DE102014014682A1 - Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit - Google Patents
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Abstract
Um mit einer Schaltungsanordnung (1) auf einfache Weise eine zu messende Gleichspannung einer Spannungsquelle (2) auf eine von der Spannungsquelle (2) galvanisch getrennte Auswerteeinheit (3) zu übertragen, schlägt die Erfindung vor, zur galvanischen Trennung einen Transformator (4) mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 zu verwenden, wobei die Primärwicklung (5) des Transformators (4) mit einer Eingangsstufe (7) zur Umwandlung der zu messenden Gleichspannung in eine amplitudenmodulierte erste Wechselspannung verbunden ist und wobei die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) mit einer Ausgangsstufe verbunden ist, welche die in der Sekundärwicklung erzeugte zweite Wechselspannung mit Hilfe eines Synchrongleichrichters in eine der zu messenden Gleichspannung proportionale Gleichspannung umwandelt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung einer Spannungsquelle auf eine von der Spannungsquelle galvanisch getrennte Auswerteeinheit.
- Um beispielsweise den Lade-/Entladezustand einzelner Batteriezellen einer Batterie zu überwachen, kann es vorteilhaft sein, die jeweils zu messende Zellenspannung nicht direkt mit einem Messwertaufnehmer oder einer sonstigen Auswerteeinheit zu verbinden, sondern mit Hilfe einer entsprechenden Schaltungsanordnung die Spannungsquelle von der Auswerteeinheit galvanisch zu trennen. Insbesondere bei relativ kleinen zu messenden Spannungen und der Verwendung langer Leitungen zwischen der mit einem Verbraucher verbundenen Batteriezelle und der Auswerteeinheit kann durch eine galvanische Trennung ein effizienter Schutz gegen Störungen erzielt werden.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu offenbaren, mit der es auf einfache Weise möglich ist, eine zu messende Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit zu übertragen, wobei auch noch Gleichspannungen unter 0,2 V auf die Auswerteeinheit übertragbar sein sollen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
- Die Erfindung beruht im Wesentlichen auf dem Gedanken, zur galvanischen Trennung einen Transformator zu verwenden (induktive Trennung), der mindestens eine Primärwicklung und mindestens eine Sekundärwicklung aufweist, und ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 besitzt. Dabei ist die Primärwicklung des Transformators mit einer Eingangsstufe zur Umwandlung der zu messenden Gleichspannung in eine amplitudenmodulierte erste Wechselspannung verbunden, wobei die Eingangsstufe mindestens ein von einem ersten Taktgenerator ansteuerbares erstes Halbleiterschaltelement umfasst, welches den durch die Primärwicklung des Transformators fließenden Strom der Spannungsquelle periodisch unterbricht. Die Sekundärwicklung des Transformators ist mit einer Ausgangsstufe verbunden, welche die in der Sekundärwicklung erzeugte zweite Wechselspannung in eine der zu messenden Gleichspannung proportionale Gleichspannung umwandelt, wobei die Ausgangsstufe mindestens ein als Synchrongleichrichter wirkendes, von einem zweiten Taktgenerator ansteuerbares zweites Halbleiterschaltelement enthält, sowie einen ausgangsseitigen Kondensator aufweist, der durch die von dem Synchrongleichrichter erzeugte Gleichspannungen geladen und entladen wird.
- Vorzugsweise umfasst die Eingangsstufe ein parallel zur Primärwicklung des Transformators angeordnetes Netzwerk zur Entmagnetisierung des Transformators. Dieses Netzwerk kann aus einer Serienschaltung einer Diode und einer Z-Diode bestehen, so dass nach Öffnen des ersten Halbleiterschaltelementes die im Transformator durch den Aufmagnetisierungsvorgang gespeicherte Energie durch die Z-Diode aufgenommen wird.
- Da die Induktivität der Primärwicklung des Transformators und die Wickelkapazitäten einen Schwingkreis bilden, hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Bedämpfung dieses Schwingkreises parallel zur Primärwicklung ein Widerstand angeordnet ist.
- Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Ausgangsstufe einen zwischen der Sekundärwicklung und dem Kondensator angeordneten Strombegrenzungswiderstand enthält.
- Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten und/oder zweiten Halbleiterschaltelement um einen Feldeffekttransistor, insbesondere um einen MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor).
- Schließlich können die beiden Halbleiterschaltelemente statt durch zwei getrennte Taktgeneratoren auch durch einen einzigen Taktgenerator angesteuert werden, so dass eine Synchronisation der Taktgeneratoren entfällt.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden, anhand einer Figur erläuterten Ausführungsbeispiel.
