DE19756640A1 - Hilfsenergiefreier Gleichstromübertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hilfsenergiefreien Gleichstromübertrager, ins­ besondere einen Trenner für die Potentialtrennung bei der Zwei­ leiter-Übertragung von Dead- oder Live-Zero-Meßsignalen.

Ein typisches Anwendungsgebiet solcher Gleichstromübertrager sind Meß­ systeme, bei denen Meßsignale mittels einer Live-Zero-Stromübertragung im Bereich von 4 bis 20 mA übertragen werden. Bei diesen Systemen sind oft mehrere Meß- oder Regelgeräte in Reihe miteinander und mit dem Ein­ gang eines zu betrachtenden Trenners in einem Stromkreis mit begrenzter Maximalspannung zusammengeschaltet.

In der Praxis besteht grundsätzlich die Gefahr, daß die an den Trenner an­ geschlossene Bürde ihren Eingangswiderstand aufgrund einer Störung oder eines Defektes drastisch erhöht. Der Extremfall ist das Aufreißen des Bür­ denanschlusses, womit der Eingangswiderstand der Bürde praktisch un­ endlich wird. Ein einem solchen Falle wird die gesamte verfügbare Span­ nung des Reihenkreises für den mit der defekten Bürde belasteten Trenner allein verbraucht, was den Ausfall der übrigen Geräte der Reihenschaltung bewirkt.

In der Praxis führt die vorstehende Problematik häufig zum Verzicht auf die ansonsten sehr vorteilhaften hilfsenergiefreien Gleichstromübertrager für solche Stromkreise. Statt dessen wird auf rückwirkungsfreie, jedoch bezüglich Geräteaufbau und Leitungsinstallation aufwendigere und störan­ fälligere Stromübertrager mit Hilfsenergieversorgung zurückgegriffen. Die­ se sind jedoch auch aufgrund ihrer höheren Komplexität und ihrer geringe­ ren statistischen Lebensdauer von Nachteil.

In Form einer offenkundigen Vorbenutzung ist zur Lösung der vorstehen­ den Problematik bereits eine Schaltung bekannt, die auf der Erzeugung ei­ ner Rechteckspannung am Trennerausgang beruht. Diese Schaltung weist jedoch verschiedene Nachteile auf. So setzt die Eingangsspannungs-Be­ grenzung bei einem allmählichen Steigen des Bürdenwiderstandes - auch bis zu extrem hohen Werten - nicht ein. Dieser Fall tritt beispielsweise bei einer Kontaktkorrosion oder durch ein nicht schlagartiges Versagen - also ein Hochohmig werden - eines am Ausgang des Trenners angeschlossenen Gerätes auf. Ferner wird aus dem Zustand der Eingangsspannungs-Be­ grenzung heraus nicht in den Normalbetrieb zurückgeschaltet, wenn an den Trennerausgang eine Last mit Zener-Dioden-Charakteristik geschaltet wird, obwohl diese im zulässigen Spannungsbereich für Normalbetrieb liegt. Als Ausnahme sind sehr kleine Zener-Spannungen zu nennen. Eine solche Last kann z. B. durch bestimmte, auch zu mehreren in Reihe ge­ schaltete Digitalanzeiger ohne Hilfsenergie realisiert sein. Der Trenner er­ weckt in diesen Fällen den Eindruck, defekt zu sein, zumal der Zustand der Begrenzung bei eingangsseitig gespeistem Trenner stets auch dann auftritt, wenn an seinem Ausgang noch keine Bürde angeschlossen ist. Schließlich ist die vorbenutzte Schaltung verhältnismäßig komplex, da sie u. a. einen Operationsverstärker mit vielen internen Bauteilen verwendet. Dies ver­ schlechtert die sonst sehr hohe wahrscheinliche Lebensdauer und Zuverläs­ sigkeit bauelementenarmer hilfsenergiefreier Trenner erheblich.

