DE10322262A1

DE10322262A1 - Signal-Speisetrenner für Messsignale

Info

Publication number: DE10322262A1
Application number: DE2003122262
Authority: DE
Inventors: Lars Dipl.-Ing. Schweizer; Wolfgang Dipl.-Ing. Feucht; Jörg GIEBSON
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Knick Elektronische Messgeraete & Co Kg 1416 GmbH
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: DE10322262B4

Abstract

Ein Signal-Speisetrenner für Messsignale umfasst DOLLAR A - einen Speise-Eingang (1) mit einer primärseitigen Eingangsschaltung (4) und einer davon mittels eines Übertragers (6) potentialgetrennten, sekundärseitigen Ausgangsschaltung (7), DOLLAR A - eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (19) zur Versorgung der Ausgangsschaltung (7) und DOLLAR A - eine Regeleinrichtung (28) in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (19) zur Anpassung der Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung (7) an deren jeweils aktuellen Leistungsbedarf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Signal-Speisetrenner für Messsignale, insbesondere Dead-Zero- oder Live-Zero-Messsignale mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Ein derartiger Signal-Speisetrenner ist aus der älteren Anmeldung DE 102 17 447.4 bekannt und umfasst einen Speise-Eingang mit einer primärseitigen Eingangsschaltung, einer davon mittels eines Übertragers potentialgetrennten, sekundärseitigen Ausgangsschaltung sowie eine davon durch einen Übertrager potentialgetrennte Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung zur Versorgung u. a. der Ausgangsschaltung.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass ein Signal-Speisetrenner einen sogenannten 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. Einer üblichen Norm entsprechend ist das Stromsignal zwischen 4 und 20 mA veränderlich. Es handelt sich dann um ein sogenanntes Live-Zero-Messsignal. Ein ebenfalls der einschlägigen Norm entsprechendes Stromsignal zwischen 0 und 20 mA wird als Dead-Zero-Signal bezeichnet. Als weitere Alternative bei Signal-Speisetrennern ist die Umsetzung des eingangsseitigen Messsignals in eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 10 V üblich. Der Signaltrenner gemäß der vorliegenden älteren Patentanmeldung stellt diese Ausgangssignal-Bereiche zur Verfügung.

Signal-Speisetrenner werden oftmals in sogenannten Anreihgehäusen untergebracht, die beispielsweise in Schalt- und Steuerschränken von chemi schen Prozessanlagen untergebracht sind. Hierbei spielt eine möglichst große Kompaktheit der Anreihgehäuse eine zunehmend stärkere Rolle. Insoweit besteht ein grundsätzliches Erfordernis, derartige Speisetrenner insbesondere auch bei Realisierung einer sogenannten Drei-Port-Trennung (potentialgetrennte Ausführung von Speiseeingang, -ausgang und Hilfsenergie) in einem nur 6,1 mm breiten Norm-Anreihgehäuse aufzubauen. Die im Gehäuseinnenraum zur Verfügung stehenden Bauhöhe beträgt dann nur 4,2 mm.

Bei derartigen Dimensionen des zur Verfügung stehenden Gehäuses spielt neben der Baugröße der eigentlichen elektronischen Bauelemente auch die thermische Belastung der Schaltung eine besondere Rolle.

Der Grund hierfür liegt darin, dass herkömmliche Schaltungsanordnungen mit einer festen Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung arbeiten. Die Bemessung dieser Versorgungsspannung ergibt sich aus der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung und dem Eigenspannungsbedarf der Schaltung. Das Produkt aus Versorgungsspannung und Versorgungsstrom ergibt die aufgenommene Gesamtleistung der Ausgangsschaltung. Die Verlustleistung in der Ausgangsschaltung ist die Differenz zwischen der aufgenommenen Gesamtleistung und der am Ausgang abgegebenen Leistung.

