DE2355499C3 - Vorrichtung zur Anzeige von Gleichspannungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Anzeige von Gleichspannungen mit einem Transformator, dessen Primärwicklung an eine durch die Gleichspannung steuerbare Belastung und dessen Sekundärwicklung an mindestens eine pulsierende Spannungsquelle angeschlossen ist und mit einer Mittelanzapfung zum Anschluß an eine Anzeige- und/oder Registriereinrichtung versehen ist.

Wie allgemein bekannt, ist es in vielen Zusammenhängen notwendig, elektrische Spannung oder elektrischen Strom von einem Schaltkreis zu einem anderen zu überführen, ohne die Kreise galvanisch miteinander zu verbinden. Ein elektrisches Bauteil, das gewöhnlich für diesen Zweck verwendet wird, ist ein Transformator mit getrennten Wicklungen auf der Primär- und Sekundärseite. Da der Transformator indessen voraussetzt, daß die zugeführte Spannung wechselt, läßt er sich nicht ohne besondere Maßnahmen zur Überführung solcher Signale verwenden, die zeitweise konstant sein können. Außerdem sind Transformatoren mit einem Nachteil völlig anderer Art behaftet, nämlich daß sie verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung sind. Trotzdessen werden Transformatoren in den meisten bekannten Anordnungen der in Rede stehenden Art für die Signaltransformierung verwendet.

Falls Gleichspannungssignale transformiert werden sollen, verwendet man gewöhnlich ein Trägersignal, das von dem zu transformierenden Gleichspannungssignal moduliert wird, wonach das transformierte Signal demoduliert wird. Somit sind Vorrichtungen bekannt, bei denen man das Trägersignal über einen oder mehrere Transformatoren einem Eingangskreis für die Gleichspannungssignale zuführt Das Trägersignal wird von den Eingangs-Gleichspannungssignaler. moduliert, und eventuell erfolgt auch eine Verstärkung, wonach das dergestalt modulierte Signal über einen oder mehrere weitere Transformatoren auf einen Ausgangs kreis überführt und anschließend demoduliert wird.

Bei den meisten Vorrichtungen der genannten Art werden wenigstens drei Transformatoren vorgesehen, wodurch die Vorrichtungen unnötig aufwendig werden, da die erforderlichen Transformatoren teurer als die übrigen zur Vorrichtung gehörenden Bauteile sind. Dieses Verhältnis macht sich insbesondere in solchen Fällen bemerkbar, in denen Signale von einer großen Anzahl Organen überführt werden sollen, wie beispielsweise bei einer Meßausrüstung zur Kontrolle von Signalen.

Durch die deutsche Offenlegungsschrift 21 35 426 ist ein Meßumformer bekannt, der ohne den relativ hohen Aufwand der bekannten Transformatoren eine galvanische Trennung des Meßkreises vom Übertragungskreis gewährleistet und nur einen einzgien Transformator benötigt. Diese Vorrichtung arbeitet / war linear, aber nur eine Polarität, d. h. nur entweder für positive oder nur für negative Meßsignale.

Demgegenüber hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Vorrichtung zum Transformieren von Gleichspannungssignalen zwischen zwei galvanisch voneinander zu trennenden Kreisen, die ebenfalls nur einen Transformator enthält dessen Eingangsseite für das Signal an eine in Abhängigkeit vom Signalpegel steuerbare Belastung angeschlossen ist und dessen Ausgangsseite an mindestens eine pulsierende Spannungsquelle angeschlossen und mit einer Anzapfung für den Strom durch die Wicklung versehen ist, die für den Anschluß einer Anzeige- und/oder Registrierausrüstung dient, so auszuführen, daß die Transformierung der Gleichspannungssignale sowohl linear als auch vorzeichengetreu erfolgt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die beiden Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators über je eine Diode, die zueinander gleichsinnig gepolt sind und jeweils mit der gleichen Elektrode an den Verbindungspunkt einer Reihenschaltung von Widerstand und Kondensator angeschlossen sind, wobei der andere Anschluß des Widerstandes am Emitter eines als steuerbare Belastung arbeitenden Transistors und der andere Anschluß des Kondensators an einer Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transforma-

_tors und an der einen Eingangsklemme für die Gleichspannung liegt, daß weiterhin die beiden Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators über je eine weitere Diode, die zueinander gleichsinnig, aber jeweils gegensinnig zu den erstgenanr ten Dioden pepolt sind und jeweils mit der gleichen Elektrode am Kollektor des Transistors liegen und über einen Kondensator an der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators liegen und die Basis des Transistors an der anderen Eingangsklemme für die Gleichspannung angeschlossen ist

