit (7, 9) anschließbar ist, die über das jeweilige Anschlussmodul (19, 21) galvanisch getrennt von allen anderen Komponenten des Messumformers mit der Gleichspannung (U, U) versorgt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messumformer mit einem an eine externe Energieversorgung anschließbaren Netzteil mit einem Gleichspannungsgenerator, zur Erzeugung einer stabilen Gleichspannung, einer digitalen Einheit, und zwei oder mehr Anschlussmodulen, an die jeweils eine Einheit, insb. ein Sensor, eine Messwertausgabe oder eine Kommunikationseinheiten zur Anbindung des Messumformers an eine übergeordnete Einheit, anschließbar ist, die über den Messumformer jeweils galvanisch getrennt von allen anderen Komponenten des Messumformers und allen anderen daran angeschlossenen Einheiten mit einer Gleichspannung versorgt wird.
Messumformer werden in allen Bereichen der industriellen Messtechnik eingesetzt. Sie dienen typischer Weise dazu, eine oder mehrere mit daran angeschlossenen Sensoren gemessene physikalische Größen, in die gemessenen Größen wiedergebende elektrische Ausgangssignale umzuwandeln, und diese über eine Ausgabeeinheit, z. B. einen Stromausgang, oder eine Kommunikationseinheit, z. B. ein Bus Interface, an eine übergeordnete Einheit, z. B. ein Prozessleitsystem, zu übertragen.
Dabei ist es heute für den industriellen Einsatz solcher Messumformer aus Sicherheitsgründen regelmäßig vorgeschrieben, dass die einzelnen Einheiten gegeneinander und gegenüber der Energieversorgung des Messumformers galvanisch getrennt sein müssen.
Hierzu ist regelmäßig eine der Anzahl der Einheiten des jeweiligen Messumformers entsprechende Anzahl von galvanischen Trennungen erforderlich. Jede dieser galvanischen Trennungen besteht typischer Weise aus einem in dem jeweiligen Anschlussmodul vorgesehenen Netzteil IC, über das die jeweilige Einheit galvanisch getrennt mit Energie versorgt wird. Jedes dieser Netzteil IC's wird mit Gleichspannung gespeist und enthält primärseitig einen Schaltregler, der dazu dient die Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln, die dann über einen Transformator galvanisch getrennt zur Sekundärseite übertragen wird, wo die transformierte Wechselspannung in die zur Versorgung der jeweiligen Einheit erforderliche Gleichspannung umgewandelt wird. Zusätzlich sind zur Stabilisierung der sekundärseitig für die Einheit zur Verfügung stehenden Gleichspannung häufig galvanisch getrennt Rückkopplungen von der Sekundärseite auf die Primärseite vorzusehen, anhand von deren Rückmeldung die Spannung primärseitig entsprechend nachgeregelt wird.
Gerade bei Messumformen für Multisensorsysteme mit vielen daran anzuschließenden Sensoren und unterschiedlichen Kommunikations- und Ausgabeeinheiten müssen relativ viele dieser galvanischen Trennungen vorgesehen werden. Entsprechend hoch ist die Anzahl der benötigten Bauteile und der hierfür im Messumformer benötigte Platz.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Messumformer anzugeben, an den zwei oder mehr von dem Messumformer mit Gleichspannung zu versorgende Einheiten gegeneinander und gegenüber den anderen Komponenten des Messumformers galvanisch getrennt anschließbar sind, der hinsichtlich Bauraum und Anzahl der für galvanische Trennungen benötigten Bauteile optimiert ist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Messumformer mit

– einem Netzteil, – das einen Gleichspannungsgenerator aufweist, der dazu dient eine stabile Gleichspannung zu erzeugen;
– einem an den Gleichspannungsgenerator angeschlossenen Zerhacker, – der aus der stabilen Gleichspannung eine rechteckförmige Wechselspannung erzeugt,
– einer digitalen Einheit, die zur Ansteuerung des Zerhackers dient, und
– zwei oder mehr parallel zueinander an den Zerhacker angeschlossenen Anschlussmodulen, – die jeweils einen Transformator aufweisen, der die rechteckförmige Wechselspannung transformiert, – die jeweils einen dem jeweiligen Transformator nachgeschalteten Gleichrichter aufweisen, der aus der transformierten rechteckformigen Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, und
– an die jeweils eine Einheit anschließbar ist, – die über das jeweilige Anschlussmodul galvanisch getrennt von allen anderen Komponenten des Messumformers mit der Gleichspannung versorgt wird.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Einheiten Sensoren, Stromausgänge des Messumformers, und/oder Kommunikationseinheiten zur Anbindung des Messumformers an eine übergeordnete Einheit.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine der Einheiten über eine mit einer galvanischen Trennung versehene digitale Datenleitung an die digitale Einheit angeschlossen. Dabei ist die galvanische Trennung z. B. ein Optokoppler oder ein Übertrager und ist vorzugsweise jeweils in dem zugehörigen Anschlussmodul angeordnet, an das die jeweilige Einheit anzuschließen ist.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Messumformer, bei dem

