DE2249223B1 - Gleichstromwandler für Gleichstromsignale - Google Patents

Gleichstromwandler für Gleichstromsignale

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Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstromwandler mit transformatorisch voneinander getrenntem Eingangs- und Ausgangskreis für Gleichstromsignale, bei dem der für die Transformation erforderliche Wechselstrom durch Umschaltung des Gleichstromes mittels elektromechanischer oder elektronischer Schalter erzeugt wird, die von einer selbstschwingenden Kippstufe angesteuert werden.
Bei meßtechnischen Aufgaben der Regeltechnik, bei Überwachungsschaltungen und Datenverarbeitungsanlagen treten häufig unüberwindliche Vermaschungen von Potentialen auf. Oft müssen Meßsignale mehrfach in eine Schaltung eingegeben werden, wobei sie verschiedene Potentiale annehmen können. Da es sich meistens um Gleichstrom-Meßsignale handelt, die von ihrem Potential getrennt werden müssen, erleichtern Gleichstromtrennglieder mit galvanisch getrenntem Eingang und Ausgang die Projektierung von Meßanlagen; in vielen Fällen wird erst durch ein solches Trennglied, z. B. einen Trennverstärker, die Lösung einer Aufgabe möglich. Bei der Verwendung elektrischer Betriebsmittel in explosionsgefährdeten Räumen sind besondere Schutzmaßnahmen erforderlich, die in den VDE-Vorschriften als Schutzarten festgelegt sind. Wenn ein Stromkreis sehr geringe Energie enthält, besteht die Möglichkeit, die Schutzart Eigensicherheit anzuwenden. Diese Schutzart spielt in der Meß- und Regeltechnik eine große Rolle, da in der Tat oft — gerade bei weitgehender Transistorierung elektronischer Schaltungen — mit sehr kleinen Strömen gearbeitet werden kann.
In der Druckschrift »Technische Information Contronic RC/T 870 Strom-Trennwandler Typ FW 212 RC/T 870-659/1. 71/P« der Hartmann & Braun AG./ Schoppe & Faeser GmbH, ist ein Gleichstromwandler zur Übertragung von eingeprägten Gleichströmen beschrieben, bei dem Eingangs- und Ausgangskreis galvanisch voneinander getrennt sind. Der Eingangsstrom wird bei diesem. Gleichstromwandler durch einen Transistormodulator in einen Wechselstrom umgewandelt. Der modulierte Strom ist über einen Trenntransformator einem Demodulator zugeführt, der einen gleichgerichteten und gesiebten Signalstrom abgibt. Dieser Signalstrom,entspricht dem Eingangsstrom, ist jedoch von diesem galvanisch getrennt. Modulator und Demodulator werden von einem selbstschwingenden. Generator angesteuert, der von einer Batterrie gespeist wird. Der Generator ist vom Modulator und Demodulator durch einen Steuertransformator mit .zwei Sekundärwicklungen galvanisch getrennt. Nachteilig hierbei ist, daß eine zusätzliche Gleichspannungsquelle zur Speisung des Generators erforderlich ist. Das bedeutet, daß bei Verwendung eines solchen Wandlers zur Potentialtrennung von eingeprägten Gleichströmen nicht nur der Wandler selbst, sondern auch die Speisequelle für den Generator den geschilderten Anforderungen genügen muß. Das bedingt aber einen zusätzlichen Aufwand an Bauteilen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gleichstromwandler für Gleichstromsignale mit selbstschwingender Kippstufe anzugeben, bei dem eine zusätzliche Gleichspannungsquelle für die Speisung der Kippstufe nicht erforderlich ist.
