DE2446995A1

DE2446995A1 - Verstaerkerschaltung

Info

Publication number: DE2446995A1
Application number: DE19742446995
Authority: DE
Inventors: Richard James Ballard; Gary Charles Vance
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1973-10-04
Filing date: 1974-10-02
Publication date: 1975-04-17
Also published as: FR2247011A1; JPS5062753A; NL7411051A; FR2247011B1; GB1471906A; CA1027194A; JPS5435906B2; US3988690A

Description

DlPL-iNG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

püsseldorf, 1. Okt. 1974

PF 2156
74132

Tektronix, Inc.

Beaverton, Oregon, V. St. A.

Verstärkerschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung für spezielle Anwendungszwecke.

In Verbindung mit vielen Arten von Instrumenten wie Oszillographen und physiologischen überwachungseinrichtungen ist es wünschenswert, über einen Eingangsverstärker mit frei schwebendem Potential zu verfügen, der gegenüber dem übrigen Teil des Instruments elektrisch isoliert ist. Das Problem kommt zum Tragen, wenn ein untersuchter Gegenstand sich auf einem anderen Spannungspotential als das Meßinstrument selbst befindet, das sich entsprechend allgemein anerkanntem elektrischem Standard üblicherweise auf Massepotential befindet. Beispielsweise wäre es bei der Messung der Welligkeit einer Hochspannurigsquelle zur Ermittlung des Wirkungsgrads eines Regelkreises wünschenswert, die Eingangsstufe auf dem Gleichspannungsniveau der Quelle potentialmäßig frei schweben zu lassen und damit eine große Potentialdifferenz an den Eingangsklemmen zu vermeiden.

Ein Eingangsverstärker mit frei schwebendem Potential ist beson-,ders in Verbindung mit physiologischen Monitoren wichtig, wenn es sich bei dem untersuchten Objekt um einen menschlichen Körper

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handelt. Es ist wesentlich, daß jegliche Gefahr eines elektrischen Schlages minimiert wird, d. h., daß Leistungsquellenpotentiale innerhalb der Monitor-Einrichtung oder die Netzspannung des Wechselstromnetzes den Patienten im Fall einer Fehlfunktion des Instruments nicht erreichen können. Ebenso ist es wichtig im Hinblick auf die Schaffung eines Instruments, das in der Lage ist, Signale näher zu überwachen, die von einer Quelle erzeugt werden, die gegenüber Masse oder einem anderen Potential vollständig isoliert ist oder den Potentialen anderer angeschlossener klinischer Einrichtungen ausgesetzt werden kann.

Es sind bereits viele Versuche unternommen worden, einen Eingangsverstärker mit frei schwebendem Potential für ein elektronisches Instrument zu schaffen. In einem Fall wurde mit einem batteriegespeisten transformatorisolierten Verstärker gearbeitet. Batterien sind jedoch nicht nur sperrig und hinsichtlich ihrer Leistungsabgabe begrenzt, sondern sie erfordern auch eine Wiederaufladung oder ein Auswechseln. In einem weiteren Fall wurde mit zwei Transformatoren gearbeitet, nämlich einem für die Energieübertragung und einem für die Signalübertragung.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Verstärkerschaltung mit einer potentialmäßig frei schwebenden Eingangsstufe, die gegenüber dem Massepotential des Instrumentenchassis isoliert ist, ohne Batterien zur Leistungsversorgung zu benötigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Verstärkerschaltung erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen ersten Signalverstärker und einen zweiten Signalverstärker, der ein Signal von dem ersten Signalverstärker erhält und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal abgibt, sowie durch eine isolierend zwischen den ersten und den zweiten Signalverstärker geschaltete Kopplungseinrichtung mit einem einzigen übertragungsweg zur Kopplung des Signals darüber und zur gleichzeitigen Abgabe von Betriebsleistung darüber zum Betrieb des ersten Signalverstärkers.

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Erfindungsgemäß wird eine potentialmäßig frei schwebende Eingangsstufe gegenüber dem Hauptteil einer Verstärkerschaltung mittels eines einzigen Transformators isoliert, der sowohl Leistung an die Eingangsstufe abgibt als auch ein Signal dadurch koppelt. Der Primärwicklung des Transformators ist ein Leistungsoszillator parallelgeschaltet, während an eine Mittelanzapfung_; davon ein Ausgangsverstärker angeschlossen ist. Der Sekundärwicklung des Transformators sind ein Vollweggleichrichter und der Eingangsstufe parallergesehaltete Filterkondensatoren vorgeschaltet, um eine Gleichspannungsquelle mit freischwebendem Potential zu schaffen. Die von der Sekundärwicklung durch die Eingangestüfe abgenommene Leistung wird entsprechend einem Eingangssignal moduliert. Die Modulation wird in der Primärwicklung als eine Änderung im erforderlichen Oszillator-Speisestrom erfaßt. Die Mittelanzapfung der Transformator-Primärwicklung ist die Summierstelle für den Ausgangsverstärker, der ein Ausgangs-Spannungssignal erzeugt, das dem Eingangssignal proportional ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Verstärkerschaltung und der Energieversorgung dafür nach der Erfindung; und

Fig. 2 schematisch ein Schaltbild des Verstärkers, das Einzelheiten des Signalübertragungsweges und der Energieversorgung nach dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erkennen laßt.

