DE2215302B2 - Schaltungsanordnung zur verstaerkung und trennung von gleich- und wechselstroemen oder -spannungen - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Trennung von Gleich- und Wechselströmen oder -spannungen mit einem Rechteckgenerator und einer einzigen Speisespannungsquelle, mit einem Eingangsmodulator und einem Ausgangsverstärker und einem zwischen Ein- und Ausgangskreis vorgesehenen Übertrager.

Derartige Schaltungsanordnungen, die in der Technik als Trennverstärker bekannt sind, werden überall dort eingesetzt, wo es darauf ankommt, Eingangssignale zu verstärken und gleichzeitig galvanisch von den Ausgangssignalen zu trennen.

Bekannt sind seit langem Trennverstärker, die nach dem Zerhackerprinzip arbeiten. Ein solcher Trennverstärker ist in Fig. 1 dargestellt Hierin ist 2 ein Doppelwegmodulator, 3 ein Übertrager, 4 ein Synchrongleichrichter, 5 ein Ausgangsverstärker, 7 die Speisespannungsquelle und 9 ein Generator, der einen weiteren Übertrager enthält. Die galvanische Trennung ist mit unterbrochenen Linien angedeutet. Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, sind das Netzteil, der Eingangskreis und der Ausgangskreis voneinander galvanisch getrennt. Die Funktion dieses bekannten Trennverstärkers ist folgende:

Die Meßspannung wird durch den Generator 9 und den Modulator 2 in eine Rechteckspannung umgeformt und dem Übertrager 3 zugeführt. Die auf die Sekundärseite des Übertragers übertragenen Rechtecksignale werden in dem Synchrongleichrichter phasenrichtig gleichgerichtet, so daß am Ausgang des Trennverstärkers ein Signal zur Verfügung steht, dessen Amplitude dem Eingangssignal proportional ist und dessen Polung sich mit der Polung des Eingangssignals umkehrt. Die Eigenschaften dieses Trennverstärkers werden im wesentlichen von den Eigenschaften des Übertragers und des Modulators bestimmt.

Ein Nachteil dieser Art von Trennverstärkern ist, daß neben dem in dem Generator 9 verwendeten Übertrager noch der weitere Übertrager 3 benötigt wird. Dieser Übertrager 3 muß nun aufgrund des angewandten Steuerungsprinzips, nämlich der Steuerung einer Amplitude, im Gegensatz zu dem Übertrager des Generators 9 Meßeigenschaften aufweisen. Dies hat zur Folge, daß ein derartiger Trennverstärker relativ viel Platz benötigt. Der hochwertige Meßübertrager, der aufgrund des verwendeten Steuerungsprinzips unbedingt notwendig ist, verteuert darüber hinaus einen derartigen Trennverstärker nicht unerheblich.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Trennung von Gleich- und Wechselströmen oder -spannungen zu schaffen, bei der durch Wahl eines anderen geeigneten Steuerungsprinzips ein gedrängter Aufbau möglich ist, die billiger ist, und die darüber hinaus noch eine größere Eingangsempfindlichkeit und eine geringere Einstellzeit als die bekannten Trennverstärker aufweist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Übertrager außer einer Primärwicklung mindestens drei Sekundärwicklungen aufweist, daß an die Primärwicklung der Rechteckgenerator angeschlossen ist, dessen Schwingungen in ihrem Tastverhältnis durch einen Sperrschwinger steuerbar sind, der im Eingangskreis liegt und dessen Ausgang an die erste Sekundärwicklung angeschlossen ist, und daß die zweite Sekundärwicklung über eine Gleichrichteranordnung ein Rückkopplungssignal liefert und daß die dritte Sekundärwicklung den Ausgangsverstärker aussteuert.

Im Rahmen der Erfindung ist es von besonderem

Vorteil, daß im Eingangskreis ein dem Sperrschwinger vorgeschalteter Eingangsverstärker vorgesehen ist, dessen Speisespannung der Rechteckgenerator über eine weitere Gleichrichteranordnung liefert, die an die erste Sekundärwicklung angeschlossen ist. _,

Eine andere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Übertrager außer einer Primärwicklung mindestens drei Sekundärwicklungen aufweist, daß an die Primärwicklung der Rechteckgenerator angeschlossen ist, dessen Schwingungen in ihrem Tastverhältnis von dem Eingangssignal steuerbar sind, daß die zweite Sekundärwicklung über eine Gleichrichteranordnung ein Rückkopplungssignal liefert und daß die dritte Sekundärwicklung den Ausgangsverstärker aussteuert.

