DE2260440C3 - Gleichspannungstrennverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungstrennverstärker mit einem Modulator für das Eingangssignal, einer diesem nachgeschalteten Wechselstromübertragungsstnicke 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 messenden 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 DT-AS 18 11 987 beschrieben. Diese Zeihackerverstärker haben den Nachteil, daß die Amplituden der Wechselspannungssignale, die sich in einem weiten Bereich ändern, exakt linear übertragen werden müssen, da sonst das Ausgangssignal des Verstärkers nicht proportional 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 Auf-

wand herstellbar ist.

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

bildet werden, 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 Demodulationszeitkonstante. 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 Übertragungsstrecke, 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 pulsdauermoduliertes Wechselspannungssignal liefert, kann ein nach dem Ladungsmengenkompensationsverfahren arbeitender Spannungs-Frequenz-Umformer eingesetzt werden, wie er z. B. in ATM, September 1965, S. R 113 ff., beschrieben ist. 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 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 Eingangsspannung gemacht werden. Als Modulator kann ferner ein Spannungs-Frequenz-Umformer, der nach dem Entladeprinzip a beitet, eingesetzt werden. Derartige Spannungs-Frequenz-Umformer enthalten

ebenfalls einen Integrator, der aber nicht durch Im- Modulator und Demodulator müssen ihre Versor-

pulse konstanten Ladungsinhalts, sondern durch gungsspannungen aus getrennten Netzgeräten erhal-

Kurzschließen seines Eingangs entladen w:rd. ten, da &ie auf verschiedenen Gleiehspannungspoten-

An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungs- tialen liegen. Hierzu ist ein Transformator Tr vorge-

beispiel gezeigt ist, werden im folgenden die Erfin- 5 sehen, der außer einer Primärwicklung Wl zwei ge-

dung sowie weitere Vorteile und Ergänzungen näher trennte Sekundärwicklungen Wl und W 3 aufweist,

beschrieben und erläutert. Es zeigt an die jeweils ein Netzgerät angeschlossen ist.

F i g. 1 ein Übersichtsschaltbild eines Ausführungs- F i g. 2 zeigt Einzelheiten des Modulators. Der Ein-

beispiels und die gangsstrom I_E wird an einem Summenpunkt SP des

Fig. 2 und 3 Einzelheiten des Modulators bzw. io Integrators mit dem Verstärker V1 und dem Integra-

des Demodulators der Anordnung nach Fig. 1. tionskondensator Cl durch den Mittelwert des Ge-

In der Anordnung nach F i g. 1 wird das Eingangs- genkopplungsstromes I_K kompensiert. Beim Untersignal über eine doppelt abgeschirmte koaxiale Ein- schreiten der Triggerschwelle eines Transistors Ts gangsbuchse einem Modulator MOD zugeführt. Die- gibt ein diesem nachgeschalteter monostabiler Multiser ist innerhalb einer inneren Abschirmung ange- 15 vibrator MV einen negativen Impuls einer bestimmbracht, während die äußere Abschirmung den ten Dauer ab. Mit Hilfe eines Widerstandes R 6 und gesamten Trennverstärker umgibt. Das Eingangs- einer negativen Referenzspannung — U_Rcl1 wird diesignal gelangt über einen Eingangswiderstand R1 auf sem Impuls der negative Strom /_K zugeordnet. Die den nichtinvertierenden Eingang eines Eingangsver- Impulsfrequenz, die dem Übertrager Ü zugeführt stärkers Vl, dessen Ausgang über einen Spannungs- 20 wird, ist proportional dem Eingangsstrom I_n bzw. der teiler Pl, dessen Fußpunkt an Masse liegt, auf den Eingangsspannung Up. In den Impulspausen fließt invertierenden Eingang gegengekoppelt ist. Dieser aus der positiven Referenzspannungsquelle +U_Ren Gegenkopplungszweig des Verstärkers ist umschalt- ein positiver Strom I_K, dessen Größe durch die Größe bar, so daß der Trennverstärker einen großen Bereich der Spannung + U_Rell und des Widerstandes R 5 beder Eingangsspannung überstreichen kann. An den 25 stimmt ist. Zur Voreinstellung einer Mittenfrequenz Eingangsverstärker Vl ist über einen einstellbaren wird dem Summierpunkt SP zusätzlich ein Referenz-Abschwächungswiderstand R 3 ein Integrator ange- strom I,_M zugeführt.