Ausgehend von der geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, einen hilfsenergiefreien Gleichstromübertrager mit einer solchen Zusatzschaltung zur Begrenzung der Eingangsspannung auszurü­ sten, die vergleichsweise einfach aufgebaut ist, dabei jedoch auf eine Ein­ gangsspannungs-Begrenzung bei allmählichem Steigen der Bürde anspricht und ein Rückschalten in den Normalbetrieb auch bei Bürden mit Zener- Dioden-Charakteristik ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspru­ ches 1 angegebene Zusatzschaltung für einen hilfsenergiefreien Gleich­ stromübertrager. Demnach ist eine auf den Übertrager zugreifende interne Hilfsenergieversorgung mit Gleichrichterschaltung zur Erzeugung eines Hilfsgleichstromes vorgesehen. Dazu wird beispielsweise aus dem im Inne­ ren eines herkömmlichen Trenners mit transformatorischer Potentialtren­ nung erzeugten Wechselstrom sekundärseitig eine kleine Wechselspannung abgegriffen und aus dieser internen Hilfsenergie ein kleiner eingeprägter Hilfsgleichstrom erzeugt. Dadurch erhöht sich der Spannungsabfall des Trenners nur geringfügig. Im übrigen wäre auch bei nicht transformatorisch arbeitenden Trennern ein Energieabgriff in entsprechender Reihenschaltung ohne oder praktisch ohne fehlererhöhenden Querstrom möglich. Dies trifft auch für Gleichstromverhältnisse zu. In diesem Fall kann die Hilfsenergie­ versorgung eine eigene Zerhackerschaltung in Form eines Multivibrators aufweisen.

Ferner ist beim Erfindungsgegenstand dem Ausgang des Übertragers eine Diode vorgeschaltet, der der Hilfsgleichstrom in Sperrichtung der Diode eingeprägt wird. Dieser Hilfsgleichstrom fließt bei Normalbetrieb mit zu­ lässigen Bürden als Teil des ebenfalls eingeprägten sekundären Ge­ samtgleichstroms des Trenners parallel zu dem durch diese Diode fließen­ den Reststrom in den Ausgang, ohne die Summe - also den Gesamtgleich­ strom - zu verfälschen. Je nach Schaltung kann allenfalls ein geringfügiger Querstrom auftreten, der anhand der Ausführungsbeispiele noch näher er­ läutert wird.

Weiterhin wird beim Erfindungsgegenstand laut Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 durch eine vom Hilfsgleichstrom versorgte Meßschaltung der Ausgangsstrom des Übertragers gemessen. Auf die Meßschaltung greift eine Steuerschaltung für einen Kurzschlußzweig zu, der vor der Diode den Übertrager-Ausgang kurzschließen kann. Unterschreitet also der von der Meßschaltung gemessene Ausgangsstrom in Folge einer hohen Bürde einen vorbestimmten Wert, wird der Übertrager-Ausgang vor der Diode kurzge­ schlossen. Dadurch sinkt die Eingangsspannung am Übertrager-Eingang in beabsichtigter Weise auf einen kleinen Wert.

Erkennbar ist diese Funktion auch noch dann gewährleistet, wenn die Bür­ de in ihrem Eingangswiderstand langsam ansteigt. Ferner kann durch die Messung des Ausgangsstromes und die entsprechende Ansteuerung des Kurzschlußzweiges der erfindungsgemäße Gleichstromübertrager wieder in seinen Normalbetrieb zurückgeschaltet werden.

Bevorzugte Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen, zu deren Erläuterung zur Vermeidung von Wie­ derholungen auf die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispie­ len anhand der beigefügten Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 bis 8 Schaltbilder verschiedener Ausführungsformen eines hilfsenergiefreien Gleichstromübertragers mit Zusatzschaltung zur Eingangsspannungs-Begrenzung.

Anhand von Fig. 1 soll die grundsätzliche Einbindung einer Zusatzschal­ tung 1 zur Begrenzung der Eingangsspannung u_e eines hilfsenergiefreien Gleichstromübertragers 2 und die praktisch zu bevorzugende Ausführungs­ form dieser Zusatzschaltung 1 näher erläutert werden.

Der Übertrager 2 ist von herkömmlicher Bauart, d. h. seinen Eingängen 3, 4 ist ein Zerhacker 5 für den Eingangsstrom i_e nachgeschaltet. Der Zerhacker 5 formt das Eingangssignal in eine Wechselspannung um, die von einem Transformator 6 unter Potentialtrennung übertragen wird. Sekundärseitig ist der Transformator 6 mit einer Gleichrichterschaltung 7 versehen, die - wird die Zusatzschaltung 1 außer Betracht gelassen - am Ausgang 8, 9 des Übertragers 2 den Ausgangsstrom i_a liefert.

Für die Zusatzschaltung 1 ist nun eine interne Hilfsenergieversorgung 10 vorgesehen, die einen Kleinstleistungs-Transformator TR eines hohen Übersetzungsverhältnisses, z. B. mit einem Mini-Ferritkern, aufweist. Des­ sen Primärwicklung 11 ist in Reihe mit der Sekundärwicklung 12 des Transformators 6 des Übertragers 2 geschaltet. Die Sekundärwicklung 13 des Transformators TR ist bei Verwendung hoher Zerhackerfrequenzen zweckmäßigerweise kapazitätsarm ausgeführt. Die Primärwicklung 11 be­ steht aus wenigen Windungen.

