DE2260440A1 - Gleichspannungstrennverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspaimungstrennverstärker mit einem Modulator für das Eingangssignal, einer diesem nachgeschalteten Wechselstromübertragungsstrecke und einem an diese angeschlossenen Demodulator. Gleichspannungstrennverstärker dienen dazu, kleine und mittlere Spannungen zu messen, die sich auf einem hohen Spannungspotential gegen Erde befinden-. Der Eingang für die zu inessenden Spannungen muß daher vom Verstärkerausgang galvanisch getrennt sein. Im allgemeinen wird das Eingangssignal moduliert und zur Potentialtrennung ein Trennübertrager zwischen den Ein™ und Ausgang geschaltet» Üblich ist es, das Eingangssignal einer Amplitudenmodulation zu unterwerfen. Verstärker mit einer solchen Modulation sind auch als Zerhackerverstärker bekannt* Ein solcher Verstärker ist z.B. in der DAS 1 811 987 beschrieben. Diese Zerhackerverstärker haben den Nachteil, daß die Amplituden der Wechselspannungssignale, die sich in einem weiten Bereich ändern, exakt linear übertragen v/erden müssen, da sonst das Ausgangssignal des Verstärkers nicht proportio-r nal zum Eingangssignal ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trennverstärker zu schaffen, zwischen dessen Ausgangs- und Eingangsspannung eine gewünschte Beziehung, z.B. Proportionalität, mit hoher Genauigkeit besteht und der dennoch mit wenig Aufwand herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Modulator eingesetzt ist, der ein frequenz- und pulsdauermoduliertes Wechselspannungssignal liefert und. daß

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der Demodulator im Falle, daß die Ubertragungsstrecke die Impulsflanken verfälscht, ein Demodulator für frequenzmodulierte Signale und im Falle, daß die Impulsflanken genau und ohne Zeitfehler übertragen werden, ein Demodulator für pulsdauerinodulierte Signale ist. Verwendet man nämlich einen Demodulator für frequenzmodulierte Signale, so darf das modulierte Signal beliebige Verformungen des Kurvenverlaufs und, abgesehen von Laufzeitverzerrungen, beliebige Verzögerungen erleiden. Das modulierte Signal . "kann somit über Leitungen oder Lichtleiter mit einer Leuchtdiode am Eingang und einer Fotodiode am Ausgang beliebig übertragen werden. Im Demodulator muß dafür jedoch eine Demodulationszeitkonstante mit der verlangten, gegebenenfalls hohen Genauigkeit, nachgebildet v/erden, was bei Trägerfrequenzen, die oberhalb 50 bis 100 kHz liegen, einen größeren Aufwand erfordert. Verwendet man dagegen einen Demodulator für pulsdauermodulierte Signale, so benötigt man keinen Generator zur Erzeugung der Demodulationszeitkonütante. Dafür müssen jedoch die Impulsflanken genau und ohne Zeitfehler vom Modulator zum Demodulator übertragen werden. Ein Trennübertrager erfüllt im allgemeinen diese Forderung, so daß in einem einfachen Trennverstärker ohne größere Ubertragungsstrecke, bei dem also die Impulse nur innerhalb des Verstärkergehäuses übertragen werden, ein solcher Trennverstärker eingesetzt werden und man mit einem einfachen Demodulator für pulsdauermodulierte Signale auskommen kann.

Als Modulator, der ein frequenz- und pulsdaue!"moduliertes Wechselspannungssignal liefert, kann ein nach dem Ladungsmengenkompensationsverfahren arbeitender Spannungs-Frequenz-Umformer eingesetzt werden. Ein derartiger Modulator arbeitet in der Weise, daß das Eingangssignal einem Integrator zugeführt wird. Erreicht die Ausgangsspannung des Integrators einen bestimmten Wert, so wird auf den Eingang des

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Integrators ein Impuls mit bestimmtem Ladungsinhalt und mit einer der Polarität des Eingangssignals entgegengesetzten Polarität gegeben. Macht man die Ladungsmenge des Impulses abhängig von der entstehenden Impulsfrequenz oder dem zeitlichen Abstand der Impulse, das ist die Periodendauer, so kann man eine gewünschte Nichtlinearität erzielen, d.h. die Ausgangsspannung kann z.B. proportional dem Quadrat, dem Logarithmus oder der Wurzel aus der Eingangs-'spannung gemacht werden. Als Modulator kann ferner ein Span-•nungs-Frequenz-Umformer, der nach dem Entladeprinzip arbeitet, eingesetzt werden. Derartige Spannungs-Frequenz-Umformer enthalten ebenfalls einen Integrator, der aber nicht durch Impulse konstanten Ladungsinhalt, sondern durch Kurzschließen seines Eingangs entladen wird.

Anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel gezeigt ist, v/erden im folgenden die Erfindung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher beschrieben und erläutert.

Es zeigen

Figur 1 ein Übersichtsschaltbild eines Ausführungsbeispiels und ·

die Figuren 2 und 3 Einzelheiten des Modulators bzw. des Demodulators der Anordnung nach Figur 1.

In der Anordnung nach Figur 1 wird das Eingangssignal über eine doppelt abgeschirmte koaxiale Eingangsbuchse einem Modulator MOD zugeführt. Dieser ist innerhalb einer inneren Abschirmung angebracht, während die äußere Abschirmung den gesamten Trennverstärker umgibt. Das Eingangssignal gelangt über einen Eingangswiderstand R1 auf den nicht invertierenden Eingang eines Eingangsverstärkers V1, dessen Ausgang über einen Spannungsteiler P1, dessen Fußpunkt an Masse liegt, auf den invertierenden Eingang gegengekoppelt ist. Die.ser Gegenkopplungszv/eig des Verstärkers ist

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umschaltbar, so daß der Trennverstärker einen großen Bereich der Eingangsspannung überstreichen kann. An den Eingangsverstärker V1 ist über einen einstellbaren Abschwächungswiderstand R3 ein Integrator angeschlossen, der aus einem Verstärker V2 und einem Integrationskondensator C1 besteht. Die Ausgangsspannung des Verstärkers V1 wird aufintegriert, bis die Ausgangsspannung des Verstärkers V2 einen Wert erreicht, bei dem ein diesem 'nachgeschalteter Diskriminator DIS anspricht. Dieser liefert dann einen Ausgangsimpuls konstanter Dauer, der in einer Schaltungseinheit S1 auf konstante Amplitude gebracht wird, so daß der Impuls eine bestimmte Ladungsmenge aufweist. Die Impulse konstanter Ladungsmenge werden dem Eingang des Integrators zugeführt und entladen diesen. Danach beginnt der Integrationsvorgang von neuem. Mit zunehmender Eingangssparmung erhöht sich die Frequenz der Ausgangsimpulse dos Diskriminators DIS. Da die Ausgangsimpulse konstante Dauer haben, ändert sich ferner das Puls-Pausen-Verhältnis. Das Eingangssignal wird also gleichzeitig frequenzmoduliert und pulsdauermoduliert.

Der Diskriminator DIS speist ferner die Primärwicklung eines Irupulsüb ertrage rs U, an dessen Sekundärwicklung über einen Verstärker V3 der Demodulator DEM angeschlossen ist. In diesem werden zunächst die Impulse konstcuiter Dauer auf gleiche Amplitude gebracht und anschließend in einem über einen Kondensator C2 gegengekoppelten Verstärker V4 integriert. Das Ausgangssignal dieses Integrators durchläuft einen Tiefpaß TP und gelangt dann auf einen Ausgangsverstärker V6. Am Eingang des Ausgangsverstärkers wird dem Signal ein mit Hilfe eines Potentiometers P2 einstellbares konstantes Potential zwecks Einstellung der Nullage überlagert.

Modulator und Demodulator müssen ihre Versorgungsspannungen aus getrennten Netzgeräten erhalten, da sie auf ver-

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schiedenen Gleichspaianungspotentialen liegen. Hierzu ist ein Transformator Tr vorgesehen, der außer einer Primärwicklung ¥1 zwei getrennte Sekundärwicklungen V/2 und W3 aufweist, an die jeweils ein Wetzgerät angeschlossen ist.