- Die Figur zeigt eine schematische Schaltungsanordnung
1 zur Übertragung der zu messenden Gleichspannung einer Batteriezelle2 auf eine von der Batteriezelle2 galvanisch getrennte Auswerteeinheit3 . - Die Schaltungsanordnung
1 umfasst zur galvanischen Trennung einen Transformator4 mit einer Primärwicklung5 und einer Sekundärwicklung6 , der ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 besitzt. - Die Primärwicklung
5 des Transformators4 ist mit einer Eingangsstufe7 zur Umwandlung der zu messenden Gleichspannung in eine amplitudenmodulierte erste Wechselspannung verbunden. Hierzu umfasst die Eingangsstufe7 einen von einem ersten Taktgenerator8 ansteuerbaren ersten Feldeffekttransistor9 , der den durch die Primärwicklung5 des Transformators4 fließenden Strom der Spannungsquelle2 periodisch unterbricht, so dass der Feldeffekttransistor pro Zyklus eine Einschaltzeit T1 besitzt. - Die Sekundärwicklung
6 des Transformators4 ist mit einer Ausgangsstufe10 verbunden, welche die in der Sekundärwicklung6 induzierte Wechselspannung in eine der zu messenden Gleichspannung proportionale Gleichspannung umwandelt. Hierzu enthält die Ausgangsstufe10 einen als Synchrongleichrichter wirkenden zweiten Feldeffekttransistor11 , der von einem zweiten Taktgenerator12 angesteuert wird, derart, dass die Einschaltzeit T2 des zweiten Taktgenerators12 der Einschaltzeit T1 des ersten Taktgenerators entspricht und beide Einschaltzeiten einen vollständig synchronen Verlauf aufweisen. - Zur Glättung der von dem Synchrongleichrichter erzeugten Gleichspannung enthält die Ausgangsstufe
10 ausgangsseitig einen Kondensator13 . - Außerdem ist zwischen der Sekundärwicklung
6 und dem Kondensator13 ein Widerstand14 zur Begrenzung des Stromes in der Ausgangsstufe10 angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch die beiden Feldeffekttransistoren9 ,11 maximal fließenden Ströme keine Zerstörung dieser Transistoren bewirken können. - Da der Transformator
4 nur in einer Richtung von Strom durchflossen wird, sollte nach Beendigung jeder Einschaltzeit T1 des ersten Feldeffekttransistors9 eine Entmagnetisierung des Transformatorkernes erfolgen. Hierzu umfasst die Eingangsstufe7 ein Netzwerk15 , das aus einer parallel zur Primärwicklung5 des Transformators4 angeordneten Serienschaltung einer Diode18 und einer Z-Diode17 besteht, so dass nach Öffnen des ersten Halbleiterschaltelementes9 die im Transformator4 durch den Aufmagnetisierungsvorgang gespeicherte Energie durch die Z-Diode17 aufgenommen wird. - Außerdem umfasst das Netzwerk
15 einen Widerstand16 , der ebenfalls parallel zur Primärwicklung5 des Transformators4 geschaltet ist. Dieser Widerstand16 bewirkt eine Bedämpfung des durch die Induktivität der Primärwicklung5 des Transformators4 und die Wickelkapazitäten gebildeten Schwingkreises nach Öffnen des ersten Halbleiterschaltelementes9 . - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Batteriezelle, Spannungsquelle
- 3
- Auswerteeinheit
- 4
- Transformator
- 5
- Primärwicklung
- 6
- Sekundärwicklung
- 7
- Eingangsstufe
- 8
- (erster) Taktgenerator
- 9
- (erster) Feldeffekttransistor, Halbleiterschaltelement
- 10
- Ausgangsstufe
- 11
- (zweiter) Feldeffekttransistor, Halbleiterschaltelement
- 12
- (zweiter) Taktgenerator
- 13
- Kondensator
- 14
- Widerstand
- 15
- Netzwerk
- 16
- Widerstand
- 17,18
- Dioden
Claims (7)
- Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung einer Spannungsquelle (
2 ) auf eine von der Spannungsquelle (2 ) galvanisch getrennte Auswerteeinheit (3 ), mit den Merkmalen: a) zur galvanischen Trennung dient ein Transformator (4 ), der mindestens eine Primärwicklung (5 ) und mindestens eine Sekundärwicklung (6 ) aufweist, und ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 besitzt; b) die Primärwicklung (5 ) des Transformators (4 ) ist mit einer Eingangsstufe (7 ) zur Umwandlung der zu messenden Gleichspannung in eine amplitudenmodulierte erste Wechselspannung verbunden, wobei die Eingangsstufe (7 ) mindestens ein von einem ersten Taktgenerator (8 ) ansteuerbares erstes Halbleiterschaltelement (9 ) umfasst, welches den durch die Primärwicklung (5 ) des Transformators (4 ) fließenden Strom der Spannungsquelle (2 ) periodisch unterbricht; c) die Sekundärwicklung (6 ) des Transformators (4 ) ist mit einer Ausgangsstufe (10 ) verbunden, welche die in der Sekundärwicklung (6 ) erzeugte zweite Wechselspannung in eine der zu messenden Gleichspannung proportionale Gleichspannung umwandelt, wobei die Ausgangsstufe (10 ) mindestens ein als Synchrongleichrichter wirkendes, von einem zweiten Taktgenerator (12 ) ansteuerbares zweites Halbleiterschaltelement (11 ) sowie einen ausgangsseitigen Kondensator (13 ) umfasst, der durch die von dem Synchrongleichrichter erzeugte Gleichspannung geladen wird. - Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsstufe (
7 ) ein parallel zur Primärwicklung (5 ) des Transformators (4 ) angeordnetes Netzwerk (15 ) zur Entmagnetisierung des Transformators (4 ) umfasst. - Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Netzwerk (
15 ) zur Entmagnetisierung des Transformators (4 ) mindestens eine parallel zu der Primärwicklung (5 ) angeordnete, aus einer Diode (18 ) und einer Z-Diode (17 ) bestehende Serienschaltung vorgesehen ist. - Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Primärwicklung (
5 ) des Transformators (4 ) ein Widerstand (14 ) angeordnet ist. - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strombegrenzung der Ausgangsstufe (
10 ) diese einen zwischen der Sekundärwicklung (6 ) und dem Kondensator (13 ) angeordneten Widerstand (14 ) enthält. - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und/oder zweiten Halbleiterschaltelement (
9 ,11 ) um einen MOSFET handelt. - Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterschaltelemente (
9 ,11 ) durch den gleichen Taktgenerator (8 oder12 ) ansteuerbar sind.
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