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhäit man somit an der Ausgangsseite eine elektrische Spannung für die Anzeige- und/oder Registrierausrüstung, die zur steuerbaren Belastung proportional ist, die ihrerseits wiederum vom Signalpegel abhängt. Die elektrische Spannung für die Anzeige- und/oder Registrierausrüstung ist somit Vorzeichen- und größenmäßig abhängig von Vorzeichen und Signalpegel des zu überführenden Signals. Durch geeignete Wahl der Bauteile, aus denen die Vorrichtung aufgebaut ist, läßt sich erreichen, daß die der Anzeige- und/oder Registrierausrüstung zugeführte Spannung linear vom zu transformierenden Gleichspannungssignal abhängig ist. Man kann somit eine getreue Nachbildung desselben erhalten.

Die steuerbare Belastung besteht aus einem Transistor und einem Widerstand, wobei der Transistor so angeordnet ist, daß er vom durch den Transformator transformierten und von der pulsierenden Spannungsquelle herrührenden Strom durchflossen und durch die Gleichspannungssignale gesteuert wird. Der von der pulsierenden Spannungsquelle herrührende Strom wird somit nach der Transformierung im Transformator durch den Transistor geschickt. Da der Transistor vom zu transformierenden Gleichspannungssignal gesteuert ist, wird somit die Stromstärke durch den Transistor und durch den Widerstand größenmäßig abhängig von der Größe und Polarität des Gleichspannungssignals. Dies bedeutet, daß die Belastung des Transformators, gesehen von der pulsierenden Spannungsquelle, im Takt mit dem Gleichspannungssignal schwankt. Die pulsierende Spannungsquelle gibt somit einen Strom ab, der größenmäßig im gleichen Takt schwankt. Die Wicklung auf der Signalausgangsseite des Transformators wird somit dadurch von einem Strom durchflössen, der seine Größe auf die gleiche Weise wie das Gleichspannungssignal ändert Jede Änderung des Gleichspannungssignals spiegelt sich somit als eine entsprechende Änderung der Stärke des von der pulsierenden Spannungsquelle abgegebenen Stroms wider. Liegt das Gleichspannungssignal eine gewisse Zeit lang auf derselben Höhe, ändert sich die Belastung nicht, von der pulsierenden Spannungsquelle aus gesehen, und diese gibt einen konstanten Strom ab, der somit den Signalpegel widerspiegelt.

Die pulsierende Spannungsquelle dient dazu, über Gleichrichter dem Transformator zwei einander entgegengerichtete Rechteckspannungen zuzuführen. Diese Rechteckspannungen werden dabei wie an sich bekannt, jeweils einem Endpunkt der Wicklung zugeführt, und do die Entnahme von Strom aus den Wicklungsteilen erfolgt über die an die Anzeige- und/oder Registrierausrüstung angeschlossenen zusätzliche Anzapfung der Wicklung. Dabei fließt der Strom abwechselnd in der einen bzw. anderen Richtung in den jeweiligen r>s Wicklungsteilen, so daß der Transformator einen Wechselstrom erfaßt.
Besonders zweckmäßig ist es, den an der zusätzlichen Wicklungsanzapfung entnommenen Strom der Anzeige- und/oder Registrierausrüstung über einen gleichstromgeschalteten Operationsverstärker zuzuführen. Durch geeignete Wahl teils des Transistors und teils dieses Operationsverstärkers kann man einen völlig linearen Zusammenhang zwischen dem Gleichspannungssignal und dem transformierten Signal erhalten. Trotz diesem linearen Zusammenhang ist es indessen nicht sicher, daß die Nulldurchgänge der Signale zusammenfallen. In der Absicht, dies zu korrigieren, wird nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dem Verstärker über Gleichrichter einen weiteren Strom zuzuführen, dessen Größe konstant von der pulsierenden Spannungsquelle herrührt. Dadurch, daß dem Verstärker dieser zusätzliche Strom über einen zweckmäßig bemessenen Widerstand zugeführt wird, erhält man eine vollständige Kompensation der Abweichungen der Nulldurchgänge.

Die Erfindung sei nun anhand eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt links einen Eingangskreis mit Anschlüssen 1 und 2 für das Gleichspannungssignal LA, der aus einem Transistor T, einem Widerstand /?i, zwei Kondensatoren G und Q sowie vier Dioden D, - D₄ besteht. Der Ausgangskreis für das Gieichspannungssignal U_b enthält einen Operationsverstärker A sowie einen hierzu parallelgeschalteten Widerstand Ri. Außerdem umfaßt der Ausgangskreis Dioden D5- D_w sowie einen Widerstand R₂.