Der Sekundärwicklung 13 des Transformators TR ist eine Gleichrichter­ schaltung in Form einer Spannungsverdopplerschaltung 14 nachgeschaltet, die aus jeweils in Reihe geschalteten Kondensatoren C1, C2 und Dioden D1 und D2 besteht. Die beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung 13 sind mit den Mittelabgriffen zwischen den Kondensatoren C1, C2 bzw. den Di­ oden D1, D2 verbunden. Die parallelliegenden Reihenschaltungen der Kondensatoren C1, C2 und Dioden D1, D2 sind im übrigen einerseits über eine Diode D3 mit dem Ausgang 8 des Übertragers 2 und andererseits mit dem Zweig 15 der Zusatzschaltung 1 verbunden. Die Spannungsverdopp­ lerschaltung 14 hat im übrigen den Vorteil einer halbierten Sekundärwin­ dungszahl des Transformators TR gegenüber der ebenfalls möglichen Graetz-Brückenschaltung oder der sogar noch eine Mittelanzapfung erfor­ dernden Mittelpunktsschaltung.

Durch die vorstehend erläuterte Hilfsenergieversorgung 10 wird also aus dem im Inneren des Transformators 6 des Übertragers 2 mit transformaton­ scher Potentialtrennung erzeugten Wechselstrom i_w sekundärseitig eine kleine Wechselspannung u_w abgegriffen und aus dieser internen "Hilfsenergie" ein kleiner eingeprägter Hilfsgleichstrom i_h auf der Sekun­ därseite des Transformators TR erzeugt. Dadurch erhöht sich der Span­ nungsabfall des Trenners nur geringfügig.

Die Zusatzschaltung 1 weist in dem dem Ausgang 8 zugeordneten Pol des Übertragers 2 eine schon oben erwähnte, in Durchlaßrichtung in Reihe vor den Ausgang 8 gelegte Diode D3 auf. Der eingeprägte Hilfsgleichstrom i_h wird parallel zur Diode D3 geschaltet. Bei sehr hoher Ausgangsbürde und entsprechend hoher Ausgangsspannung u_a fließt er zum Teil oder vollstän­ dig in eine spannungsbegrenzende Zener-Diode Z1, die zwischen dem ne­ gativen Ausgang 9 des Übertragers 2 und den den Hilfsstrom i_h führenden Zweig 15 der Zusatzschaltung 1 geschaltet ist. Bei Normalbetrieb mit zu­ lässigen Bürden fließt der Hilfsgleichstrom i_h dagegen als Teil des ebenfalls eingeprägten sekundären Gesamtgleichstroms i_g des Trenners über den Meßwiderstand R1 und zum Teil über die Emitter-Basis-Strecke des Tran­ sistors T3 parallel zu dem durch die Diode D3 fließenden Reststrom in voller Höhe in den Ausgang 8, ohne den Gesamtgleichstrom i_g, d. h. bei fehlerfreier Übertragung von 1 : 1-Übertragern den Eingangsgleichstrom i_e in relevanter Weise zu verfälschen. Die Diode D3 führt also automatisch ge­ nauso viel oder fast genauso viel Strom weniger als i_g, wie durch den ein­ geprägten Hilfsgleichstrom i_h parallel im Zweig 15 in der gleichen Rich­ tung fließt. Als Diode D3 wird im übrigen bevorzugt eine Schottky-Diode mittlerer Leistung verwendet, deren Sperrstrom auch bei hoher Umge­ bungstemperatur noch ausreichend gering sein muß. Unter diesen Umstän­ den bleibt deren Zusatzspannungsabfall bei Normalbetrieb gering.

Die Zusatzschaltung 1 weist ferner eine als Ganzes mit 16 bezeichnete Meßschaltung für den von der am Ausgang 8, 9 angeschalteten Bürde be­ einflußten Ausgangsstrom i_a auf. Diese Meßschaltung 16 weist einen Tran­ sistor T3 auf, dessen Emitter direkt und dessen Basis über einen Meßwider­ stand R1 mit dem Zweig 15 verbunden sind. Die Basis ist ferner direkt mit dem Ausgang 8 gekoppelt. Die Strommessung erfolgt durch Vergleich der Basis-Emitter-Spannung von T3 mit dem Spannungsabfall des Hilfsgleich­ stromes i_h bzw. des Ausgangsstroms i_a, falls i_a < i_h (die Zener-Diode Z1 führt dann den Strom i_h - i_a), an diesem Widerstand R1. Der Transistor T3 wird im übrigen über einen sehr hochohmigen Kollektor-Vorwiderstand R3 gespeist, der wiederum am Ausgang 9 anliegt.