– der Zerhacker einen p-leitenden gegen die vom Spannungsgenerator generierte Gleichspannung geschalteten Feldeffekttransistor und einen in Serie dazu gegen Masse geschalteten n-leitenden Feldeffekttransistor aufweist,
– die beiden Feldeffekttransistoren über deren Steuereingängen zugeführte vorgegebenen Taktraten folgenden Steuerspannungen derart angesteuert sind, dass mit einer durch die Taktraten vorgegebenen Frequenz abwechselnd jeweils einer der beiden Feldeffekttransistoren leitend geschaltet wird, während der andere sperrt, und
– eine rechteckförmige Wechselspannung über einen zwischen den beiden Feldeffektransistoren angeordneten Abgriff abnehmbar ist.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung dieser Weiterbildung

– erzeugt die digitale Einheit eine erste und eine zweite jeweils rechteckförmig mit einer vorgegebenen Taktrate variierende Steuerspannung,
– sind die beiden Steuerspannungen gegeneinander um eine halbe Periodendauer zeitlich versetzt,
– weist der Zerhacker einen Level-Shifter auf, der anhand der ersten Steuerspannung eine synchron zur ersten Steuerspannung variierende rechteckförmige Steuerspannung mit höheren Spannungspegeln erzeugt, die am Steuereingang des p-leitenden Feldeffekttransistors anliegt und über die der p-leitende Feldeffekttransistor gesteuert wird, und
– liegt die zweite Steuerspannung am Steuereingang des n-leitenden Feldeffekttransistors an und wird der n-leitende Feldeffekttransistor über diese zweite Steuerspannung gesteuert.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der erstgenannten Weiterbildung ist zwischen den einzelnen Schaltvorgängen der Feldeffektransistoren eine Totzeit vorgesehen, während der beide Feldeffektransistoren geschlossen sind.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung

– weist der Zerhacker zwei in Serie geschaltete in Sperrrichtung betriebene Dioden auf, die parallel zu den beiden Feldeffekttransistoren angeordnet und diesen nachgeschaltet sind,
– ist der Abgriff zwischen den beiden Feldeffekttransistoren mit einem zwischen den beiden Dioden angeordneten Abgriff verbunden, und
– ist eine rechteckförmige Wechselspannung über den zwischen den beiden Dioden angeordneten Abgriff abnehmbar.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung der erstgenannten Weiterbildung weist der Zerhacker eingangsseitig und/oder ausgangsseitig eine Entstörungsschaltung auf, die hochfrequente durch Schaltvorgänge der Feldeffektransistoren im Zerhacker verursachte Stromanteile, insb. Stromanteile mit Frequenzen im Megaherzbereich, wegdämpft.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Zerhacker ausgangsseitig eine Gleichspannungsentkopplung auf, die einen in der im Zerhacker generierten Wechselsspannung enthaltenen Gleichspannungsanteil eliminiert.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die vom Zerhacker erzeugte Wechselspannung eine Frequenz von weniger als 100 kHz, insb. weniger als 50 kHz auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gleichrichter ein Brückengleichrichter mit einem nachgeschalteten Glättungskondensator.
Der erfindungsgemäße Messumformer weist den Vorteil auf, dass die für die galvanischen Trennungen der Energieversorgung aller angeschlossenen Einheiten benötigte Wechselspannung durch einen einzigen Zerhacker zentral erzeugt wird und parallel für alle Trennungen zur Verfügung steht.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Messumformers;
2 zeigt ein Blockschaltbild der Zerhackers von 1;
3 zeigt: von der digitalen Einheit generierte Steuerspannungen zur Ansteuerung des Zerhackers als Funktion der Zeit;
4 zeigt: eine vom Zerhacker generierte rechteckförmige Wechselspannung; und
5 zeigt: zwei parallel zueinander an die Wechselspannung angeschlossene Transformatoren mit nachgeschalteten Gleichrichtern.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Messumformers. Er umfasst, wie handelsübliche Messumformer auch, ein an eine hier nicht dargestellte externe Energieversorgung anschließbares Netzteil 1 mit einem Gleichspannungsgenerator 3, der eine stabile Gleichspannung U_DC erzeugt, und eine zentrale digitale Einheit 5. An den Messumformer sind je nach Anwendung zwei oder mehr getrennte Einheiten 7, 9 anschließbar.