Ausgehend von einem Gleichstromwandler der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gleichspannung zur Speisung der selbstschwingenden Kippstufe aus dem Spannungsabfall an einem vom Eingangsgleichstrom durchflossenen Element entnommen ist.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Gleichstromwandlers besteht darin, daß er keinerlei Netzgeräte oder sonstige den Wandler speisende Einrichtungen benötigt, sondern daß der Gleichstromwandler einfach als passiver Vierpol an beliebige Stellen in den Stromkreis eingeschaltet werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, den erfindungsgemäßen Gleichstromwandler als fertig beschattetes Bauelement in Form etwa eines. normgerechten Kästchens mit zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen zu verwenden, das überall dort durch Auftrennen der elektrischen Signalleitungen dazwischen geschaltet werden kann, wo die Gefahr von Potentialverschiebungen besteht. Die Verwendung des Gleichstromwandlers in einem passiven Sicher-
heitsvierpol zum Schütze von in explosionsgefährdeten Räumen befindlichen Verbrauchern und/oder Meßwertgebern bringt gegenüber den sonst üblichen, beispielsweise aus aktiven Elementen aufgebauten Trennverstärkern beträchtliche Vorteile, da er keine zusätzlichen Netzteile, die auch den vorgeschriebenen Sicherheitsbestimmungen genügen müßten, benötigt.
Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele erklärt.
F i g. 1 zeigt teilweise als Blockschaltbild einen Gleichstromwandler, bei dem der Spannungsabfall an drei in Reihe geschalteten Halbleiterdioden zur Speisung der selbstschwingenden Kippstufe dient;
F i g. 2 zeigt teilweise als Blockschaltbild eine andere Ausführungsform eines Gleichstromwandlers, bei dem der Spannungsabfall an einer Z-Diode erzeugt wird.
F i g. 1 zeigt innerhalb der gestrichelten Umrandung einen Gleichstromwandler mit zwei im Gegen- ao takt arbeitenden Schalttransistoren 5 und 6, einer selbstschwingenden Kippstufe 1, einem Transformator 7 und einer Gleichrichteranordnung 8. Seine Eingangsklemmen sind mit 11 und seine Ausgangsklemmen mit 12 bezeichnet. Ein- und Ausgangsklemmen sind durch den Transformator 7 galvanisch voneinander getrennt. Der Gleichstromwandler verbindet einen elektrischen Verbraucher 10 mit einem Meßwertgeber 9. Der Verbraucher kann ein Meßwertschreiber oder -anzeiger sein. Der Meßwertgeber liefert einen eingeprägten Gleichstrom IE. Die beiden Schalttransistoren 5 und 6 werden von der selbstschwingenden Kippstufe 1 abwechselnd leitend gesteuert, so daß über die beiden Hälften der Primärwicklung des Transformators 7 abwechselnd der Strom lE fließt. Der in der Sekundärwicklung des Transformators entstehende Wechselstrom wird durch die Gleichrichteranordnung 8 gleichgerichtet und speist den an den Ausgangsklemmen 12 angeschlossenen Verbraucher 10. Durch den Verbraucher fließt der Gleichstrom IA, der dem Eingangsgleichstrom IE proportional ist.
Die Gleichspannung U zur Speisung der selbstschwingenden Kippstufe 1 entsteht als Spannungsabfall über drei in Reihe geschaltete Halbleiterdioden 2, 3 und 4. Die Dioden werden vom Eingangsgleichstrom lE in Durchlaßrichtung durchflossen. Die Höhe des Spannungsabfalls ist gleich der Summe der Flußspannungen an den Dioden. Da die Flußspannung einer Diode bekanntlich nur wenig von der Größe des Diodenflußstromes abhängig ist, bleibt die Gleichspannung U bei sich ändernden Eingangsströmen etwa konstant.
Die F i g. 2 zeigt eine etwas abgeänderte Schaltung eines Gleichstromwandlers. Sie hat den Vorteil der galvanischen Trennung der Basiskreise der Transistoren 5 und 6 von der Eingangsklemme 11. Außerdem besitzt sie eine Regelschaltung, die ein sicheres Anschwingen der Kippstufe gewährleistet. Der vom Meßwertgeber 9 gelieferte Gleichstrom IE durchfließt eine in Sperrichtung gepolte Z-Diode 13. Die an der Z-Diode abfallende Spannung versorgt die Kippstufe 1 mit der Gleichspannung U. Die rechteckförmige Steuerspannung für die Schalttransistoren 5 und 6 wird vom Ausgang der Kippstufe über einen Steuertransformator 14 induktiv in die Basiskreise eingespeist. Im Eingangskreis des Gleichstromwandlers liegt ein als Schalter arbeitender Feldeffekttransistor 16. Die Steuerspannung für den Feldeffekttransistor wird über eine Gleichrichterdiode 19 einer Wicklung 15 des Steuertransformators 14 entnommen. Sie steht am Ladekondensator 18 an, dem ein hochohmiger Widerstand 17 parallel geschaltet ist. Die Steuerspannung ist so gerichtet, daß der Feldeffekttransistor nicht leitet. Dieser Zustand bleibt erhalten, solange ein Eingangsstrom IE fließt.
