DE2232196A1

DE2232196A1 - Verfahren und vorrichtung zur uebertragung von gleichstroemen zwischen galvanisch getrennten kreisen

Info

Publication number: DE2232196A1
Application number: DE19722232196
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Wolf
Original assignee: Zellweger Uster AG
Current assignee: Zellweger Uster AG
Priority date: 1971-09-07
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1973-03-15
Also published as: FR2151998A5; CH536573A; NL7210827A; GB1337942A

Description

Z 1125

DR. MÜLLER-3CRS ■ DR ίνΙΑΝΙΤΖ · DR. DEUFEL
DIPL-ING. FlNSTSFiVVALD · DIPL-SNQ. GRÄMKOW ³"' ^JUIH

β MÜNCHEN 22, RO3SRT-K0CH-ST& 1
TELEFON 225110

Verfahren und Vorrichtung zur Uebertragung von Gleichströmen zwischen galvanisch getrennten Kreisen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Uebertragung von Gleichströmen zwischen galvanisch getrennten Kreisen.

In der Mess- und Regeltechnik liegt oft ein elektrisches Signal in der Form eines eingeprägten Gleichstroms vor, beispielsweise als sogenanntes Einheitssignal von 0-20 oder 0 - 50 mA. Sofern die Aufgabenstellung verlangt, dass ein solcher Gleichstrom von einem Primärkreis in einen davon galvanisch getrennten Sekundärkreis übertragen werden soll, und diese Uebertragung mit grosser Genauigkeit zu erfolgen hat, dann sind dazu elektronische Einrichtungen notwendig, welche als "Gleichstromtransformator¹¹ oder "galvanische Trennung" bezeichnet werden.

Eine erste bekannte AusfUhrungsform eines Gleichstromtransformators enthält einen verlustarmen Trennübertrager, einen eingangsseitigen Transistor-Chopper (= Zerhacker) und einen aua^angaoeitigen, phasengesteuerten

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Transistorgleichrichter. Die Chopperfrequenz liegt dabei im kHz-Bereich.

Der Nachteil einer solchen Einrichtung ist beispielsweise der, dass da3 Gleichstromsignal nur für einen bestimmten Belastungswiderstand genau übertragen wird. Dies ist verständlich, da eine gleichstrommässige Gegenkopplung, vom Sekundär- auf den Primärkreis zurück, wegen des Prinzips der galvanischen Trennung nicht möglich ist. Damit geht aber der Hauptvorteil der Signalübertragung mit einem eingeprägten Strom, nämlich die Belastungsunabhängigkeit, weitgehend verloren. Ebenso wirkt bei dieser Anordnung eine sekundäre Belastungsänderung voll auf den Eingangskreis zurück; es ist also nicht die Punktion eines Impedanzwandlers gegeben.

Eine zweite bekannt gewordene Ausführungsform eines Gleichstromtransformators zur Uebertragung von Gleichströmen in galvanisch getrennten Kreisen bedient sich einer photoelektrischen Strecke zwischen den Kreisen. Dabei wird primärseitig der zu übertragende Strom zur Modulation einer Lichtquelle herangezogen, während auf der Sekundärseite ein Lichtempfänger mit Mitteln zur Demodulation des empfangenen modulierten Lichtes und die erforderliche Mittel zur Verstärkung dieses Signals vorgesehen sind. Ein wesentlicher Nachteil einer solchen Signalübertragung ist der, dass keine direkte Gegenkopplung möglich, oder aber nur mit hohem Aufwand ver-

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wirklichbar ist, indem beispielsweise von der Sekundärseite ein weiterer Lichtpfad mit Lichtquelle auf einen Lichtempfänger in der Primärschaltung wirkt, und über diesen zweiten Lichtpfad die Rückkopplungsgrössen übertragen werden.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile und betrifft ein Verfahren zur Uebertragung von Gleichströmen zwischen galvanisch getrennten Kreisen, welche sich dadurch auszeichnet, dass durch die primäre Eingangsgrösse

in einem magnetischen Kreis mittels einer ersten Wicklung eine primäre Durchflutung erzeugt wird, welche in einem Luftspalt ein Magnetfeld erzeugt; dass die Stärke dieses Magnetfeldes mittels eines Magnetfeldindikators gemessen und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgeformt wird, welches elektrische Signal über einen Verstärker einen Sekundärstrom erzeugt, der in'einer zweiten Wicklung des Magnetkerns eine sekundäre Durchflutung erzeugt, welche der primären Durchflutung entgegengesetzt ist und diese mindestens teilweise kompensiert.

