DE2345400C2 - Elektrische Potentialtrennstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Potentialtrennstufe, in der die potentialmäßige Trennung des Ausgangs vom Schaltungseingang ohne Trenntransformatoren verwirklicht wird.

In vielen Bereichen elektronischer Ausrüstungen, wie z. B. in der Unterhaltungselektronik, sind Potentialtrennstufen mit einem potentialmäßig nicht festgelegten Ausgang zur Realisierung elektronischer Schaltungen erforderlich. Normalerweise werden hierfür Trenntransformatoren verwendet. Derartige Trenntransformatoren sind teuer und besitzen ein großes Gewicht. Diese Nachteile sind z. B. besonders bei Tonaufnahmennd Wiedergabeanlagen mit mehreren Kanälen beson

ders schwerwiegend.

Es ist deshalb bereits eine Verstärkerschaltung mit schwebendem Ausgang bekannt geworden, welche mit gegengekoppelten Operationsverstärkern arbeitet und be^; der die zwischen den beiden Ausgangsklemmen erhaltene Potentialdifferenz unabhängig davon öein soll, auf welchem Potential einer der Ausgänge liegt, insbesondere dieser geerdet ist (US-PS 35 66 298). Bereits aus einer theoretischen Untersuchung der Schaltung ergibt

ίο sich, daß die gleichphasige Ausgangsspannung unbestimmt ist, so daß jedes Störsignal an einem Ausgang automatisch auch am anderen Ausgang erscheint. Dazu kommt, daß in der Praxis niemals völlig identisch gleiche Widerstände und Operationsverstärker vorhanden sind, und daraus ergibt sich, daß der Ausgangs-Gieichspannungspegel nicht definiert ist, so daß beim Anschluß an eine Stufe mit schwebendem Eingang kein störungsfreier Betrieb möglich ist Auch der Wechselspannungs-Ausgangspegel ist nicht definiert Beim Anlegen eines WechseJspannungs-Eingangssignals ergibt sich also eine sehr große gleichphasige Ausgangsschwankung, die bei sehr kleinem Ausgangs-Potentialunterschied zum »Clipping« bei gleichphasigem Betrieb führt. Dadurch ergeben sich bei mittleren Ausgangspegeln unzulässig starke Verzerrungen. Wenn schließlich ein Ausgang geerdet wird, etwa durch Anschluß an ein Gerät mit einseitig geerdetem Eingang, liefert der betreffende Operationsverstärker seinen maximalen Ausgangsstrom in diesen Kurzschluß, so daß sich ein unzulässig hoher Stromverbrauch oder sogar ein Ausfall des betreffenden Operationsverstärkers durch Überlastung ergibt.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine elektrische Potentialtrennstufe anzugeben, deren Ausgang unter Verzicht auf Trenntransformatoren potentialmäßig frei liegt. Dabei soll eine Ausführung der Trennstufe als integrierter Schaltkreis möglich sein und auf diese Weise zu großen Einsparungen im Umfang, im Gewicht und in den Kosten führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Komparator vorgesehen ist, der das Eingangssignal mit einem Rückkopplungssignal vergleicht und ein Regelsignal an einen mit Differenzstromausgängen versehenen Verstärker abgibt, daß die Verstärkerausgänge an zwei Verbraucherausgänge angeschlossen sind, und daß zwischen die Verbraucherausgänge ein weiterer Verstärker angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal proportional zur Spannung zwischen den Verbraucherausgängen ist und das dem Komparator zugeführte Rückkopplungssignal liefert.

Eine Ausführungsform der Erfindung und die Arbeitsweise dieser Ausführungsform werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben.

F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels dieser Erfindung;

Fig. 2 zeigt die Schaltung eines geeigneten Verstärkers mit Differenzstromausgängen, mit für Tonfrequenzverarbeitung typischen Werten;

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform mit einer veränderten Ausbildung des Verstärkers mit Differenzstromausgängen;

Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer möglichen Ausführungsform des in F i g. 3 verwendeten Verstärkers, mit fürTonfrequenzveraibeitung typischen Werten.