Das zu transformierende Gleichspannungssignal wird dem Eingangskreis über die Anschlüsse 1, 2 zugeführt. Der Ausgangskreis wird über die Anschlüsse 3 und 4 mit symmetrischen Rechteckspannungen + LO und - LO mit entgegengesetzter Polarität gespeist. Diese Rechteckspannungen verursachen über die Dioden D5 und Db Ströme in der einen Transformatorwicklung, die abwechselnd vom einen b/w. anderen Wicklungsende zu einer Mittelanzapfung fließen. Diese Ströme rufen einen Wechselstrom in der zweiten Transformatorwicklung hervor, d. h. der Wicklung, die die Primärwicklung für die zu transformierenden Gleichspannungssignale darstellt. Über eine Gleichrichterschaltung Di, D2, Di, Dt, wird dieser Wechselstrom gleichgerichtet (I]) dem Transistor 7"zugeführt, der durch das Gleichspannungssignal L/| gesteuert wird. Der Strom fließt je nach Polarität über die Dioden Di und D₃ oder aber über die beiden anderen Dioden D2 und Dt, und lädt dabei den Kondensator G auf eine negative Spannung Uj und den Kondensator C₂ auf eine positive Spannung Us gegenüber dem Referenzanschluß 2 auf.

lh ist das Potential zwischen dem Emitter des Transistors T und dem Widerstand R\ und bildet mit guter Approximation die Eingangsspannung U\ ab. Der Unterschied zwischen U\ und L/2 ist AU und läßt sich, wie nachstehend aus den Gleichspannungen hervorgeht, durch den Spannungsabfall an den beiden Dioden D₉ und Dio ganz kompensieren.

Nach Aufladen der Kondensatoren G und C₂ wird der gleichgerichtete Strom /1 somit größenmäßig vom Gieichspannungssignal Lh abhängig, was dazu führt, daß der Transformator B — von der Seite her gesehen, von der die Rechteckspannung + LZ_n und - LO zugeführt werden — eine Belastung erhält, die im Takt mit dem Gleichspannungssignal schwankt.

Aufgrund dieser schwankenden Belastung ändern sich auch die aus den Rechteckspannungen entnommenen Ströme. Der an der Mittelanzapfung des Transformators entnommene Strom I₂ wird somit größenmäßig

abhängig vom dem Eingangskreis zugeführten Gleichspannungssignal U\.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich somit von bekannten Vorrichtungen dieser Art mit nur einem Transformator dadurch, daß die Ausgangsspannung proportional zur Eingangsspannung ist, auch wenn diese ihre Polarität ändert. Zu diesem Zweck werden, wie oben erwähnt, im Eingangskreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwei interne Spannungen Ui und L/4 mit bzw. positiver Polarität gegenüber dem Bezugspotential am ReferenzanschluB 2 des Signaleingangs erzeugt. Diese beiden mit Hilfe der Dioden D\ - Da sowie der Kondensatoren Q und C² erzeugten Speisespannungen ermöglichen einen linearen Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung U\ und dem transformierten Strom /2, auch wenn sich die Eingangsspannung von einem negativen zu einem positiven Wert oder umgekehrt ändert. Durch zweckmäßige Bemessung der elektrischen Bauteile kann man dabei erreichen, daß das Potential t/3 am dem Transistor Γ abgewandten Ende des Widerstandes R\ ausreichend negativ gegenüber dem Potential LZi am Anschluß 1 ist, so daß der Transistor Γ sowohl bei positivem als auch negativem Gleichspannungssignal leitend ist.

Wie nachstehend dargelegt, kann die erfindungsgemäße Schaltung so bemessen werden, daß der Strom h das zu tranformierende Gleichspannungssignal linear