Wird nun eine derart ausgeführte Ausgangsschaltung bei kleiner Ausgangsspannung betrieben, steigt die in der Ausgangsschaltung umgesetzte Verlustleistung. Der Wirkungsgrad der Schaltung verschlechtert sich. Der Praxisfall einer kleinen Ausgangsspannung kombiniert mit einem hohen Ausgangssignalstrom verursacht daher eine relativ hohe Verlustleistung in der Ausgangsschaltung, die dafür ausgelegt sein muss. Es müssen daher Bauelemente eingesetzt werden, die entsprechend hohe Verlustleistungen umsetzen können. Deren Platzbedarf ist dementsprechend vergleichsweise groß. Verlustleistung und Platzbedarf der Bauelemente verhindern demzufolge die Verwendung eines schmalen Anreihgehäuses mit einem Rastermaß von 6,1 mm.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Signal-Speisetrenner so auszulegen, dass er die Ausführung eines insbesondere Drei-Port-Signaltrenners mit hoher Ausgangsleistung mit kleinem Bauvolumen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale grundsätzlich gelöst. Demnach ist eine Regeleinrichtung in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung vorgesehen, die die Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung an deren jeweils aktuellen Leistungsbedarf anpasst. Damit wird der Leistungsverbrauch der Ausgangsschaltung bei kleinen Ausgangsspannungen reduziert, was gleichzeitig die Verlustleistung entscheidend herabsetzt. Dies bringt es wiederum mit sich, dass die thermische Belastung der Bauelemente gegenüber dem Stand der Technik so verringert werden kann, dass kleinere Bauelemente und geringere Volumina des Trennergehäuses verwendbar sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Das beigefügte Schaltbild zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Signal-Speisetrenners mit Regeleinrichtung für die Versorgungsspannung.
Wie aus dem beigefügten Schaltplan hervorgeht, weist der Signal-Speisetrenner einen Speise-Eingang 1 mit einem positiven Anschluss 2 und einem negativen Anschluss 3 auf. Die nur rudimentär in ihren wichtigsten Bauteilen gezeigte Eingangsschaltung 4 weist zwei in Serie geschaltete Gleichrichterdioden D1, D2 sowie zwei ebenfalls seriell zu den Anschlüssen 2, 3 liegende Kapazitäten C1, C2 auf. Zwischen den Mittenabgriffen zwischen den Dioden D1, D2 und den Kapazitäten C1, C2 liegt die Primärwicklung 5 des in der Eingangsschaltung 4 angeordneten Übertragers 6, der die insgesamt mit 7 bezeichnete Ausgangsschaltung des Speisetrenners von der Eingangsschaltung 4 potentialmäßig trennt.
Die Sekundärwicklung 8 des Übertragers 6 liegt mit ihrem einen Anschluss auf dem Mittenabgriff zwischen zwei Kondensatoren C3, C4 und mit dem anderen Anschluss am Abgang einer Modulatorschaltung 9, wie sie Gegenstand der eingangs genannten älteren Patentanmeldung ist.
Die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 sind sogenannte Mittelpunktskondensatoren, die Dioden D1, D2 dienen zur primärseitigen Gleichrichtung der von der Modulatorschaltung 9 her rückwärts über den 1:1-Übertrager 6 eingespeisten Speisespannung.
Die Modulatorschaltung 9 ist mit einem sekundärseitigen Zerhacker 10 versehen, mit dessen Hilfe aus der noch näher zu erläuternden Versorgungs-Gleichspannung ein Wechselsignal zur Übertragung über den Übertrager 6 hergestellt wird.
Die Ausgangsschaltung 7 ist ebenfalls gemäß der erwähnten älteren Anmeldung 102 17 447.4 ausgestaltet und diesbezüglich herkömmlicher Natur. Ihrem Ausgang 11 mit positivem Anschluss 12 und negativem An schluss 13 ist demgemäß zum einen eine Live-Zero-Schaltung 14 vorgeschaltet, mit deren Hilfe das normgerechte 4 ... 20 mA-Signal am Ausgang 11 entsprechend einem Eingangssignal am Speiseeingang 1 erzeugt wird. Ferner ist dem Ausgang 11 eine Strom/Spannung-Bereichsumschaltung 15 vorgeschaltet, die einen Impedanzwandler 16 und entsprechende Schaltweichen 17, 18 eingangs- und ausgangsseitig aufweist. Die eingangsseitige Schaltweiche 17 ist über einen Vorwiderstand R2 dem Impedanzwandler 16 vorgeschaltet. Die Live-Zero-Schaltung 14 ist üblicher Bauart und beispielsweise in der Patentschrift DE 34 12 843 C3 der Anmelderin beschrieben.