Vorteilhafterweise sind der Generator und ein ihm vorgeschalteter Eingangsverstärker an die einzige Speisespannungsquelle angeschlossen.

Anhand von in den Fig. 2 und 3 dargesellten Ausführun^sbeispielen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Steuerung über einen Sperrschwinger erfolgt,

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Steuerung direkt durch das Eingangssignal erfolgt.

In F i g. 2 ist 10 ein Übertrager, der eine Primärwicklung 12 und drei Sekundärwicklungen 13, 14, 15 auf einem gemeinsamen Kern trägt. An die zweite Sek indärwicklung 14 ist eine Gleichrichteranordnung

19 angeschlossen, die an ihrem Ausgang ein Rückkopplungssignal zur Verfügung stellt. An die erste Sekundärwicklung 13 sind eine weitere Gleichrichteranordnung

20 und der Ausgang eines Sperrschwingers 17 angeschaltet, der von einem Eingangsverstärker 18 angesteuert wird. Der Eingangsverstärker 18 wird von dem Eingangssignal beaufschlagt. Seine Speisespannung erhält er von der weiteren Gleichrichteranordnung 20, die außerdem den Sperrschwinger 17 versorgt. Die dritte Sekundärwicklung 15 steuert über eine dritte Gleichrichteranordnung 21 einen Ausgangsverstärker 22 an, an dessen Ausgang das Ausgangssignal, abgegriffen werden kann Der Ausgangsverstärker 22 wird von einer Speisespannungsquelle 23 versorgt, die gleichzeitig an einen Rechteckgenerator 16 angeschlossen ist, der an die Primärwicklung 12 angeschaltet ist.

Die Funktion der Schaltungsanordnung wird nachfolgend erläutert, wobei als Eingangssignal eine Gleichspannung angenommen wird:

Der Rechteckgenerator 16 liefert Rechteckimpulse mit konstanter Amplitude, deren Tastverhältnis — daß ist das Verhältnis von Impulsdauer zur Pausendauer — veränderbar ist. Solange der Generator ohne Steuerung durch den Sperrschwinger arbeitet, ist das Tastverhältnis sehr verschieden von eins, der Rechteckgenerator 16 gibt unsymmetrische Rechteckspannungen an die Primärwicklung 12 ab. Diese Rechteckschwingungen werden über die zweite Sekundärwicklung 14 und die Gleichrichteranordnung 19 in eine Gleichspannung umgesetzt, deren Größe und Polarität vom Tatverhältnis abhängt. Durch die Rückführung dieser ho Spannung Uk auf den Eingang des Eingangsverstärkers 18 wird ein Regelvorgang ausgelöst. Das Tastverhältnis wird dabei durch die Steuerung des Sperrschwingers so weit verschoben, bis die Spannung Uk bis auf einen sehr kleinen Regelrest gleich der Spannung U_c ist. Da nun fts weiterhin die dritte Sekundärwicklung 15 genauso aufgebaut ist wie die zweite Sekundärwicklung 14 und die Gleichrichteranordnung 21 identisch ist mit der Gleichrichteranordnung 19, ist auch die am Ausgang der dritten Gleichrichteranordnung 21 anstehende Steuerspannung Us, gleich der Rückkopplungsspannung Uk-Da die Spannung Uk für U_e = 0 ebenfalls auf Null geregelt wird, ist demnach auch die Steuerspannung U_s, und damit auch die Ausgangsspannung U_t gleich NuIL 1st die Eingangsspannung U_e nun verschieden von Null, so wird sie durch den Eingangsverstärker 18 verstärkt dem Sperrschwinger 17 zugeführt, dessen Ausgangssignal die erste Sekundärwicklung 13 ansteuert. In Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung U_c ändert sich nun der Kippzeitpunkt des Sperrschwingers 17, der damit über seinen an die erste Sekundärwicklung 13 angeschossenen Ausgang den Rechteckgenerator 16 zu unterschiedlichen, von der Größe der Eingangsspannung U_c abhängigen Zeitpunkten mit einem Stromimpuls überlastet. Das hat jedesmal ein Kippen des Rechteckgenerators zur Folge. Damit wird also das Tastverhältnis der Rechteckschingungen des Rechteckgenerators 16 mittels des Sperrschwingers 17 durch die Eingangsspannung LJ₁. verändert. Die Amplitude der Rechteckschwingungen des Rechteckgenerators 16 bleibt dabei unabhängig von der Größe der Eingangsspannung / {. Das verwendete Steuerungsprinzip — nämlich die Steuerung des Tastverhältnisses durch die Eingangsspannung U₁. — hat zur Folge, daß der Übertrager 10 keine Meßeigenschaften aufzuweisen braucht.