Im einzelnen zeigt das Schaltbild nach Fig. 1 einen Leistungsoszillator 1, der in Reihe mit einem Widerstand 3 zwischen zwei geeigneten Speisepotentialen +V und -V_ liegt. Der Leistungsoszillator 1, von dem eine Ausführung weiter unten genauer erläutert wird, erzeugt eine Wechselspannung, um die Primärwicklung

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5 eines geeigneten Transformators 7 zu speisen. Die Wechselspannung wird in dem richtigen Verhältnis an der Sekundärwicklung 9 erzeugt und durch einen geeigneten Gleichrichterkreis, von dem weiter unten eine Ausführungsform genauer erläutert wird, gleichgerichtet und gefiltert, um geeignete frei schwebende Speisepotentiale +V und -Vp zu liefern. Die Speisespannungen +V„ und -V_p sind gegenüber der Primärseite des Transformators 7 vollständig isoliert und stehen somit in keiner Beziehung zur Masse des Instruments oder des Chassis.

Die frei schwebenden Speisepotentiale +v_ und -V_ beaufschlagen

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einen Eingangsverstärker 15, der aus diskreten Einzelelementen oder aus einer integrierten Schaltung aufgebaut sein kann, so daß dieser mit Leistung versorgt wird. Der Eingangsverstärker 15 hat zwei potentialmäßig frei schwebende Eingangsklemmen 16 und 17, die an eine Signalquelle angeschlossen sein können. Zusätzlich ist mit dem frei schwebenden Referenzpotential der die Speisepotentiale +V„ und -Vp liefernden Spannungsquelle ein Anschluß 18 verbunden, so daß eine Verbindung mit der gemeinsamen Leitung der Signalquelle hergestellt werden und somit das Referenzniveau des Eingangsverstärkers 15 auf das Referenzniveau der Signalquelle gebracht werden kann. Dieser Vorgang ist als "(Freies) Schweben" bekannt. Das den Eingangsklemmen 16 und 17 zugeführte Eingangssignal wird durch den Eingangsverstärker 15 verstärkt, und das Verstärkersignal wird an einem Lastwiderstand 19 erzeugt. Die an dem Lastwiderstand 19 erzeugten Signalschwankungen ergeben einen entsprechenden Signalstrom, der von der +V_p-Versorgung über den Ausgang des Verstärkers 15 und den Widerstand 19 zu der -Vp-Versorgung fließt und die von der Sekundärwicklung 9 abgenommene Leistung in Übereinstimmung mit dem Eingangssignal moduliert.

Die Modulation in der Sekundärwicklung- des Transformators 7 wird auf die Primärwicklung übertragen, so daß sich die Anforderungen an den Versorgungsstrom bezüglich des Leistungsoszillators 1 ändern. Zwischen dem Widerstand 3 und dem Leistungsoszillator 1 liegt ein Verbindungspunkt 20, der den Eingang einer Operations-

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verstärker-Ausgangsstufe 22 bildet, deren anderer Eingang an Chassis-Masse angeschlossen ist. Durch die Einwirkung des Operationsverstärkers wird der Verbindungspunkt 20 auf 0 V gehalten, so daß die vom Leistungsoszillator geforderten Stromversorgungsänderungen infolge der Beaufschlagung der Eingangsklemmen 16 und 17 mit einem Eingangssignal über den Rückkopplungswiderstand 24 abgegeben werden, wenn der Operationsverstärker die Spannung am Verbindungspunkt 20 stabilisiert. Die Schwankungen des Stroms durch den Rückkopplungswiderstand 24 erzeugen dann am Rückkopplungswiderstand 24 einen Spannungsabfall, der als ein Ausgangssignal zwischen einer Ausgangsklemme 26 und Chassis-Masse 28 zur Verfügung steht.

Fig. 2 zeigt den Leistungsoszillator 1 mit zwei Transistoren 35 und 37, deren Emitter jeweils an das -V -Speisepotential ange-

schlossen sind. Der Kollektor des Transistors 35 ist mit einem Ende der Primärwicklung 5 verbunden, während der Kollektor des Transistors 37 mit dem anderen Ende der Primärwicklung 5 in Verbindung steht. Die Basen der Transistoren 35 und 37 sind mit gegenüberliegenden Enden einer zweiten Primärwicklung 39 des Transformators 7 verbunden. Ein Kondensator 41 ist zwischen eine Mittelanzapfung 43 der Primärwicklung 39 und -V geschaltet, und ein

Kondensator 45 ist zwischen die Mittelanzapfungen 47 und 43 geschaltet. Der Verstärker-Nullpunkt bzw. der Verbindungspunkt 20 liegen an der Mittelanzapfung 47.