U₂ = U₁ - IU

<Λ = -\Uo\ + 2 IU

«rc

abbildet. Der Sm>m I₂ kann an sich nur Werte einer Polarität annehmen. Veranschaulicht man den genannten linearen Zusammenhang in einem Koordinatensystem, zeigt es sich indessen, daß die Linie nicht durch den Nullpunkt verläuft, was jedoch erwünscht ist. Um dies zu korrigieren und zu erreichen, daß die Ausgangsspannung U_b ihre Polarität auf die gleiche Weise wie die Eingangsspannung ändert, wird dem Strom I₂ ein Strom Z₃ mit negativem Wert aufaddiert, wonach man die Summe der beiden Ströme den Eingang des Operationsverstärkers A beaufschlagen läßt. Dessen Ausgang liefert dann eine Spannung, die proportional zur Summe von Z₂+ /3 ist und dadurch auch proportional zur Eingangsspannung U\. Da der Strromzuschuß Z₃ mit Hilfe der pulsierenden Speisespannungen + U₀ und - U₀ erzeugt wird, und da die Spannung LZ₅ einen sehr geringen Wert hat (sogenannter virtueller Nullpunkt), abhängig von der im übrigen auf bekannte Weise ausgeführten Rückkopplung des Operationsverstärkers A läßt sich die Anordnung leicht so dimensionieren, daß die Ausgangsspannung Ut wunschgemäß d^n Nullpunkt gleichzeitig mit der Eingangsspannung U\ durchläuft

Spannungen und Ströme in den Schaltkreisen werden dabei wie folgt, vorausgesetzt daß LZ₅, d. h. das Potential am Eingang des Operationsverstärkers A mit guter Approximation 0 V ist.

(U₁ + |U₀| - 2 IU)

(U₁

- 3 IU)

h = ~ i (IU)I - 3 IU) = - j (Ju₀I - 3 IU)-Z₂ + I₃ = 4 ^₁

«2 «1 K,

U₆ = - R₃ U₂ + Z₃) = - ^ Λ, U₁

U₆ = k · U₁

Aus dem letztgenannten Zusammenhang geht hervor, daß das Ausgangssignal LZ₆ eine exakte Abbildung des Eingangssignals U\ ist Eine Transformierung von Gleichspannungssignalen wurde somit unter Verwendung nur eines einzigen Transformators ermöglicht, auch wenn die Eingangsspannung wechselnde Polarität hat, was sonst bedeuten würde, daß zwei Transformatoren verwendet werden müssen, und zwar jeweils einer für jede Polarität des Eingangssignals.

Obgleich die Erfindung im Anschluß an eine Ausführungsform derselben beschrieben wurde, kann sie dennoch beliebig im Rahmen der nachstehenden Patentansprüche abgewandelt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Anzeige von Gleichspannungen mit einsm Transformator, dessen Primärwicklung an eine durch die Gleichspannung steuerbare Belastung und dessen Sekundärwicklung an mindestens eine pulsierende Spannungsquelle angeschlossen ist und mit einer Mittelanzapfung zum Anschluß an eine Anzeige- und/oder Registrierein- ₍₀ richtung versehen ist dadurch dadurch gekennzeichnet, da3 die beiden Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators über je eine Diode (Di, D₄), die zueinander gleichsinnig gepolt sind und jeweils mit der gleichen Elektrode an den _t5 Verbindungspunkt einer Reihenschaltung von Widerstand (R_x) und Kondensator (Q) angeschlossen sind, wobei der andere Anschluß des Widerstandes am Emitter eines als steuerbare Belastung arbeitenden Transistors (T) und der andere Anschluß des Kondensators an einer Mittelanzapfung der Primärwicklung des Transformators und an der einen Eingangsklemme für die Gleichspannung liegt, daß weiterhin die beiden Anschlüsse der Primärwicklung des Transformators über je eine weitere Diode (Di, D3), die zueinander gleichsinnig aber jeweils gegensinnig zu den erstgenannten Dioden (Dy, D₄) gepolt sind und jeweils mit der gleichen Elektrode am Kollektor des Transistors (T) liegen und über einen Kondensator (Q) an der Mittelzapfung der Primärwicklung des Transformators liegen und die Basis des Transistor? an der anderen Eingangsklemme für die Gleichspannung angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige- und/oder Registrierausrüstung über einen gleichstrongejchalteten Operationsverstärker ^angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (A) über einen Widerstand (A₂) sowie Gleichrichter (Di - Dm) an die pulsierende Spannungsquelle (+ L/o, - Uo) angeschlossen ist, wodurch dem an der Mittelanzapfung entnommenen Strom (h) ein zusätzlicher Strom (/3) aufaddiert und deren Summe (h + /3) dem Operationsverstärker (A) zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung des Widerstandes (R2) und der Gleichrichter (Dj - Di₀), daß die Ausgangsspannung (Ub) eine exakte Abbildung des Eingangssignals (U\) ist und gleichzeitig mit diesem den Nullpunkt durchläuft.