Die so in ihrem Tastverhältnis durch die Eingangsspannung {/,.. gesteuerte Rechteckschwingung des Rechteckgenerators 16 liegt an der Primärwicklung 12 an, von wo aus sie auf die Sekundärwicklungen 13,14,15 übertragen wird Die Sekundärwicklung 13 leitet aus der Rechteckschwingiing mit Hilfe der Gleichrichteranordnung 20 eine Gleichspannung ab, die der Versorgung des Eingangsverstärkers 18 und des Sperrschwingers 17 dient. Die zweite Sekundärwicklung 14 gibt die Rechteckschwingungen auf die Gleichrichteranordnung 19, die an ihrem Ausgang eine Rückkopplungsgleichspannung Uk zur Verfügung stellt, deren Größe und Richtung vom Tastverhältnis der Rechteckschwingungen abhängt und die auf die Größe der Eiiigangsspannung U_c geregell wird. Ist dies erreicht, so ist auch die am Ausgang der dritten Gleichrichteranordnung 21 zur Verfügung stehende Steuerspannung Us, gleich der Eingangsspannung Ue- Die Steuerspannung Us, wird in dem Ausgangsverstärker 22, der beispielsweise ein Operationsverstärker sein kann, verstärkt, so daß dessen Ausgangsspannung '., proportional zur Eingangsspannung U₁- ist. Zur Versorgung der gesamten Schaltungsanordnung ist vorteilhafterweise nur die eine Speisespannungsquelle 23 notwendig, die die Versorgungsspannung für den Generator 16 und den Ausgangsverstärker 22 liefert. Der Eingangsverstärker 18 wird dagegen vorteilhafterweise durch die Gleichrichteranordnung 20 aus dem Rechteckgenerator 16 versorgt.

In Fig. 3 sind fur die gleichen Baugruppen die gleichen Bezugs/eichen wie in F i g. 2 verwendet. Auch hier weist der Übertrager 10 wieder die Primärwicklung 12 und die drei Sekundärwicklungen 13, 14, 15 auf. Der Rechteckgenerator 16 ist auch hier an die Primärwick lung 12 angeschlossen, während die drei Sekundäi wick lungcn 13, 14, 15 die drei Gleichrichteranordnungen 20, 19, 21 beaufschlagen. Der Rechteckgenerator 16 wird von dem Eingangsverstärker 18 direkt angesteuert. Beide werden von der einzigen Speisespanniingsquelle 23 gespeist.

In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt nun die Steuerung des Tastverhältnisses der Rechteckschwingungen des Rechleckgenerators 16 direkt durch die im Eingangsverstärker 18 verstärkte Eingangsspannung