Die Erfindung besieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und umfasst einen magnetischen Kreis mit Luftspalt, einer primären und einer sekundären Wicklung, wobei der zu übertragende Strom durch die primäre Wicklung fliesst, ferner einen Kagnetfeldindikator zur Abgabe eines der Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt proportionalen elektrischen Signals, einen Gleichstrom-

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verstärker zur Verstärkung dieses Signals, welches verstärkte Signal an die sekundäre Wicklung in dem Sinne gelegt ist, dass die in dieser Wicklung erzeugte Durchflutung derjenigen von der primären Wicklung· erzeugten Durchflutung entgegengesetzt ist.

Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt Pig. 1 ein prinzipielles Schaltungsschema für die Ueber-

tragung von Strömen,
Pig. 2 eine Variante der Schaltung gemäss Pig. I für die Uebertragung von Spannungen.

In Fig. 1 ist mit IO ein Magnetkern gezeigt, der zwei Wicklungen 11 und 21 trägt. Ferner bilden seine Schenkel einen Luftspalt 12. Die ,Wicklung 11 ist an eine Gleichstromquelle 15 angeschlossen, die den zu übertragenden Strom I-, durch die Primärwicklung 11 (Windungszahl w,) schickt. Im Magnetkern bildet sich somit eine Durchflutung 0-, gleich Ι-, χ w., aus, die im Luftspalt 12 ein Magnetfeld erzeugt. Vermittels eines Magnetfeldindikators 13 wird die Stärke dieses Magnetfeldes - die bei geeigneten Abmessungen des Kerns und geeignetem Kernmaterial proportional der Stromstärke I ist - bestimmt. Als Magnetfeldindikatoren stehen heute.verschiedene Bauelemente :;ur Verfugung, beispiolsv/eise Hallgeneratoren, Feldplatten, Magnetdioden oder magnetgesteuerte Transistoren,

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Der Magnetfeldindikator 13 liefert ein Signal S-_f das an einen Gleichstromverstärker 14 gelegt ist. Dessen verstärktes Ausgangssignal Sp ist nun an die Sekundärwicklung 21, die in Reihe mit dem lastwiderstand 16 liegt, mit solcher Polarität gelegt, dass sie im Magnetkern eine Durchflutung O₁ entgegengesetzt ist und diese mindestens teilweise kompensiert. Im Luftspalt herrscht somit nur die Differenz der einander entgegengesetzten Magnetfelder, und der Magnetfeldindikator bestimmt mit seiner Empfindlichkeit die Uebertragungsgüte der Gleichströme.

Die Kompensationsmethode hat den Vorteil, dass weder die Linearität des Magnetfeldindikätors 13, noch die des Gleichstromverstärkers 14 von erheblichem Einfluss auf die Genauigkeit der Uebertragung der Ströme I, und Ip bei hinreichender Verstärkung sind. Mit den heute zur Verfugung stehenden Bauelementen ist die Verwirklichung dieses Prinzips weder problematisch noch teuer.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht in der Möglichkeit, eine zusätzliche Strom-Transformation zu verwirklichen. Da bei dieser Methode der Kompensation auf einen Minimalwert des Magnetfeldes das Produkt aus Strom und Windungszahl massgebend ist, kann auf einfache Weise, nämlich durch Anpassung des WinduhgszahlverhältnioDes, eine Strom-Transformation herbeigeführt werden.

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So ist es beispielsweise möglich, mit einem Eingangsstrom von 0 - 5 mA einen eingeprägten Aungangsstrom von 0 - 20 mA zu erreichen, wobei bei einem Polaritätswechsel auf der Primärseite auch der Ausgangsstrom seine Polarität umkehrt. Zudem ist es möglich, durch die Anordnung verschiedener auf einen Umschalter geführter Abgriffe 22 auf einer oder beiden V/icklungen das Strom-Uebersetzungsverhältnis auf einfache Weise umschaltbar zu machen.