In F i g. 1 ist ein Eingangsanschluß 10 mil einem Ad-

b5 dierverstärker 11 über den Eingangswiderstand 12 verbunden. Ein vom Differenzverstärker 13 geliefertes Rückkopplungssignal ist dem Verstärker 11 über den Widerstand 14 zugeführt. Das vom Differenzverstärker

gelieferte Rückkopplungssignal besitzt ein gegenüber dem Eingangssignal urngekehrtes Vorzeichen. Aus diesem Grund erscheint am Ausgang des Verstärkers 11 ein der Differenz zwischen Eingangs- u~d Rückkopplungssignal proportionales Regelsignal. Dabei soll erwähnt werden, daß für den Vergleich zwischen Eingangs- und Rückkopplungssignal und zur Erzeugung des Regelsignals auch andere, hier nicht dargestellte Vorrichtungen, wie z. B. ein Differenzverstärker, verwendet werden können.

Ein Eingang des Differenzstromverstärkers 15 wird von dem Regelsignal ausgesteuert, der andere Eingang (nicht dargestellt) ist mit einem Referenzpotential verbunden. Der Verstärker 15 liefert als Ausgangssignal eine Stromdifferenz. Die Ausgänge des Stromverstärkers sind an Verbraucherausgänge 18 und 19 angeschlossen, an die die Eingangsanschlüsse des Differenzverstärkers 13 gelegt sind. Die Verbraucherimpedanz kann z. B. aus einem potentialmäßig nich*. festgelegten Ausgangskabel 20 bestehen, welches zu einer transformatorgekoppelten Eingangsstufe 21 eines vollständig anderen Schaltkreises führt.

Unabhängig vom Wert der Verbraucherimpedanz (die nur im üblichen Arbeitsbereich liegen soll) wird über die Rückkopplung das Regelsignal so geregelt, daß die vom Verstärker 15 gelieferte Stromdifferenz eine Verbraucherspannung, d. h. eine Ausgangsspannung des Differenzverstärkers liefert, die denselben Wert wie die Eingangsspannung besitzt. Diese Bedingung bleibt unabhängig davon erhalten, ob die Verbraucherausgänge 18 und 19 potentialmäßig vollständig frei sind ober ob, wie in manchen Fällen gewünscht, einer dieser Verbraucherausgänge, z. B. ein Leiter des Kabels 20, auf irgendeinem festen Potential liegt.

Die Eingangs- und Ausgangsspannungen müssen nicht notwendigerweise gleich sein. Es kann z. B. eine Proportionalitätskonstante dadurch eingeführt werden, daß der Differtnzverstärker 13 eine von 1 abweichende Verstärkung besitzt, oder daß die Widerstände 12 und 14 entsprechend ausgelegt sind.

Der Verstärker 15 kann die in Fig. 2 dargestellte Form besitzen. Ein Eingang 22 ist mit einem verstärkenden, in Emitterschaltung arbeitenden Transistor 23 verbunden. Der Kollektor dieses Transistors ist an einen Eingang der paarweise geschalteten Transistoren 24 und 25 gelegt, die in ihrem Emitterkreis eine Konstantstromquelle 32 besitzen. Der andere Eingang, d. h. die Basis des Transistors 25, wird auf konstantem Potential gehalten. Die Transistoren 24 und 25 besitzen als Kollektorwiderstände zwei Kontantstromquellen (die Transistoren 26 und 27), und erzeugen damit als Ausgangssignal eine Stromdifferenz an den Anschlüssen 28 und 29, die den Verbraucherausgängen 18 und 19 der Fig. 1 entsprechen. Eine Gleichstromrückkopplung vom Ausgang 28 läuft über ein Tiefpaßfilter 30 zum Emitter des Transistors 23 und stabilisiert das stationäre Potential des Ausgangs 28. Die Widerstandswerte sind dabei so gewählt, daß der Ausgang 28 auf Erdpoteniial liegt, wenn der Anschluß 22 geerdet wird.

Der Differenzstromverstärker kann, wie in F i g. 3 gezeifet ist, in zwei Stromverstärker i5A und 155 unterteilt werden, deren Verhältnis von Ausgangsstrom zur Eingangsspannung verschiedene Vorzeichen besitzen. Eine Ausbildung dieser Ausführungsform ist in F i g. 4 dargestellt Der nicht invertierende obere Schaltungsteil arbeitet in folgender Weise.