Zur Versorgung der Eingangsschaltung 4 und der Ausgangsschaltung 7 mit Modulatorschaltung 9 ist eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 19 vorgesehen, über deren Eingangsanschlüsse 20, 21 ein Zerhacker 22 liegt. Dessen Abgang 23 ist mit der Primärwicklung 24 eines Übertragers 25 in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 19 gekoppelt. Die Primärwicklung 24 ist mit ihrem zweiten Anschluss an den Mittenabgriff 26 zwischen zwei Eingangskondensatoren C7, C8 über den Eingangsanschlüssen 20, 21 geschaltet. Mit Hilfe des Zerhackers 22 und der beiden Eingangskondensatoren wird die an den Eingangsanschlüssen 20, 21 anliegende Gleichspannung in ein Wechselsignal umgewandelt, das über den Übertrager 25 auf die Sekundärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung übertragen wird. Dazu ist die Sekundärwicklung 27 des Übertragers 25 mit einem Anschluss mit dem Mittenabgriff zwischen zwei Glättungskondensatoren C5, C6 auf der Sekundärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 19 und mit dem anderen Anschluss der Sekundärwicklung 27 mit dem Mittenabgriff zwischen zwei Gleichrichterdioden D4, D5 verbunden. Die potentialgetrennt auf der Sekundärseite der Einspeisungsschaltung 19 zur Verfügung gestellte Wechselspannung wird so in eine Gleichspannung umgewandelt. Insge samt weist die gezeigte Schaltung also eine 3-Port-Trennung auf, wobei unter Weglassung des Übertragers 25 auch eine 2-Port-Trennung realisierbar ist.
Auf der Sekundärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 19 ist nun eine als Ganzes mit 28 bezeichnete Regeleinrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe die von der Einspeisungsschaltung 19 zur Ausgangsschaltung 7 abgegebene Versorgungsspannung an den jeweiligen aktuellen Leistungsbedarf der Ausgangsschaltung angepasst wird. Bei dieser Regeleinrichtung handelt es sich um einen DC-DC-Wandler 29, der in üblicher Fly-Back-Konfiguration – beispielsweise wie bei Schaltnetzteilen – aufgebaut ist. Dabei wird der Pulsweitenmodulationsregler 31 über dessen positiven Versorgungsanschluss mit Spannung versorgt. Die Primärwicklung 30 des DC-DC-Wandlers 29 ist dabei mit ihrem ersten Anschluss an die Diode D5 angeschlossen und der zweite Anschluss der Primärwicklung 30 über die Drain-Source-Strecke 32 eines MOSFETs 33 mit dem negativen Regelanschluss des Pulsweitenmodulationsreglers 31 verbunden. Der Regelausgang des Pulsweitenmodulationsreglers 31 ist mit dem Gate 34 des MOS-FETs 33 verbunden. Sein Regeleingang ist über eine Leitung 35 mit der Versorgungsleitung 38 für die Modulatorschaltung 9 verbunden, womit die an der Modulatorschaltung 9 anliegende Teilspannung als Regelgröße erfasst wird. Entsprechend wird durch Pulsweitenmodulation die vom DC-DC-Wandler 29 übertragene, nach der Sekundärwicklung 36 durch eine Diode D3 in ein Gleichspannungssignalumgewandelte Leistung so geregelt, dass die Spannung am Modulator 9 konstant gehalten wird. Die der Ausgangsschaltung 7 zugeführte Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 29 ergibt sich demnach durch die Addition der Versorgungsspannung für die Modulatorschaltung 9. den Eigenspannungsbedarf der Ausgangsschaltung 7 sowie die Spannung über den Anschlüssen 12, 13 des Ausgangs 11.
Die Regeleinrichtung 28 kann im übrigen auch auf der Primärseite der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung angeordnet sein.
Der Speiseeingang 1 soll in der Regel mit einer konstanten Spannung unabhängig vom eigentlichen Messsignal betrieben werden. Dazu kann mit Hilfe des Widerstandes R1 in der Versorgungsleitung 38 der Messsignalstrom I_mess auf der Sekundärseite über den entsprechenden Spannungsabfall am Widerstand R1 gemessen und dem Pulsweitenmodulationsregler 31 über die weitere Verbindungsleitung 37 als Regelgröße zugeführt werden. Damit wird die Versorgungsspannung der Modulatorschaltung 9 entsprechend dem Messsignalstrom I_mess nachgeregelt. Die Anordnung kompensiert damit den Innenwiderstand der Modulatorschaltung und reduziert ferner Linearitätsfehler durch Messwert- oder Bürden-bedingte Spannungsänderungen.
Zusammenfassend zeigt die erfindungsgemäße Regeleinrichtung 28 mit DC-DC-Wandler 29 den vorteilhaften Effekt, dass sich die Ausgangsspannung des Wandlers 29 in Abhängigkeit vom tatsächlich benötigtem Spannungsbedarf einstellt. Das aufgezeigte Schaltungskonzept reduziert damit die Aussteuerungsabhängigkeit der Verlustleistung, indem die Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung in Abhängigkeit von der momentan erforderlichen Ausgangsspannung eingestellt wird.