Figur 2 zeigt Einzelheiten des Modiilators. Der Eingangsstrom I-g wird an einem Suinmenpunkt SP des Integrators mit dem Verstärker V2 und dem Integrationskondensator C1 durch den Mittelwert des Gegenkopplungsstromcs Ig kompensiert. Beim Unterschreiten der Triggerschwelle eines Transistors Ts gibt ein diesem nachgcschalteter monostabiler Multivibrator MV einen negativen Impuls einer bestimmten Dauer ab. Mit Hilfe eines Widerstandes fl6 und einer negativen Referenzspannung ~Up_ef wird diesem Impuls der negative Strom I_K zugeordnet. Die Impulsfrequenz, die dem Übertrager Ü zugeführt wird, ist proportional dem Eingangsstrom I_T|1 bzw. der Eingangs spannung U^. In den Iiapulspausen fließt aus der positiven Referenzspannmigsquelle -f-U_Oaf ein positiver Strom I„, dessen Größe durch die Größe der Spannung +Up ^ und des Widerstandes R5 bestimmt ist. Zur Voreinstellung einer Mittenfrequenz wird dem Summierpunkt SP zusätzlich ein Referenzstrom In_ef· zugeführt.

In der Anordnung nach Figur 3 werden die von dem Übertrager Ü abgegebenen Impulse demoduliert. Sie gelangen über einen Verstärker V3 auf einen Diodenschalter DS2, der entsprechend dem im Modulator verwendeten Diodenschalter DS1 aufgebaut ist. Dadurch werden die Impulse auf gleiche Amplitude, gebracht. An den Diodenschalter DS2 schließt sich ein invertierender Verstärker V7 an, dessen Ausgangsimpulse in gleicher V/eise wie die Gegenkopplungsimpulse des Modulators bei einer Periodendauer T die konstante Impulsdauer X aufweisen. Ihre Amplitude beträgt +Ur₈^₂ > während in den Pulspausen die Spannung -Un_e£2 ^am Ausgang des Verstärkers V7 liegt. Diese Impulse werden in einem Aktivfilter mit

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dem Verstärker V8 und nicht näher bezeichneten Integrationswiderständen und Kondensatoren integriert, so daß
am Ausgang des Verstärkers V8 ein Gleichspannungssignal erhalten wird, das dem Mittelwert der Ausgangsspannung
des Verstärkers V7 proportional ist. Für dieses Gleichspannungssignal, das mit u bezeichnet sein soll, gilt
die Beziehung:

^u=URef ' <Pr> = ^URef <2T · f - 1).

Die Ausgangsspannung ist also proportional dem Mittelwert" und zugleich proportional der Pulsfolgei'requcnz f, wenn die Zeitkonstante T konstant ist. Dies bedeutet, daß im ersten Fall das Modulationssignal als pu.lsdauermoduliertes Signal und im zweiten Falle als froquenzmoduliertes Signal demoduliert wird.

4 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   (λ J Gleichspannungstrennverstärker mit einem Modulator für das Eingangssignal, einer diesem nachgeschalteten Wechselstromübertragungsstrecke und einem an diesen angeschlossenen Demodulator, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulator (MOD) eingesetzt ist, der ein frequenz- und pulsdauermoduliertes Wechselspannungssignal liefert, und daß der Demodulator (DJ^r-M) im Falle, daß die Übertragungsstrecke die Impulsflanken verfälscht, ein Demodulator für frequenzmodulierte Signale und im Falle, daß die Impulsflanken genau und ohne Zeitfehler übertragen werden, ein Demodulator für pulsdauermodulierte Signale ist.
2. 2. Gleichspannungstrennverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (MOD) ein nach dem Ladungsmengenkompensationsverfahren oder nach dem Entladungsverfahren arbeitender Spannung.s-Fi'equenz-Umformer (V2, C1, DIS, S1) ist.
3. 3. Gleichspannungstrennverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsstrecke ein Übertrager (Ü) ist, dessen Primärwicklung von dem Modulator (MOD) gespeist ist und an dessen Sekundärwicklung ein Demodulator angeschlossen ist, in dem die Ausgangsimpulse des Übertragers (Ü) auf konstante Amplitude gebracht und in einem Tiefpaßfilter (TP) in ein Gleichspannungssignal umgewandelt werden.
4. 4. Gleichspannungßtrennverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsstrecke eine Leuchtdioden-Fotodiodenstrecke ist, deren Leuchtdiode vom Modulator gespeist ist und an deren Fotodiode ein Demodulator angeschlossen ist, in dem die Ausgangsiffipulse der Fotodiode auf konstante Amplitude gebracht und in einem Tiefpaßfilter (TP) in ein Gleichspannungssignal umgewandelt werden.

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