Die Einheiten 7, 9 sind Sensoren, Stromausgänge des Messumformers, und/oder Kommunikationseinheiten zur Anbindung des Messumformers an eine hier nicht dargestellte übergeordnete Einheit, wie z. B. ein Prozessleitsystem oder eine speicherprogrammierbare Steuerung. Die Einheiten 7, 9 werden hier zur besseren Übersicht entsprechend ihrer Funktion in Einheiten 7 zur Messwertaufnahme und Einheiten 9 zur Messwertausgabe unterteilt.
Zu den Einheiten 7 zur Messwertaufnahme zählen insb. die an den Messumformer angeschlossenen Sensoren. Die Sensoren sind vorzugsweise digitale Sensoren, die dazu dienen eine physikalische Messgröße, z. B. einen pH-Wert, eine Leitfähigkeit, oder einen Sauerstoffkonzentration an deren Einsatzort zu messen, und in Form eines digitalen Messsignal der zentralen digitalen Einheit 5 zuzuführen. Diese verarbeitet die eingehenden Messsignale, und stellt sie in entsprechend aufbereiteter Form einer für deren Ausgabe geeigneten Einheit 9 zur Verfügung. Die Einheit 9 zur Messwertausgabe ist beispielsweise ein Stromausgang, der einen über eine daran angeschlossene 2-Drahtleitung fließenden Strom in Abhängigkeit von dem Wert der gemessenen physikalischen Größe entsprechend einem industrieüblichen Standard, z. B. zwischen 4 mA und 20 mA, variiert. Ebenso kann die Einheit 9 eine Kommunikationseinheit zur Anbindung des Messumformers an eine hier nicht dargestellte übergeordnete Einheit, wie z. B. ein Prozessleitsystem oder eine speicherprogrammierbare Steuerung, sein. Hierzu zählen z. B. Busanbindungen an bekannte Feldbussysteme, wie z. B. Ethernet, Modbus, Profibus, Foundation Fieldbus, oder WLAN, ebenso wie nach industriellen Standards, wie z. B. dem Hart Standard, arbeitende Kommunikationsmodule.
In 1 sind exemplarisch zwei Einheiten 7, 9 dargestellt. Der erfindungsgemäße Messumformer ist selbstverständlich völlig analog auf eine weitaus größere Anzahl anschließbarer Einheiten 7, 9 erweiterbar.
Die digitale Einheit 5 ist beispielsweise eine digitale Schaltung, ein Mikrocontroller (μC) oder ein feldprogrammierbares Gate Array (FPGA).
Der Spannungsgenerator 3 erzeugt eine stabile Gleichspannung U_DC, z. B. 12 V DC und dient der Energieversorgung des gesamten Messumformers inklusive der digitalen Einheit 5 sowie aller daran angeschlossenen Einheiten 7, 9.
Erfindungsgemäß weist der Messumformer zur galvanischen Trennung aller Einheiten 7, 9 gegeneinander und gegenüber der Energieversorgung einen einzigen zentral angeordneten an den Spannungsgenerator 3 angeschlossenen Zerhacker 11 auf, der von dem Spannungsgenerator 3 mit der stabilen Gleichspannung U_DC gespeist wird, und hieraus eine stabile reckteckförmige Wechselspannung U_AC mit präzise stabilisierten Spannungspegeln, z. B. +/– 6 V, erzeugt. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Zerhackers 9 – wie nachfolgend noch im Detail erläutert- durch die digitale Einheit 5, die hierzu erforderliche Steuerspannungen U_st1, U_st2 mit einer vorgegebenen Taktrate Takt₁, Takt₂ erzeugt. Diese Funktionalität ist in digitalen Einheiten 5, wie sie heute bereits in Messumformern eingesetzt werden, in der Regel ohnehin vorhanden, so dass hierfür keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden, die ansonsten zusätzlichen Platz im Messumformer benötigen würden und die Herstellungskosten erhöhen würden.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Zerhackers 11. Der Zerhacker 11 weist eingangseitig eine auf der Gleichspannung U_DC liegende erste Leitung L1 und eine an Masse GND oder ein Bezugspotential angeschlossene zweite Leitung L2 auf, zwischen denen die stabile hier auf Masse GND bezogene Gleichspannung U_DC anliegt. Kernelement des Zerhackers 11 bilden ein p-leitender gegen die Gleichspannung U_DC geschalteter Feldeffekttransistor p-FET und ein gegen Masse GND geschalteter n-leitender Feldeffekttransistor n-FET. Die beiden Feldeffekttransistoren p-FET und n-FET sind in einem die erste Leitung L1 mit der zweiten Leitung L2 verbindenden ersten Querzweig Q1 in Serie angeordnet, und werden über deren Steuereingängen Gp, Gn zugeführte Steuerspannungen derart angesteuert, dass abwechselnd jeweils einer der beiden Feldeffekttransistoren p-FET bzw. n-FET leitend geschaltet wird, während der andere n-FET bzw. p-FET sperrt. Die Steuerspannungen sind dementsprechend rechteckförmige Wechselspannungen einer vorgegebenen Frequenz f.