Die Gleichrichteranordnung 19 stellt wieder eine Rückkopplungsspannung Uk zur Verfügung, die von den Rechteckschwingungen über die Sekundärwicklung 14 abgeleitet wird und der Eingangsspannung U₁-gleichgemacht wird. Da auch hier die Gleichrichteranordnungen 19, 21 und die Sekundärwicklungen 14, 15 untereinander gleich sind, ist Us, = Uk, so daß für Uk = U_c die Ausgangsspannung U„ = V- U_c wird, wobei V der Verstärkungsfaktor des Ausgangsverstärkers 22 ist. Vorteilhafterweise kommt man auch bei diesem Ausführungsbeispiel mit der einzigen Spcisespannungsquclle 23 aus, die den Eingangsverstärker 18 uind den Rechteckgenerator 16 versorgt, während der Ausgangsverstärker 22 seine Speisespannung von der Sekundärwicklung 13 über die Gleichrichieranordnung 20 erhält. Da auch hier nur das Tastverhältnis der Rechteckschwingungen des Rechleckgencrators 16 in Abhängigkeit von der Eingangsspannung U_c gesteuert wird, während die Amplitude der Rechteckschwingungen von der Eingangsspannung U₁- unbeeinflußt bleibt, kann der Übertrager 10 als Übertrager ohne Mcöeigcnschafen ausgebildcl sein. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erfolgt die Steuerung des Tastverhältnisses der Rcchtcckschwingungcn hier direkt durch die Eingangsspannung U₁- ohne Zwischenschaltung eines Sperrschwingers. Neben Gleichspannungen können auch Gleichströme in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung verarbeitet werden. Ebenso sind auch Wcchselgrößen als Eingangssignale zulässig.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß man auf Grund des gewählten Steuerungssystems — nämlich der Steuerung des Tastverhältnisses der Rcchtcckschwingungen durch die Eingangsspannung — mit nur einem Übertrager auskommt, der keine Meßeigenschaflen zu haben braucht. Dieser Übertrager sorgt für die galvanische Trennung von Eingangskreis. Ausgangskreis und Spcisespannungsquelle. Vorteilhafterweise kommt man mit einer einzigen Speisespannungsquelle aus, da die nicht an die Spcisespannungsquelle angeschlossenen Baugruppen die benötigte Versorgungsspannung von einer der Sekundärwicklungen über eine Gleichrichtcranordnting erhalten.

Ilier/u 1 Blatt Zcicliniincen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   t. Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Trennung von Gleich- und Wechselströmen oder -spannungen mit einem Rechteckgenerator und einer einzigen Speisespannungsquelle, mit einem Eingangsmodulator und einem Ausgangsverstärker und einem zwischen Ein- und Ausgangskreis vorgesehenen Übertrager, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (fO) außer einer Primärwicklung (12) mindestens drei Sekundärwicklungen (13,14,15) aufweist, daß an die Primärwicklung (12) der Rechteckgenerator (16) angeschlossen ist, dessen Schwingungen in ihrem Tastverhältnis durch einen Sperrschwinger (17) steuerbar sind, der '5 im Eingangskreis liegt und dessen Ausgang an die erste Sekundärwicklung (13/ angeschlossen ist, daß die zweite Sekundärwicklung (14) über eine Gleichrichteranordnung (19) ein Rückkopplungssignal liefert und daß die dritte Sekundärwicklung (15) den Ausgangsverstärker (22) aussteuert.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis ein dem Sperrschwinger (17) vorgeschalteter Eingangsverstärker (18) vorgesehen ist, dessen Speisespannung der Rechteckgenerator (16) über eine weitere Gleichrichteranordnung (20) liefert, die an die erste Sekundärwicklung (13) angeschlossen ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannungsquelle (23) an den Generator (16) und den Ausgangsverstärker (22) angeschlossen ist.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangsverstärker (22) eine dritte Gleichrichteranordnung (21) vorgeschaltet ist.
5. 5. Schaltungsanordnung zur Verstärkung und Trennung von Gleich- und Wechselströmen oder -spannungen mit einem Rechteckgenerator und einer einzigen Speisespannungsquelle, mit einem Eingangsmodulator und einem Ausgangsverstärker und einem zwischen Ein- und Ausgangskreis vorgesehenen Übertrager, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (10) außer einer Primärwicklung

   (12) mindestens drei Sekundärwicklungen (13,14,15) aufweist, daß an die Primärwicklung (12) der Rechteckgenerator (16) angeschlossen ist, dessen Schwingungen in ihrem Tastverhältnis von dem Eingangssignal steuerbar sind, daß die zweite Sekundärwicklung (14) über eine Gleichrichteran- 5" Ordnung (19) ein Rückkopplunpssignal liefert und daß die dritte Sekundärwicklung (15) den Ausgangsverstärker (22) aussteuert.
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärwicklung

   (13) über eine weitere Gleichrichteranordnung (20) die Speisespannung für den Ausgangsverstärker (22) liefert.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (16) und ein ihm vorgeschalteter Eingangsverstärker (18) an die einzige Speisespannungsquelle (23) angeschlossen sind.