schlossen, der aus einem Verstärker V2 und eiesrn In der Anordnung nach Fig. 3 werden die von Integrationskondensator Cl besteht. Die Ausgangs- dem Übertrager Ü abgegebenen Impulse demoduliert, spannung des Verstärkers Vl wird auf integriert, bis 30 Sie gelangen über einen Verstärker 'Vi auf einen die Ausgangsspannung des Verstärkers Vl einen Diodenschalter DSl, der entsprechend dem im Mo-Wert erreicht, bei dem ein diesem nachgeschalteter dulator verwendeten Diodenschalter DSl aufgebaut Diskriminator DIS anspricht. Dieser liefert dann ist. Dadurch werden die Impulse auf gleiche Amplieinen Ausgangsimpuls konstanter Dauer, der in einer tude gebracht. An den Diodenschalter DS 2 schließt Schaltungseinheii Sl auf konstante Amplitude ge- 35 sich ein invertierender Verstärker Vl an, dessen Ausbracht wird, so daß der Impuls eine bestimmte La- gangsimpulse in gleicher Weise wie die Gegenkopp· dungsmenge aufweist. Die Impulse konstanter La- lungsimpulse des Modulators bei einer Periodendungsmenge werden dem Eingang des Integrators dauer T die konstante Impulsdauer τ aufweisen. Ihre zugeführt und entladen diesen. Danach beginnt der Amplitude beträgt + U_Rrli, während in den Puls-Integrationsvorgang von neuem. Mit zunehmender 40 pausen die Spannung — U^₁₁, am Ausgang des Ver-Eingangsspannung erhöht sich die Frequenz der Aus- stärkers Vl liegt. Diese Impulse werden in einem gangsimpulse des Diskriminators DIS. Da die Aus- Aktivfilter mit dem Verstärker V8 und nicht näher gangsimpulse konstante Dauer haben, ändert sich fer- bezeichneten Integrationswiderständen und Kondenner das Puls-Pausen-Verhältnis. Das Eingangssignal satoren integriert, so daß am Ausgang des Verstärwird also gleichzeitig frequenz- und puisdauermo- 45 kers V 8 ein Gleichspannungssignal erhalten wird, das duliert. dem Mittelwert der Ausgangsspannung des Verstär-

Der Diskriminator DIS speist ferner die Primär- kers Vl proportional ist. Für dieses Gleich>pan-

wicklung eines Impulsübertragers Ü, an dessen Se- nungssignal, das mit u bezeichnet sein soll, gilt die

kundärwicklung über einen Verstärker V 3 der De- Beziehung:

modulator DEM angeschlossen ist. In diesem werden s°

zunächst die Impulse konstanter Dauer auf gleiche u = U , · ( ^-^T 11 = U , (2 τ · / — 1).

Amplitude gebracht und anschließend in einem über ' " \ T ) ' "
einen Kondensator C2 gegengekoppelten Verstärker

V4 integriert. Das Ausgangssignal dieses Integrators Die Ausgangsspannung ist also proportional dem

durchläuft einen Tiefpaß TP und gelangt dann auf 55 Mittelwert und zugleich proportional der Pulsfolge-

einen Ausgangsverstärker V6. Am Eingang des Aus- frequenz /, wenn die Impulsdauer τ konstant ist. Dies

gangsverstärkers wird dem Signal ein mit Hilfe eines bedeutet, daß im ersten Fall das Modulationssignal

Potentiometers P 2 einstellbares konstantes Potential als pulsdauermoduliertes Signal und im zweiten Falle

zwecks Einstellung der Nullage überlagert. ab frequenzmoduliertes Signal demoduliert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. 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 (DEM) im Falle, daß die Übertragungsstrecke die Impulsflanken verfälscht, ein Demodulator für frequenzmodulierte Signale und im Falle, daß die Impulsflanken genau und ohne Zoitfehler übertragen werden, ein Demodulator für pulsdauermodulierte Signale ist.

2. Gleichspannungstrennverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (MOD) ein nach dem Ladungsmengenkompensationsverfahren oder nach dem Entladungsverfahren arbeitender Spannungs-Frequenz-Umformer (Vl, Cl, DIS, Sl) ist.

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. Gleichspannungstrennverstärker 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 Ausgangsimpulse der Fotodiode auf konstante Amplitude gebracht und in einem Tiefpaßfilter (TP) in ein Gleichspannungssignal umgewandelt werden.