Die Ansteuerung des Zerhackers 11 erfolgt durch die digitale Einheit 5, die hierzu zwei Steuerspannungen U_st1, U_st2 mit der jeweiligen vorgegebenen Taktrate Takt₁, Takt₂ erzeugt. Beide Taktraten Takt₁, Takt₂ weisen die für die zu generierende Wechselspannung U_AC gewünschte Frequenz f auf.
Mit heute üblicher Weise in Messumformern eingesetzten digitalen Einheiten 5 lassen sich Steuerspannungen mit einem maximalen Spannungspegel U_high in der Größenordnung von 3 Volt erzeugen. Dies reicht aus, um den gegen Masse GND geschalteten n-leitenden Feldeffektransistor n-FET unmittelbar über die von der digitalen Einheit 5 generierte Steuerspannung U_st2 zu schalten. Entsprechend ist der Steuereingang G_n dieses Feldeffektransisitors n-FET, wie in 2 dargestellt, über einen mit der zweiten Leitung L2 verbundenen Parallelwiderstand R_p unmittelbar an die zweite von der digitalen Einheit 5 generierte Steuerspannung U_st2 angeschlossen.
Für die Steuerung des gegen die Gleichspannung U_DC geschalteten p-leitenden Feldeffektransistor p-FET sind dagegen abhängig vom Wert der Gleichspannung U_DC wesentlich höhere Spannungspegel erforderlich. Bei einer Gleichspannung U_DC von 12 V und einem Schaltabstand von 3 V werden hier Steuerspannungspegel von 9 V und 12 V benötigt.
Um diese höheren Steuerspannungspegel zu erzeugen wird ein Level-Shifter 13 eingesetzt, der anhand der von der digitalen Einheit 5 generierten Steuerspannung U_st1 eine Steuerspannung mit entsprechend erhöhten Spannungspegeln generiert.
Der Level-Shifter 13 umfasst beispielsweise einen dem Querzweig Q1 vorgeschalteten weiteren Querzweig Q2 in dem ein Widerstand R und ein weiterer n-leitender Feldeffekttransistor n-FET_LS in Serie angeordnet sind. Dieser weitere n-leitende Feldeffekttransistor n-FET_LS ist, genau wie der im ersten Querzweig Q1 angeordnete n-leitende Feldeffekttransistor n-FET, gegen Masse geschaltet und weist einen Steuereingang G_LS auf, der über einen mit der zweiten Leitung L2 verbundenen Parallelwiderstand R_p an die von der digitalen Einheit 3 generierte Steuerspannung U_st1 angeschlossen ist. Der Steuereingang G_p des in dem ersten Querzweig Q1 angeordneten gegen die Gleichspannung U_DC geschalteten Feldeffekttransistors p-FET ist mit einem zwischen dem Widerstand R und dem weiteren n-leitenden Feldeffektransistor FET_LS im zweiten Querzweig Q2 vorgesehenen Abgriff P1 verbunden.
Dementsprechend liegt der Steuereingang Gp des p-leitenden Feldeffekttransistors p-FET auf dem Spannungspegel der Gleichspannung U_DC während der weitere n-leitende Feldeffekttransistor n-FET_LS sperrt. In diesem Zustand ist der p-leitende Feldeffekttransistor p-FET gesperrt.
Ist der weitere n-leitende Feldeffekttransistor n-FET_LS geöffnet, liegt am Abgriff P1 und damit am Steuereingang Gp des p-leitenden Feldeffekttransistors p-FET ein niedrigerer Spannungspegel an. Der Wert dieses Spannungspegels ist über den Wert des Widerstandes R einstellbar. Dieser wird entsprechend dem Schaltabstand des p-leitenden Feldeffekttransistors p-FET derart ausgewählt, dass der p-leitende Feldeffekttransistor p-FET bei geöffnetem n-leitende Feldeffekttransistor n-FET_LS leitend ist. Damit öffnet und schließt der p-leitende Feldeffekttransistor p-FET synchron mit dem weiteren n-leitenden Feldeffekttransistor FET_LS. Er ist folglich über die Steuerpannung U_st1 steuerbar.