Die Meßschaltung 16 arbeitet mit einer als Ganzes mit 17 bezeichneten Steuerschaltung für einen Kurzschlußzweig 18 der Zusatzschaltung 1 zu­ sammen. Dieser Kurzschlußzweig 18 schließt den Ausgang 8, 9 des Über­ tragers vor der Diode D3 im Falle einer unzulässig hohen Bürde zur Be­ grenzung der Eingangsspannung u_e in noch näher zu erläuternder Weise kurz.

Die Steuerschaltung 17 umfaßt einen Transistor T4, dessen Emitter mit dem Emitter des Meßtransistors T3 zusammengeschlossen ist. Kollektor­ seitig ist der Transistor T4 mit dem Kopfpunkt 19 eines Spannungsteilers R4, R5 verbunden, dessen Fußpunkt 20 mit dem negativen Ausgang 9 ver­ bunden ist. Die Basis des Transistors T4 ist mit dem Kollektor des Meß­ transistors T3 gekoppelt. Zwischen Basis und Kollektor des Transistors T4 ist ferner ein Kondensator C3 geschaltet, der neben einer dynamischen Sta­ bilisierung eine Verbesserung der EMV-Festigkeit sowie ein langsameres Einschalten des Transistors T4 bewirkt. Dies wiederum führt zu einem langsameren Einschalten auch des noch näher zu erläuternden MOS-Feld­ effekttransistors T1 im Kurzschlußzweig 18, was dessen Einschaltstrom­ stoß verringert.

Der angesprochene Transistor T1 stellt das Halbleiter-Schaltelement für den Kurzschlußzweig 18 dar. Seine Drain-Source-Strecke ist zwischen die beiden Ausgänge 8, 9 vor der Diode D3 geschaltet. Sein Gate ist mit dem Mittelabgriff 22 des Spannungsteilers R4, R5 verbunden. Parallel zur Drain-Source-Strecke des Transistors T1 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Bipolartransistors T2, der über einen hochohmigen Wider­ stand R2 mit dem Kopfpunkt 19 des ohmschen Spannungsteilers R4, R5 verbunden ist. Der Transistor T2 ergänzt T1 als Anspring-Transistor.

Die Funktion der Eingangsspannungsbegrenzung bei unzulässig hoher Bür­ de ist wie folgt zu erörtern:
Im Normalbetrieb, d. h. bei zulässiger Bürdenbelastung, ist der Ausgang 8, 9 des Übertragers 2 durch die gesperrten Transistoren T1, T2 nicht kurzge­ schlossen. Der Ausgangsstrom i_a ist unverfälscht gleich dem Gesamtgleich­ strom i_g bis auf einen kleinen Fehler, der durch einen Querstrom über den Widerstand R3 bedingt ist. Dieser Übertragungsfehler kann durch eine sehr hochohmige Ausführung des Widerstandes R3 in der Größenordnung von einigen MOhm sehr klein gehalten werden. Der Ausgangsstrom i_a setzt sich zusammen aus dem teils über den Meßwiderstand R1, teils über die Basis des Transistors T3 fließenden Hilfsgleichstrom i_h und dem durch die Diode D3 fließenden Reststrom i_g - i_h. In diesem Zustand ist die von dem Meß­ transistor T3 über den Widerstand R1 gemessene Spannung hoch, womit der über den sehr hochohmigen Kollektorvorwiderstand R3 gespeiste Meßtransistor T3 zwischen Kollektor und Emitter kurzgeschlossen ist. Da­ durch wird die Basis-Emitterstrecke des nachgeschalteten, sonst mit Ba­ sisstrom über den Widerstand R3 versorgten Transistors T4 kurzgeschlos­ sen. Der Treibertransistor T4 öffnet und sein Kollektor ist stromlos.

Dadurch sind der vom Treibertransistor T4 über den Spannungsteiler aus den beiden sehr hochohmigen Widerständen R4 und R5 gesteuerte Transi­ stor T1 und der Anspringtransistor T2 ebenfalls ausgeschaltet. Der Transi­ stor T1 ist im Falle der Fig. 1 als N-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ausge­ führt.