Figur 2 zeigt eine Variante der Anordnung nach Figur 1, indem auf der Primärseite anstatt einer Stromquelle 15, eine Spannungsquelle 17 angeschlossen ist, die über einen Eingangsverstärker 18 einen der angelegten Spannung U, proportionalen Strom I-j durch die Primärwicklung 11 schickt, wodurch eine Stromquelle mit sehr hohem Innenwiderstand nachgebildet wird. Auch in diesem Fall ist der Vorteil einer völligen RUckwirkungsfreiheit von der Sekundärseite auf die Primärseite vorhanden.

Durch an «ich bekannte Massnahmen der Schaltungstechnik können dem Verstärker 14 verschiedene Charakteristiken zugeordnet werden, nämlich eine erste, die darin besteht, das3 die Anordnung als Strom-Serie-Gegenkopplungsschaltung mit einem eingeprägten Ausgangootrom entsprechend einem nach Unendlich strebenden Innenwiderstand ausgelegt wird, oder z.B. eine weitere, die darin besteht, dass eine Ausgangnspannung entsprechend einem mich Null otrobendon Innenwiderstand erhalten wird.

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Claims

Pat entansprüche

Verfahren zur Übertragung von Gleichströmen zwischen galvanisch getrennten Kreisen, dadurch gekennzeichnet, daß durch die primäre Eingangsgröße (1^) "bzw. tL in einem Magnetkern (10) mittels einer ersten Wicklung (11) eine primäre Durchflutung erzeugt wird, welche in einem Luftspalt (12) ein Magnetfeld erzeugt, daß die Stärke dieses Magnetfeldes mittels eines Magnetfeldindikators (13) gemessen und in ein entsprechendes elektrisches Signal (S,,) umgeformt wird, welches elektrische Signal (S,.) über einen Verstärker (14) einen Sekundärstrom (Ip) erzeugt, der in einer zweiten Wicklung (21) des Magnetkerns (10) eine sekundäre Durchflutung· (Qo) erzeugt, welche der primären Durchflutung (G^) entgegengesetzt ist und diese mindestens teilweise kompensiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als primäre Eingangsgröße ein eingeprägter Strom (I,,) eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als primäre Eingangsgröße eine Spannungsquelle (17) mit nachgeschaltetem Verstärker (18) verwendet wird.
4-, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anwendung einer Strom-Serie-Gegenkopplungsschaltung eine Anordnung mit einem eingeprägten Ausgangsstrom entsprechend einem nach Unendlich strebenden Innenwider-r stand erhalten wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine an sich bekannte Schaltungstechnik die Rückkopplung des Gleichstromverstärkers (14) so eingestellt wird, daß eine Ausgangsspannung entsprechend einem nach Null strebenden Innenwiderstand erhalten wird.
6. Vorrichtung zur I>urchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Magnetkern (10) mit Luftspalt (12), einer primären (11) und einer sekundären Wicklung (21), wobei der zu übertragende Strom (1^) in die primäre Wicklung gespeist wird, ferner durch einen Magnetfeldindikator (13) zur Abgabe eines der Stärke des Magnetfeldes im Luftspalt (12) proportionalen elektrischen Signals (S,-), durch einen Gleichstromverstärker (14) zur Verstärkung dieses Signals, welches verstärkte Signal (Sp) an die sekundäre Wicklung (21) in dem Sinne gelegt ist, daß die in dieser Wicklung erzeugte Durchflutung (θρ) derjenigen von der primären Wicklung (11) erzeugten Durchflutung (Q,,) entgegengesetzt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß mindestens eine Wicklung (21) mit Anzapfungen versehen ist und mindestens eine Umschaltvorrichtung (22) zum Abgriff einer ausgewählten Anzapfung vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Hallgenerator als Mafenetfeldindikator (13).
9· Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Feldplatte als Magnetfeldindikator (13)·

3 0 9 8 1 1 / 0 6 I. P
10. "Vorrichtung nach. Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Hagnetdiode als Magnetfeldindikator (13)·
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen magnetgesteuerten Transistor als Magnetfeldindikator (13)·
12. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen primärseitig angeschalteten Verstärker (18) zur Umwandlung einer primären Spannungsquelle (17) in eine Stromquelle mit extrem hohem Innenwiderstand.
13. Vorrichtung nach Anspruch. 6, dadurch, gekennzeichnet, daß bei Polaritätswechsel des Eingangssignals (I^j, U.) eine Änderung der Stromrichtung (Ip) im Sekundärkreis erfolgt.

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