Die Steuerspannungen U_st1 und U_st2 werden nun derart vorgegeben, dass abwechselnd jeweils einer der beiden Feldeffekttransistoren p-FET bzw. n-FET leitend geschaltet wird, während der andere n-FET bzw. p-FET sperrt. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der beiden Steuerspannungen U_st1 und U_st2. Beide Steuerspannungen U_st1, U_st2 sind rechteckförmige Wechselspannungen, die alternierend einen minimalen Spannungspegel von 0 V und einem maximalen Spannungspegel U_high aufweisen, und gegeneinander um eine halbe Periodendauer versetzt sind. Hierdurch wird eine die Frequenz f der beiden Taktraten Takt1, Takt2 aufweisende Wechselspannung generiert, die über einen zwischen den beiden Feldeffektransistoren p-FET und n-FET angeordneten Abgriff P2 zur Verfügung steht. Dabei liegt der Abgriff P2 auf dem Potential der Gleichspannung U_DC während der p-leitende Feldeffekttransistor p-FET geöffnet und der n-leitende Feldeffekttransisitor n-FET geschlossen ist. Im umgekehrten Fall liegt der Abgriff P2 auf Masse GND während der p-leitende Feldeffekttransistor p-FET geschlossen und der n-leitende Feldeffekttransisitor n-FET geöffnet ist.
Die Frequenz f der vom Zerhacker 11 generierten Wechselspannung U_AC wird vorzugsweise bewusst sehr niedrig angesetzt. Sie ist beispielsweise kleiner als 100 kHz, vorzugsweise sogar kleiner als 50 kHz. Sie liegt damit weit unterhalb von üblicherweise für Schaltregler für galvanische Trennungen verwendeten Frequenzen. Letztere liegen typischer Weise im Bereich von mehreren hundert Kilohertz. Diese niedrigen Frequenzen f bietet den Vorteil, dass die Wechselspannung U_AC problemlos auch über sehr lange Verbindungsleitungen übertragen werden kann, ohne dass dabei, z. B. über kapazitive Kopplungen, Störungen auf andere Komponenten des Messumformer, daran angeschlossene Einheiten 7, 9 oder daran angeschlossene Busleitungen übertragen werden.
Um zu vermeiden, dass während der Umschaltphasen kurzzeitig beide Feldefekttransistoren p-FET und n-FET geöffnet sind, ist zwischen den einzelnen Schaltvorgängen jeweils eine kurze Totzeit Δt₁₂, Δt₂₁ vorgesehen, während der beide Feldeffekttransisitoren p-FET und n-FET geschlossen sind. Dies geschieht, indem während der Totzeiten Δt₁₂, Δt₂₁ beide Steuerspannungen U_st1 und U_st2 auf den niedrigen Spannungspegel, hier 0 V, gesetzt werden. Hierdurch wird ein Kurzschluss über den ersten Querzweig Q1 vermieden.
Bei der Bestimmung der Totzeiten Δt₁₂, Δt₂₁ werden vorzugsweise schaltungsbedingte unterschiedliche Signalverzögerungszeiten mit berücksichtigt. Diese entstehen beispielsweise durch den Level-Shifter 13, der für den p leitenden Feldeffekttransisitor p-FET unterschiedliche Signalverzögerungszeiten für Low-High und High-Low Flanken aufweisen kann. In diesem Fall ist es zweckmäßig, an Stelle einer einzelnen Totzeit Δt mit zwei verschiedenen Totzeiten Δt₁₂, Δt₂₁ zu arbeiten, von denen die eine Totzeit Δt₁₂ maßgeblich für den High-Low Übergang der ersten Taktrate Takt1 und die andere Totzeit Δt₂₁ maßgeblich für den High-Low Übergang der zweiten Taktrate Takt2 ist. Die beiden Totzeiten Δt₁₂, Δt₂₁ unterscheiden sich um eine durch die unterschiedlichen Signalverzögerungszeiten im Level-Shifter 13 gegebene Zeitdifferenz.
Während der Totzeit Δt sind beide Feldeffekttransistoren p-FET und n-FET geschlossen. Dadurch entsteht am Abgriff P2 ein undefinierter Spannungspegel. Um zu vermeiden, dass sich hierdurch aufgrund von schaltungsimmanenten parasitären Induktivitäten unkontrollierte Rückschlagspannungen ausbilden, ist vorzugsweise ein dem ersten Querzweig Q1 nachgeschalteter dritter Querzweig Q3 vorgesehen, in dem zwei in Sperrrichtung betriebene in Serie geschaltete Dioden Z1, Z2 angeordnet sind. Zusätzlich ist der Abgriff P2 im ersten Querzweig Q1 mit einem zwischen den beiden Dioden Z1, Z2 befindlichen Abgriff P3 im dritten Querzweig Q3 verbunden. Rückschlagspannungen, die beim Schließen des gegen die Gleichspannung U_DC geschalteten p-leitenden Feldeffekttransistors p-FET auftreten, werden nun während der gegen Masse geschaltete n-leitende Feldeffekttransistor n-FET noch geschlossen ist in Form eines entgegen der Sperrichtung der Diode Z1 abfließenden Stroms abgebaut.