Unterschreitet nun der Ausgangsstrom i_a infolge einer hohen Bürde einen bestimmten Wert, so wird dies über die am Meßwiderstand R1 abfallende Spannung detektiert, die abnimmt und bei Unterschreiten eines bestimmten Wertes den Meßtransistor T3 in den Sperrzustand versetzt. Dadurch schließt der Treibertransistor T4 zwischen Emitter und Kollektor kurz, wo­ durch der Spannungsteiler R4, R5 strombeaufschlagt wird und damit durch die abfallende Spannung der Kurzschluß-Transistor T1 in den leitenden Zustand versetzt wird. Damit wird der Ausgang 8, 9 vor der Diode D3 kurzgeschlossen, so daß die Eingangsspannung u_e am Eingang 3, 4 des Trenners entsprechend der Erfindungsaufgabe auf einen kleinen Wert be­ grenzt wird. Der dann bei gesperrter Diode D3 zum Teil in die hochohmige Ausgangsbürde und zum Teil in ein spannungsbegrenzendes Bauelement, wie die Zener-Diode Z1, fließende Hilfsgleichstrom i_h sorgt für einen An­ stieg der Ausgangsspannung u_a bis zur Höhe der Spannungsbegrenzung, also z. B. bis zur Zener-Spannung der Diode Z1.

Im Zusammenhang mit der in Fig. 1 gezeigten Schaltanordnung zum Kurz­ schließen des Ausgangs 8, 9 ist zu ergänzen, daß hier das kurzschließende Schaltelement durch die beiden parallelgeschalteten Transistoren T1 und T2 realisiert wird. Der MOS-Feldeffekttransistor T1 weist dabei eine hohe Stoßstrombelastbarkeit und hohe Leistungsverstärkung aufs kann also den Dauerkurzschluß auch bei hohen Übertragungsströmen übernehmen. Er benötigt dazu jedoch eine verhältnismäßig hohe Ansteuerspannung, die bei sehr niedriger Spannung der Speisespannungsquelle bzw. sehr niedriger Restspannung u_e nach Abzug des Spannungsabfalls an sonstigen Verbrau­ chern im Primärkreis des Trenners und bei einer mäßig hochohmigen Aus­ gangsbürde nicht erreicht werden würde, da mangels ausreichender Bürde kein ausreichender Gesamtgleichstrom i_g und damit kein ausreichender Hilfsgleichstrom i_h zum genügenden Hochfahren der Spannung an der Aus­ gangsbürde und damit am Spannungsteiler R4, R5 fließen würde. Damit würde der Kurzschluß durch den anzusteuernden Transistor T1, der diesen Zustand beenden würde, nicht einsetzen, sondern es würde ein halbleiten­ der Zustand des Transistors T1, unter Umständen auch eine Kippschwin­ gung entstehen.

Abhilfe schafft hier der über den hochohmigen Widerstand R2 angesteuerte bipolore Transistor T2, der eine geringe Einschaltspannung aufweist. Die­ ser kann auch ohne ausreichenden Hilfsgleichstrom i_h direkt von der Ein­ gangsspannung u_e über die Diode D3 und den Widerstand R1 mit ausrei­ chender Spannung zum Kurzschließen versorgt werden, sobald der Transi­ stor T3 wegen zu geringem Ausgangsstroms i_e ausgeschaltet wird. Die da­ nach einsetzenden hohen Ströme, die der Transistor T2 u. a. wegen zu ge­ ringer Stromverstärkung nicht mehr führen kann, übernimmt der Transistor T1.

Wird nun in dem vorgenannten Kurzschlußzustand wieder eine für Nor­ malbetrieb zulässige Bürde (auch z. B. eine Zener-Diode mit einem Span­ nungswert unterhalb der höchstzulässigen Normalbetriebs-Ausgangs­ spannung) angelegt, so steigt dank der - trotz sehr kleiner Eingangsspan­ nung u_e - am Ausgang vorgehaltenen hohen Gleichspannung u_a der Aus­ gangsstrom i_a wieder an, wodurch der Spannungsabfall über den Meßwi­ derstand R1 steigt und Meßtransistor T3 kurzschließt. Entsprechend wird der Treibertransistor T4 gesperrt, was die Kurzschluß-Transistoren T1, T2 wiederum in den Sperrzustand zurückführt. Der Kurzschluß des Ausgangs 8, 9 wird damit aufgehoben und es setzt Normalbetrieb ein.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß der Ausgangsstrom i_a aus dem Kurzschlußzustand auch bei beliebig niederohmiger Bürde ma­ ximal nur bis zur Höhe des eingeprägten Hilfsgleichstrom i_h steigen kann. Dieser Strom i_h muß zum Umschalten nach der vorstehend beschriebenen Methode ausreichen und hängt von der Größe des Eingangsgleichstromes i_e des Trenners ab. Der Eingangsgleichstrom darf also bei dieser Schaltungs­ variante einen durch geeignete Dimensionierung einstellbaren Mindestwert von z. B. 3,5 mA bei 4 bis 20-mA-Systemen nicht unterschreiten.

