DE102014014682A1 - Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit Download PDF

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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 Batteriezelle 2 auf eine von der Batteriezelle 2 galvanisch getrennte Auswerteeinheit 3.
  • Die Schaltungsanordnung 1 umfasst zur galvanischen Trennung einen Transformator 4 mit einer Primärwicklung 5 und einer Sekundärwicklung 6, der ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 besitzt.
  • Die Primärwicklung 5 des Transformators 4 ist mit einer Eingangsstufe 7 zur Umwandlung der zu messenden Gleichspannung in eine amplitudenmodulierte erste Wechselspannung verbunden. Hierzu umfasst die Eingangsstufe 7 einen von einem ersten Taktgenerator 8 ansteuerbaren ersten Feldeffekttransistor 9, der den durch die Primärwicklung 5 des Transformators 4 fließenden Strom der Spannungsquelle 2 periodisch unterbricht, so dass der Feldeffekttransistor pro Zyklus eine Einschaltzeit T1 besitzt.
  • Die Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 ist mit einer Ausgangsstufe 10 verbunden, welche die in der Sekundärwicklung 6 induzierte Wechselspannung in eine der zu messenden Gleichspannung proportionale Gleichspannung umwandelt. Hierzu enthält die Ausgangsstufe 10 einen als Synchrongleichrichter wirkenden zweiten Feldeffekttransistor 11, der von einem zweiten Taktgenerator 12 angesteuert wird, derart, dass die Einschaltzeit T2 des zweiten Taktgenerators 12 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 Kondensator 13.
  • Außerdem ist zwischen der Sekundärwicklung 6 und dem Kondensator 13 ein Widerstand 14 zur Begrenzung des Stromes in der Ausgangsstufe 10 angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass die durch die beiden Feldeffekttransistoren 9, 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 Feldeffekttransistors 9 eine Entmagnetisierung des Transformatorkernes erfolgen. Hierzu umfasst die Eingangsstufe 7 ein Netzwerk 15, das aus einer parallel zur Primärwicklung 5 des Transformators 4 angeordneten Serienschaltung einer Diode 18 und einer Z-Diode 17 besteht, so dass nach Öffnen des ersten Halbleiterschaltelementes 9 die im Transformator 4 durch den Aufmagnetisierungsvorgang gespeicherte Energie durch die Z-Diode 17 aufgenommen wird.
  • Außerdem umfasst das Netzwerk 15 einen Widerstand 16, der ebenfalls parallel zur Primärwicklung 5 des Transformators 4 geschaltet ist. Dieser Widerstand 16 bewirkt eine Bedämpfung des durch die Induktivität der Primärwicklung 5 des Transformators 4 und die Wickelkapazitäten gebildeten Schwingkreises nach Öffnen des ersten Halbleiterschaltelementes 9.
  • 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)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Primärwicklung (5) des Transformators (4) ein Widerstand (14) angeordnet ist.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Halbleiterschaltelemente (9, 11) durch den gleichen Taktgenerator (8 oder 12) ansteuerbar sind.
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