Umgekehrt werden Rückschlagspannungen, die beim Schließen des gegen Masse GND geschalteten n-leitenden Feldeffekttransistors n-FET auftreten, während der gegen die Gleichspannung U_DC geschaltete p-leitende Feldeffekttransistor p-FET noch geschlossen ist, in Form eines entgegen der Sperrichtung der Diode Z2 abfließenden Stroms abgebaut.
Bedingt durch die rechteckförmige Ansteuerung der Feldeffektransistoren p-FET, n-FET, FET_LS werden im Zerhacker 11 sehr schnelle Schaltvorgänge ausgeführt, die unter Umständen sehr hochfrequente Störsignale, z. B. Störsignale mit Frequenzen von 50 MHz oder mehr, zur Folge haben können. Um zu vermeiden, dass diese Störsignale nach außen gelangen weist der Zerhacker 11 vorzugsweise eingangsseitig und ausgangsseitig jeweils eine Entstörungsschaltung 15, 17 auf, die durch die Schaltvorgänge gegebenenfalls erzeugte hochfrequente Stromanteile dämpft.
Die eingangsseitig vorgesehene Entstörungsschaltung 15 umfasst beispielsweise eine in die erste Leitung L1 eingesetzte Induktivität I1, der ein mit einem Kondensator C1 ausgestatteter Querzweig Q4 vorgeschaltet, und der ein weiterer ebenfalls mit einem Kondensator C2 ausgestatter Querzweig Q5 nachgeschaltet ist. Hierdurch besteht ein Filter, das hochfrequente Stromanteile, insb. Stromanteile, die Frequenzen im Megahertzbereich aufweisen wegdämpft, Gleichstromanteile jedoch ungehindert passieren lässt.
Ausgangsseitig weist der Zerhacker 11 eine erste und eine zweite Ausgangsleitung A1 und A2 auf. Die erste Ausgangsleitung A1 ist über einen weiteren zwischen den beiden Dioden Z1, Z2 im dritten Querzweig Q3 angeordeneten Abgriff P4 an den Abgriff P3 angeschlossen. Die zweite Ausgangsleitung A2 ist an die zweite Leitung L2 angeschlossen und liegt damit, wie diese an Masse GND.
Die ausgangsseitig vorgesehene Entstörungsschaltung 17 ist beispielsweise in die Ausgangsleitungen A1, A2 eingesetzt, und umfasst eine in die erste Ausgangsleitung A1 eingesetzte Induktivität I2, der ein mit einem Kondensator C1, ausgestatteter die beiden Ausgangsleitungen A1, A2 verbindender Querzweig Q6 nachgeschaltet ist. Auch diese Entstörungsschaltung 17 bildet ein Filter, das hochfrequente Stromanteile, insb. Stromanteile, die Frequenzen im Megahertzbereich aufweisen wegdämpft, die deutlich niederfrequenteren Wechselstromanteile der vom Zerhacker 11 generierten Wechselspannung U_AC jedoch ungehindert passieren lässt.
Vorzugsweise weist der Zerhacker 11 ausgangsseitig eine Gleichspannungsentkopplung auf, die einen in der erzeugten Wechselspannung vorhandenen Gleichspannungsanteil eliminiert. Dies ist beispielsweise ein in die erste Ausgangsleitung A1 eingesetzter Gleichspannungsentkopplungskondensator C_DC. Damit steht am Ausgang des Zerhackers 11 die vom Gleichspannungsanteil bereinigte in 4 dargestellte Wechselspannung U_AC zur Verfügung.
Der Messumformer weist zwei oder mehr parallel zueinander an den Zerhacker 11 angeschlossene Anschlussmodule 19, 21 auf, die von dem Zerhacker 11 parallel mit der rechteckförmigen Wechselspannung U_AC gespeist werden. Jedes Anschlussmodul 19, 21 weist jeweils einen Transformator 23 und einen dem jeweiligen Transformator 23 nachgeschalteten Gleichrichter 25 auf. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu, in dem zwei parallel zueinander geschaltete mit der Wechselspannung U_AC gespeiste Transformatoren 23 mit nachgeschalteten Gleichrichtern 25 dargestellt sind. Die Gleichrichter 25 sind hier vier Dioden D1, D2, D3, D4, die zu einem klassischen Brückengleichrichter verschaltet sind, dem vorzugsweise jeweils ein Glättungskondensator C_G nachgeschaltet ist.