Zur Schaltung gemäß Fig. 1 bleibt noch zu ergänzen, daß die erwähnte Ze­ ner-Diode Z1 die Aufgabe einer sinnvollen, wählbaren Spannungsbegren­ zung auch zur Verringerung des bei Kurzschlußbetrieb auf die Primärseite des Transformators TR entsprechend seinem Übersetzungsverhältnis ver­ kleinert übertragenen Spannungsabfalls erfüllt. Sie stellt aber keinen Zu­ satzaufwand dar, da sie bei jedem Trenner ohnehin sinnvoll als EMV-Schutz einzubauen ist. Der gleichen Schutzaufgabe dienen noch die einfa­ chen Dioden D4 und D5, die daneben keine weiteren Funktionen erfüllen. Der zwischen den beiden Ausgängen 8, 9 liegende Kondensator C4 dient ebenfalls einem zusätzlichen EMV-Schutz und als Siebkondensator zur Glättung der Ausgangsspannung u_a.

In Fig. 1 ist ferner eine Variante V für den Meßwiderstand R1 gezeigt, bei der es sich um eine Widerstandsschaltung 21 aus zwei Festwiderständen R11 und R12 und aus einem temperaturabhängigen Widerstand NTC mit einem negativen Temperatur-Koeffizienten handelt. Eine Reihenschaltung aus dem Festwiderstand R12 und dem temperaturabhängigen Widerstand NTC ist dabei parallel zum zweiten Festwiderstand R11 gelegt. Durch die­ se Meßwiderstandsschaltung kann die Temperaturabhängigkeit des Grenz-Ausgangsstromes und damit der Grenzbürde verringert werden, da das Meßwiderstandssystem damit an die Temperaturabhängigkeit der Basis- Emitter-Spannung des Meßtransistors T3 angepaßt werden kann.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform handelt es sich um eine ver­ einfachte Variante, da hier der Anspring-Transistor T2 weggelassen ist. Zwar ist dadurch die Schaltung vereinfacht, jedoch muß der Nachteil in Kauf genommen werden, daß entweder die Anwendungsgrenzen der Schaltung eingeschränkt werden müssen oder die Schaltspannung des Tran­ sistors T1 sehr niedrig sein muß, was bei der zweckmäßigen Verwendung eines MOS-Feldeffekttransistors eine aufwendige Bauteilselektion erfor­ dert. Ansonsten sind alle übereinstimmenden Bauelemente mit identischen Bezugszeichen versehen und es kann diesbezüglich auf die Erläuterung zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 verwiesen werden. Dies trifft auch für alle weiteren Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 3 bis 8 zu, in deren Zusammenhang lediglich die Unterschiede zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 erläutert werden.

So ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 eine Kleinstleistungs-Zener-Diode Z2 in Reihe mit dem Widerstand R4 des Spannungsteilers R4, R5 geschaltet. Damit oder mit einem erhöhten Spannungsteilerverhältnis R4/R5 oder mit beiden Maßnahmen kann der Trenner auch unterhalb eines oben erwähnten Mindest-Stromwertes betrieben werden, wenn die Ein­ gangsspannungsquelle bei kleinen Strömen eine genügend hohe Spannungs­ reserve hat - wenn also bei diesen kleinen Strömen beim Umschalten zum Eingangskurzschluß wegen zu hoher Ausgangsbürde ein vorübergehend erhöhter Spannungsverbrauch des Trenners zulässig ist - und wenn außer­ dem für diese Ströme unter z. B. 4 mA deutlich reduzierte Bürdenspan­ nungs-Obergrenzen oder reduzierte Maximalbürden für Normalbetrieb in Kauf genommen werden. Diese Grenzen können durch entsprechende Di­ mensionierung unter Inkaufnahme einer weiter erhöhten, zum Umschalten kurzfristig benötigten Mindesteingangsspannung nach oben ausgedehnt werden.