Ober den Eingangsanschluß 33 (der an den Ausgang des Verstärkers 11 angeschlossen ist), wird ein Differenzverstärker 34 angesteuert, dessen Funktionsweise schon beschrieben ist, und dessen Ausgangssignal einen PN P-Transistor 35 und über das im Tonfrequenzbereich eine niedere Impedanz besitzende Netzwerk 37 einen in Serie geschalteten NPN-Transistor 36 aussteuert. Die Transistoren 35 und 36 bewirken eine Stromverstärkung und ihre Kollektoren bilden zusammen den Ausgangsanschluß 38, der dem Verbraucherausgang 18 der F i g. 3 entspricht. Sobald z. B. das Potential des Eingangs 33 anwächst, nehmen die Basispotentiale der Transistoren 35 und 36 ab, der Strom durch 35 nimmt zu und der Strom durch 36 nimmt ab, dadurch wird in beiden Fällen das Potential des Ausgangs 38 erhöht.

Das Aiugangssignal des Verstärkers wird über ein Tiefpaßfilter 39 geglättet, wobei bevorzugt ein Emitterfolger 40 dazwischen geschaltet ist, um Schwankungen des Kollektorpotentials der Transistoren 35 und 36 zu vermeiden (hohes Impedanzniveau). Das geglättete Signal wird dem zweiten Eingang des Differenzverstärkers 34 zugeführt und bildet damit einen negativen Rückkopplungskreis, der die Arbeitspunktbedingungen stabilisiert und der außerdem das Potential des Ausgangs 38 auf dem Potential des Eingangs 33 zu halten trachtet.

Der invertierende untere Verstärkerteil in Fig.4 arbeitet in derselben Weise, mit der Ausnahme daß das am Anschluß 33 anliegende Signal über eine Koppelkapazitat 41 demjenigen Eingang des Differenzverstärkers zugeführt wird, der auch zur Gleichspannungsrückkopplung dient, und daß der Ausgang 42 (der in F i g. 3 dem Anschluß 19 entspricht) etwa auf Erdpotential gehalten wird.

Wenn die Schaltung der F i ^- 2 oder der F i g. 4 in die vollständige Potentialtrennstufe nach Fig. 1 eingebaut ist, wird der Verbraucherausgang 19 aufgrund der äußeren Rückkopplungsschleife über die Verstärker 11 und 13 fast auf dem gleichen Potential wie der Verbraucherausgang 18 gehalten.

Die Rückkopplungsschleifen stellen sicher, vorausgesetzt, daß kein Gleichstrom am Ausgang entnommen wird (eine Gleichstromentnahme läßt sich durch Koppelkapazitäten vermeiden), daß die Verbraucherausgänge 18 und 19 Potentiale annehmen, die eine maximale Aussteuerung der Ausgangsspannung ermöglichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrische Potentialtrennstufe, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator(11,12, 14) vorgesehen ist, der ein Eingangssignal mit einem Rückkopplungssignal vergleicht und ein Regelsignal an einen mit Differenzstromausgängen versehenen Verstärker (15) abgibt, daß die Verstärkerausgänge an zwei Verbraucherausgänge (18, 19) angeschlossen sind, und daß zwischen die Verbraucherausgänge (18, 19) ein weiterer Verstärker (13) angeschlossen ist, dessen Ausgangssignal proportional zur Spannung zwischen den Verbraucherausgängen ist und das dem Komparator zugeführte Rückkopplungssignal liefert.

2. E'ektrische Potentialtrennstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (13) einen Differenzverstärker enthält, dessen beide Eingänge an die entsprechenden Verbraucherausgänge (18, 19) angeschlossen sind, und daß ein Ausgang an den Komparator (11, 12, 14) zur Herstellung der Rückkopplung zurückgeführt ist.

3. Elektrische Potentialtrennstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (15) einen Differenzstromverstärker enthält, dessen einer der beiden Eingänge an den Ausgang des Komparators (11,12,14) angeschlossen ist, und dessen beide Ausgänge an die Verbraucherausgänge (18, 19) angeschlossen sind.

4. Elektrische Potentialtrennstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Rückkopplung einer negativen Spannung verwendeter Schaltkreis ein Glättungsnetzwerk (30) zwischen einem der Ausgänge (28) des Differenzstromverstärkers (15) und einem der Eingänge des Differenzstromverstärkers (15) zur Stabilisierung der Ausgangsgleichspannung enthält

5. Elektrische Potentialtrennstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (15) einen ersten und einen zweiten Stromverstärker (15/4, \5B) enthält, die als Antwort auf das Ausgangssignal des Komparators (11,12,14) gegenphasig betrieben werden.

6. Elektrische Potentialtrennstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung von jedem der beiden Stromverstärker (35, 36) über eine negative, ein Glättungsnetzwerk (39) enthaltende Rückkopplungsschleife an den Eingang des entsprechenden Verstärkers geführt wird.