Dabei bietet die zuvor beschriebene im Zerhacker 11 ausgeführte Gleichspannungsentkopplung den Vorteil, dass die Primärwindungen der Transformatoren 23 nicht unnötig durch Gleichstromanteile belastet werden, die ansonsten zu einer unerwünschten Wärmeentwicklung in den Transformatoren 23 führen würden.
Da an den Transformatoren 23 primärseitig jeweils die vom Zerhacker 11 generierte rechteckförmige Wechselspannung U_AC mit präzise stabilisierten Spannungspegeln, hier +/– 6 V, anliegt, steht auf deren Sekundärseite ebenfalls eine rechteckförmige Sekundärspannung mit präzise stabilisierten Spannungspegeln zur Verfügung. Dabei bietet die Rechteckform der Sekundärspannung den Vorteil, dass sich hieraus bereits durch eine einfache Gleichrichtung unmittelbar eine weitgehend konstante Gleichspannung U_DC1, U_DC2 erzeugen lässt. Dies wäre bei der Verwendung sinusförmiger Wechselspannungen nicht der Fall. Entsprechend reicht es hier aus sehr kleine Glättungskondensatoren C_G, wie z. B. kostengünstige keramische Kondensatoren, einzusetzen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Spannungspegel der am Ausgang der Gleichrichter 25 zur Verfügung stehenden Gleichspannungen U_DC1, U_DC2 über das Übersetzungsverhältnis des jeweiligen Transformators 23 frei einstellbar sind.
An jedes Anschlussmodul 19, 21 ist jeweils eine der oben beschriebenen Einheiten 7, 9 anschließbar. Diese wird dann über das Anschlussmodul 19, 21 galvanisch getrennt von allen anderen Komponenten des Messumformers mit der von dem jeweiligen Anschlussmodul 19, 21 erzeugten Gleichspannung U_DC1, U_DC2 versorgt. Dabei können durch eine entsprechende Auswahl der Transformatoren 23 auch Einheiten 7, 9 angeschlossen werden, die sehr unterschiedliche Gleichspannungen zu ihrer Versorgung benötigen.
Parallel dazu erfolgt eine gegebenenfalls erforderlich digitale Kommunikation zwischen den Einheiten 7, 9 und der digitalen Einheit 5 jeweils über eine mit einer galvanischen Trennung 27, z. B. einen Optokoppler oder einen Übertrager, versehene digitale Datenleitung 29, 31, die die jeweilige Einheit 7, 9 mit der digitalen Einheit 5 verbindet. Die galvanische Trennungen 27 sind hier beispielsweise Optokoppler oder Übertrager, die vorzugsweise in dem jeweiligen Anschlussmodul 19, 21 untergebracht sind.
Bezugszeichenliste

1: Netzteil
3: Gleichspannungsgenerator
5: digitale Einheit
7: Einheit
9: Einheit
11: Zerhacker
13: Level-Shifter
15: eingangsseitige Entstörungsschaltung
17: ausgangsseitige Entstörungsschaltung
19: Anschlussmodul
21: Anschlussmodul
23: Transformator
25: Gleichrichter
27: galvanische Trennung
29: Datenleitung
31: Datenleitung

Claims

Messumformer mit – einem Netzteil (1), – das einen Gleichspannungsgenerator (3) aufweist, der dazu dient eine stabile Gleichspannung (U_DC) zu erzeugen; – einem an den Gleichspannungsgenerator (3) angeschlossenen Zerhacker (11), – der aus der stabilen Gleichspannung (U_DC) eine rechteckförmige Wechselspannung (U_AC) erzeugt, – einer digitalen Einheit (5), die zur Ansteuerung des Zerhackers (11) dient, und – zwei oder mehr parallel zueinander an den Zerhacker (11) angeschlossenen Anschlussmodulen (19, 21), – die jeweils einen Transformator (23) aufweisen, der die rechteckförmige Wechselspannung (U_AC) transformiert, – die jeweils einen dem jeweiligen Transformator (23) nachgeschalteten Gleichrichter (25) aufweisen, der aus der transformierten rechteckformigen Wechselspannung eine Gleichspannung (U_DC1, U_DC2) erzeugt, und – an die jeweils eine Einheit (7, 9) anschließbar ist, – die über das jeweilige Anschlussmodul (19, 21) galvanisch getrennt von allen anderen Komponenten des Messumformers mit der Gleichspannung (U_DC1, U_DC2) versorgt wird.
Messumformer nach Anspruch 1, bei dem die Einheiten (7, 9) Sensoren, Stromausgänge des Messumformers, und/oder Kommunikationseinheiten zur Anbindung des Messumformers an eine übergeordnete Einheit, sind.
Messumformer nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine der Einheiten (7, 9) über eine mit einer galvanischen Trennung (27) versehene digitale Datenleitung (29, 31) an die digitale Einheit (5) angeschlossen ist.