Claims

Signal-Speisetrenner für Messsignale, insbesondere Dead-Zero- oder Live-Zero-Messsignale, umfassend – einen Speise-Eingang (1) mit einer primärseitigen Eingangsschaltung (4) und einer davon mittels eines Übertragers (6) potentialgetrennten, sekundärseitigen Ausgangsschaltung (7), und – eine Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (19) zur Versorgung der Ausgangsschaltung (7), gekennzeichnet durch – eine Regeleinrichtung (28) in der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (19) zur Anpassung der Versorgungsspannung der Ausgangsschaltung (7) an deren jeweils aktuellen Leistungsbedarf.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (28) bei einer durch einen Übertrager (25) potentialgetrennten Hilfsenergie-Einspeisungseinrichtung (19) primärseitig oder vorzugsweise sekundärseitig angeordnet ist.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Ausgangsschaltung (7) eine Modulatorschaltung (9) für den Speise-Eingang (1) mit einem sekundärseitigen Zerhacker (10) vorgesehen ist, die von der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung (19) versorgt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung einen Wandler (29) aufweist, mit dem die Versorgungsspannung der Modulatorschaltung (9) konstant haltbar ist.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler als DC-DC-Wandler (29) in Fly-back-Konfiguration ausgelegt ist.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (30) des DC-DC-Wandlers (29) mit der Drain-Source-Strecke (32) eines MOSFETs (33) in Reihe geschaltet ist, dessen Gate (34) von einem Pulsweitenmodulationsregler (31) ansteuerbar ist.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsweitenmodulationsregler (31) auf die an der Modulatorschaltung (9) liegende Versorgungsspannung als Regelgröße zugreift.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung der Modulatorschaltung (9) in Abhängigkeit des sekundärseitigen Messsignalstromes (I_mess) nachregelbar ist.
Signal-Speisetrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des sekundärseitigen Messsignalstromes (I_mess) ein Messwiderstand (R1) in die Versorgungsleitung (38) der Modulatorschaltung (9) eingeschaltet ist, dessen Spannungsabfall dem Pulsweitenmodulationsregler (31) als Regelgröße zuführbar ist.