Ist der Eingangsstrom Null, dann schwingt die Kippstufe nicht. Der Steuertransformator 14 Hefen keine Steuerspannung an die Schalttransistoren 5 und 6. Außerdem ist die Wicklung 15 spannungslos, so daß sich der Speicherkondensator 18 nicht aufladen kann. Eventuell noch vorhandene Restladungen werden über den Widerstand 17 abgebaut. Am Feldeffekttransistor 16 liegt somit keine Steuerspannung an. Steigt der Eingangsstrom wieder an, dann ist der Stromweg von der Primärwicklung des Transformators 7 über die Schalttransistoren 5 bzw. 6 unterbrochen, da beide Transistoren durch die spannungslosen Teilwicklungen in ihren Basiskreisen im gesperrten Zustand verharren. Der Gleichstromwandler kann erst dann wieder arbeiten, wenn die Kippstufe 1 schwingt, d. h. wenn über die Z-Diode 13 ein Strom fließt. Hierzu ist der Feldeffekttransistor 16 vorgesehen. Seine Kanalstrecke befindet sich bei fehlender Steuerspannung in niederohmigem Zustand und verbindet die Z-Diode elektrisch mit den beiden Eingangsklemmen 11. Der Eingangsstrom IE fließt über die Z-Diode und erzeugt an ihr die Betriebsspannung U. Die Kippstufe schwingt an. Über die Wicklung 15 und den Gleichrichter 19 fließt ein Strom in den Ladekondensator 18. Gleichzeitig liefert der Steuertransformator 14 die Steuerspannung für die Schalttransistoren 5 und 6. Überschreitet die Spannung am Ladekondensator 18 einen bestimmten Wert, dann sperrt der Feldeffekttransistor 16. Der Eingangsstrom IE fließt wieder über die Schalttransistoren 5 bzw. 6 und den Transformator 7 und wird potentialtrennend übertragen.
An Stelle des Feldeffekttransistors kann auch ein Kondensator verwendet werden. Seine Kapazität ist so zu bemessen, daß, sobald ein Eingangsstrom zu fließen beginnt, der in den Kondensator fließende Ladestrom ausreicht, die Kippstufe zum Anschwingen zu bringen. Bei Verwendung eines, solchen Kondensators werden die Wicklung 15 und die Bauelemente 17,18 und 19 nicht benötigt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
COPY

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Gleichstromwandler mit transformatorisch voneinander getrenntem Eingangs- und Ausgangskreis für Gleichstromsignale, bei dem der für die Transformation erforderliche Wechselstrom durch Umschaltung des Gleichstromes mittels elektromechanischer oder elektronischer Schalter erzeugt wird, die von einer selbstschwingenden Kippstufe angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung (U) zur Speisung der selbstschwingenden Kippstufe (1) aus dem Spannungsabfall an einem vom Eingangsgleichstrom (Ig) durchflossenen Element entnommen ist.
2. Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Halbleiterdioden (2, 3, 4) besteht, die vom Eingangsstrom (IE) in Durchlaßrichtung durchflossen sind.
3. Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer oder mehreren in Reihe geschalteten Z-Dioden besteht, die vom Eingangsstrom (IE) in Sperrrichtung durchflossen sind.
4. Gleichstromwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein ohmscher Widerstand ist.
5. Gleichstromwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem passiven Sicherheitsvierpol zum Schütze von in explosionsgef ährdeten Räumen befindlichen Verbrauchern und/oder Meßwertgebern.
6. Gleichstromwandler nach einem der An-Sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis ein von der Kippstufe (1) gesteuerter Ein/Aus-Schalter liegt, derart, daß er beim Eingangsstrom (IE) Null das Element (13) elektrisch mit den Eingangsklemmen (11) verbindet.
7. Gleichstromwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein/Aus-Schalter ein Feldeffekttransistor (16) ist.
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