Messumformer nach Anspruch 3, bei dem die galvanische Trennung (27) jeweils in dem zugehörigen Anschlussmodul (19, 21) angeordnet ist, an das die jeweilige Einheit (7, 9) anzuschließen ist.
Messumformer nach Anspruch 3, bei dem die galvanischen Trennung (27) ein Optokoppler oder ein Übertrager ist.
Messumformer nach Anspruch 1, bei dem – der Zerhacker (11) einen p-leitenden gegen die vom Spannungsgenerator (3) generierte Gleichspannung (U_DC) geschalteten Feldeffekttransistor (p-FET) und einen in Serie dazu gegen Masse (GND) geschalteten n-leitenden Feldeffekttransistor (n-FET) aufweist, – die beiden Feldeffekttransistoren (p-FET, n-FET) über deren Steuereingängen (Gp, Gn) zugeführte vorgegebenen Taktraten (Takt₁, Takt₂) folgenden Steuerspannungen derart angesteuert sind, dass mit einer durch die Taktraten (Takt₁, Takt₂) vorgegebenen Frequenz (f) abwechselnd jeweils einer der beiden Feldeffekttransistoren (p-FET bzw. n-FET) leitend geschaltet wird, während der andere Feldeffekttransistor (n-FET bzw. p-FET) sperrt, und – eine rechteckförmige Wechselspannung über einen zwischen den beiden Feldeffektransistoren (p-FET, n-FET) angeordneten Abgriff (P2) abnehmbar ist.
Messumformer nach Anspruch 6, bei dem – die digitale Einheit (5) eine erste und eine zweite jeweils rechteckförmige mit einer vorgegebenen Taktrate (Takt₁, Takt₂) variierende Steuerspannung (U_st1, U_st2) erzeugt, – die beiden Steuerspannungen (U_st1, U_st2) gegeneinander um eine halbe Periodendauer zeitlich versetzt sind, – der Zerhacker (11) einen Level-Shifter (13) aufweist, der anhand der ersten Steuerspannung (U_st1) eine synchron zur ersten Steuerspannung (U_st1) variierende rechteckförmige Steuerspannung mit höheren Spannungspegeln erzeugt, die am Steuereingang (G_p) des p-leitenden Feldeffekttransistors (p-FET) anliegt und über die der p-leitende Feldeffekttransistor (p-FET) gesteuert wird, und – die zweite Steuerspannung (U_st2) am Steuereingang (G_n) des n-leitenden Feldeffekttransistors (n-FET) anliegt und der n-leitende Feldeffekttransistor (n-FET) über diese zweite Steuerspannung (U_st2) gesteuert wird.
Messumformer nach Anspruch 6, bei dem zwischen den einzelnen Schaltvorgängen der Feldeffektransistoren (p-FET, n-FET) eine Totzeit (Δt) vorgesehen ist, während der beide Feldeffektransistoren (p-FET, n-FET) geschlossen sind.
Messumformer nach Anspruch 8, bei dem – der Zerhacker (11) zwei in Serie geschaltete in Sperrrichtung betriebene Dioden (Z1, Z2) aufweist, die parallel zu den beiden Feldeffekttransistoren (p-FET, n-FET) angeordnet und diesen nachgeschaltet sind, – der Abgriff (P2) zwischen den beiden Feldeffekttransistoren (p-FET, n-FET) mit einem zwischen den beiden Dioden (Z1, Z2) angeordneten Abgriff (P3) verbunden ist, und – eine rechteckförmige Wechselspannung über den zwischen den beiden Dioden (Z1, Z2) angeordneten Abgriff (P3) abnehmbar ist.
Messumformer nach Anspruch 6, bei dem der Zerhacker (11) eingangsseitig und/oder ausgangsseitig eine Entstörungsschaltung (15, 17) aufweist, die hochfrequente durch Schaltvorgänge der Feldeffektransistoren (p-FET, n-FET, n-FET_LS) im Zerhacker (11) verursachte Stromanteile, insb. Stromanteile mit Frequenzen im Megaherzbereich, wegdämpft.
Messumformer nach Anspruch 1, bei dem der Zerhacker (11) ausgangsseitig eine Gleichspannungsentkopplung aufweist, die einen in der im Zerhacker (11) generierten Wechselspannung enthaltenen Gleichspannungsanteil eliminiert.
Messumformer nach Anspruch 1, bei dem die vom Zerhacker (11) erzeugte Wechselspannung (U_AC) eine Frequenz (f) von weniger als 100 kHz, insb. weniger als 50 kHz aufweist.
Messumformer nach Anspruch 1, bei dem der Gleichrichter (25) ein Brückengleichrichter mit einem nachgeschalteten Glättungskondensator (C_G) ist.