Fig. 4 zeigt eine Alternative für die Kurzschluß-Schaltung, die hier aus zwei Bipolartransistoren T1' und T2' in Darlington-Schaltung mit einem in Reihe vor die Kollektoren geschalteten Schutzwiderstand R7 besteht. Fer­ ner ist für den Transistor T1' ein Widerstand R6 parallel zur Basis-Emitter-Strecke für zuverlässigen Sperrbetrieb vorgesehen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Alternative ist der Meßwiderstand R1 über eine Diodenkette D4, D5, D6 . . . mit dem Ausgangspol 8 des Übertragers 2 verbunden. Ferner ist statt des Kollektorvorwiderstandes R3 der entspre­ chende Widerstand R7 ebenfalls mit diesem Ausgangspol 8 gekoppelt. Zu­ sätzlich liegt zur Diode D3 ein hochohmiger Widerstand R8 parallelge­ schaltet.

Im Kurzschlußfall von T1 ist die Eingangsrestspannung u_e des Übertragers 2 durch den Spannungsabfall an den Dioden D4, D5, D6 . . . etwas höher, der sich durch den Transformator TR heruntertransformiert. Dafür entfällt im Normalbetrieb der kleine Fehlerstrom, der durch den Widerstand R3 in den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 4 verursacht wird. Der Strom durch den statt dessen verwendeten Widerstand R7 bedingt demgegenüber keinen Zusatzfehler. Der Widerstand R8 ist zur Versorgung des Transistors T4 mit Basisstrom bei extrem hochohmiger oder völlig fehlender Bürde erforderlich.

Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Meßtransistor T3 und Treibertransistor T4 durch einen selbstleitenden Junction-Feldeffekt­ transistor T3' ersetzt, der hier als P-Kanal-Transistor ausgeführt ist. Bei sehr kleinem Ausgangsstrom wird der Transistor T3' bei Unterschreiten seiner Abschnürspannung leitend und schaltet den Kurzschluß durch den Transistor T1 ein.

Der Nachteil dieser besonders einfachen und fehlerstromfreien Schaltung besteht allerdings in der Schwierigkeit, einen Junction-Feldeffekttransistor genügend exemplarunabhängiger und niedriger Abschnür-Spannung ohne teure Selektion zu finden. Auch eine alternative individuelle Anpassung des Meßwiderstands R1 wäre kostenaufwendig.

Die Zener-Diode Z3 dient zum Schutz des Transistors T3', damit dessen zulässige Gate-Source-Spannung nicht überschritten werden kann.

Bei der Schaltung nach Fig. 7 ist die Ansteuerung des den Kurzschluß be­ wirkenden Transistors T1 im Kurzschlußzweig 18 durch Vermittlung eines Transistors T5 gelöst, der basisseitig an den Mittelabgriff 22 eines Span­ nungsteilers R3, R10 geschaltet ist. Der Spannungsteiler R3, R10 ist an den Kollektor des Meßtransistors T3 angeschlossen. Mit seinem Kollektor ist der Transistor T5 mit dem Gate des Transistors T1 sowie über einen Wi­ derstand R9 mit dem Zweig 15 der Zusatzschaltung 1 verbunden. Es fließt bei Normalbetrieb ohne Kurzschluß durch T1 ein insgesamt höherer Feh­ lerstrom durch die beiden Widerstände R3, R9 als bei den Schaltungen nach Fig. 1 bis 6.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Schaltung ist der Meßtransistor T3 mit dem parallelgelegten Widerstand R1 in Reihe mit der Diode D3 geschaltet. Da­ durch erhöht sich der Gesamtspannungsverbrauch des Übertragers 2 um den Emitter-Basis-Spannungsabfall des Transistors T3.

Claims (19)

1. Hilfsenergiefreier Gleichstromübertrager, insbesondere Trenner für die Potentialtrennung bei der Zweileiter-Übertragung von Dead- oder Live-Zero-Meßsignalen, gekennzeichnet durch eine Zusatzschaltung (1) zur Begrenzung der Eingangsspannung (u_e) des Übertragers (2) bei anormal hochohmigen Bürden am Übertrager-Ausgang (8, 9) mit:

• - einer auf den Übertrager (2) zugreifenden internen Hilfsenergiever­ sorgung (10) mit Gleichrichterschaltung (14) zur Erzeugung eines Hilfsgleichstromes (i_h),
• - einer dem Ausgang (8, 9) des Übertragers (2) vorgeschalteten Diode (D3),
• - einem vor der Diode (D3) liegenden Kurzschlußzweig (18) mit min­ destens einem Halbleiter-Schaltelement (T1, T2) zum Kurzschließen des Übertrager-Ausgangs (8, 9) bei anormal hochohmiger Bürde am Ausgang (8, 9),
• - einer vom Hilfsgleichstrom (i_h) versorgten Meßschaltung (16) zur Messung des Ausgangsstromes (i_a) des Übertragers (2), und
• - einer auf die Meßschaltung (16) zugreifenden Steuerschaltung (17) für das mindestens eine Kurzschluß-Halbleiter-Schaltelement (T1, T2; T1', T2').

2. Gleichstromübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interne Hilfsenergieversorgung (10) einen mit seiner Primärwicklung (11) in Reihe mit der Sekundärwicklung (12) des Übertragers (2) liegen­ den Kleintransformator (TR) aufweist, der sekundärseitig mit einer Gleichrichterschaltung (14) versehen ist.

3. Gleichstromübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung als Spannungsverdopplerschaltung (14) aus­ gebildet ist.

4. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Diode (D3) eine niedrige Durchlaßspannung aufweist, insbesondere eine Schottky-Diode ist.

5. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Diode (D3) ein hochohmiger Widerstand (R8) parallelgeschaltet ist.

6. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das mindestens eine Halbleiterschaltelement des Kurzschlußzweiges von einem Mos-Feldeffekt-Transistor (T1), einem hochverstärkenden Bipolartransistor oder einer Darlington-Schaltung aus Bipolartransistoren (T1', T2') gebildet ist.

7. Gleichstromübertrager nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Schutzwiderstand (R7) in Reihe mit den Kollektoren des (der) Transistors(-en).

8. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßschaltung (16) einen Meßtransistor (T3 oder T3') mit einem zu seiner Basis-Emitter- bzw. Gate-Source-Strecke par­ allelgeschalteten Meßwiderstand (R1, 21) aufweist.

9. Gleichstromübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtransistor (T3) mit einem Kollektor-Vorwiderstand (R3) be­ schaltet ist.

10. Gleichstromübertrager nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Basis des Meßtransistors (T3) direkt oder über ein nichtli­ neares Bauteil, insbesondere mindestens eine Spannungsabfalldiode (D1, D5, D6), und/oder über einen Widerstand am Ausgang (8) des Übertra­ gers (2) liegt, und daß sein Emitter die Einspeisestelle des Hilfsgleich­ stromes (i_h) bildet.

11. Gleichstromübertrager mindestens nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kollektor-Vorwiderstand (R3) direkt oder über einen zweiten Vorwiderstand auf den nicht mit der Diode (D3) verbundenen Pol (9) des Übertrager-Ausgangs (8, 9) geschaltet ist.

12. Gleichstromübertrager mindestens nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kollektor-Vorwiderstand (R7) auf den mit der Diode (D3) verbundenen Pol (8) des Übertrager-Ausgangs (8, 9) geschaltet ist.

13. Gleichstromübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtransistor als selbstleitender Feldeffekttransistor (T3') ausgebil­ det ist, dessen Drain direkt an dem einen Ende (19) des Spannungsteilers (R4, R5) liegt, dessen anderes Ende (20) am nicht mit der Diode (D3) verbundenen Pol (9) des Übertragerausgangs (8, 9) und dessen Mittelab­ griff (22) an der Basis des einen Transistor (T1) aufweisenden Kurz­ schlußzweiges (18) liegt.

14. Gleichstromübertrager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz des Meßtransistors (T3') ein spannungsbegrenzendes Bauteil, insbesondere eine Zener-Diode (Z3) parallelgeschaltet ist.

15. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßwiderstand eine Widerstandsschaltung (21) mit zum Meßtransistors (T3, T3') passendem Temperaturkoeffizi­ enten eingesetzt ist.

16. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (17) für den Kurz­ schlußzweig (18) einen Treibertransistor (T4) und einen Spannungsteiler (R4, R5) aufweist, wobei dessen Kollektor am einen Ende (19) des Spannungsteilers (R4, R5), dessen Emitter mit dem Emitter und dessen Basis mit dem Kollektor des Meßtransistors (T3) verbunden ist, während der Fußpunkt (20) des Spannungsteilers (R4, R5) am nicht mit der Diode (D3) verbundenen Pol (9) des Übertragerausgangs (8, 9) liegt.

17. Gleichstromübertrager nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Basis-Strecke des Treibertransistors (T4) ein Konden­ sator (3) parallelgeschaltet ist.

18. Gleichstromübertrager nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Reihe mit dem nicht am Übertrager-Ausgang (9) ange­ schlossenen Widerstand (R4) des Spannungsteilers (R4, R5) eine Zener-Diode (Z2) gelegt ist.

19. Gleichstromübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das als Mos-Feldeffekttransistor (T1) ausgelegte Halbleiterschaltelement des Kurzschlußzweiges (18) durch einen parallel­ gelegten Anspring-Transistor (T2) ergänzt ist.