Der Gleichrichterkreis 11 weist eine herkömmliche Vollweggleichrichterbrücke mit Dioden 55, 56, 57, 58 auf, die zwischen gegenüberliegende Enden der Sekundärwicklung 9 des Transformators 7 geschaltet sind. Ein potentialmäßig frei schwebender Referenzanschluß 60 ist an einer Mittelanzapfung 62 der Sekundärwicklung vorgesehen. Filterkondensatoren 64 und 65 sind in Reihe zwischen den Gleichspannungsausgang geschaltet, und der Verbindungspunkt zwischen diesen Kondensatoren ist mit dem Referenzanschluß 60 verbunden, so daß die potentialmäßig frei schwebenden Speisepotentiale +V_1n und -V₁., sich an den Kondensatoren 64 und 65 aufbauen können.

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Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich, kann der Verstärker 15 auf dem Niveau der mit den Eingangsklemmen 16 und 17 sowie dem Anschluß 18 zu verbindenden Signalquelle potentialmäßig frei schweben, da er gegenüber der Instrumenten- oder Chassis-Masse isoliert ist, zu der die Operationsverstärker-Ausgangsstufe 22 in Beziehung steht. Ferner ist ersichtlich, daß, wenn die Eingangsklemmen des Eingangsverstärkers 15 Gate-Elektroden eines Feldeffekttransistors sind,, von den +V_,- und -Vp-Speisepotentialen auf keinen Fall Strom durch die Signalquelle abgenommen werden kann, so daß die Gefahr eines elektrischen Schlags oder einer Beeinträchtigung infolge Stromstößen minimiert wird.

Die Bandbreite des Verstärkersystems wird in erster Linie durch die Oszillatorfrequenz und die Werte der Kondensatoren 64, 65 sowie 45, ferner die Bandbreite des Eingangsverstärkers 15 bzw. der Operationsverstärker-Ausgangsstufe 22 bestimmt.

Die Erfindung stellt damit eine Verstärkerschaltung zur Verfügung, bei der die Eingangsverstärker-Stufe gegenüber dem Hauptteil eines Verstärkers und Instrumenten-Masse mittels eines einzigen Transformators isoliert ist, der sowohl für eine Energieübertragung zur Eingangsstufe als auch für eine Verstärkersignal-Übertragung von der Eingangsstufe unter Anwendung eines modulierten Belastungs-Verfahrens schafft. Die dem Eingangsverstärker parallelgeschaltete Sekundärwicklung des Transformators weist Gleichrichter- und Filterbauteile auf, um eine potentialmäßig frei schwebende Gleichspannungsversorgung zu erhalten.

Patentansprüche;

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Claims

— 7 — Patentansprüche ;

1. Verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch einen ersten Signalverstärker, einen zweiten Signalverstärker, der ein Signal von dem ersten Signalverstärker erhält und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal abgibt, sowie durch eine isolierend zwischen den ersten und den zweiten Signalverstärker geschaltete Kopplungseinrichtung mit einem einzigen übertragungsweg zur Kopplung des Signals darüber und zur gleichzeitigen Abgabe von Betriebsleistung darüber zum Betrieb des ersten Signalverstärkers.

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen Transformator (7) mit mindestens einer Primärwicklung (5) und mindestens einer Sekundärwicklung (9) aufweist.

3. Verstärkerschaltung nach Anspruch 2, mit einer potentialmäßig frei schwebenden Leistungsquelle, gekennzeichnet durch einen der Primärwicklung parallelgeschalteten und mit Chassis-Masse in Beziehung stehenden Leistungsoszillator (1) sowie einen der Sekundärwicklung parallelgeschalteten und mit einem frei schwebenden Potential in Beziehung stehenden Vollweggleichrichter für die Abgabe der Arbeitsspannung an den ersten Signalverstärker.

4. Verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch eine Eingangs-Verstärkungsstufe, die elektrisch gegenüber einer Systemmasse-Referenz isoliert ist; eine gegenüber der Systemmasse isolierte Gleichstrom-Leistungsquelle, die mit einem frei schwebenden Referenzpotential an die Verstärkungsstufe angeschlossen ist, um diese mit Arbeitsleistung zu versorgen; eine mit Systemmasse in Beziehung stehende Ausgangsverstärkungsstufe; sowie durch eine einen einzigen übertragungsweg aufweisende, zwischen die Eingangsstufe und die Ausgangsstufe geschaltete Kopplungseinrichtung zur gleichzeitigen

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Kopplung eines Verstärkungssignals darüber in der einen Richtung und Abgabe von Energie an die Gleichstrom-Leistungsquelle darüber in der entgegengesetzten Richtung.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe eine Eingangsklemme und eine zweite Klemme aufweist, die mit dem frei schwebenden Referenzpotential verbunden ist, so daß ein Eingangssignal dazwischen angelegt werden kann.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung einen Transformator aufweist.

Verstärkerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die GleichspannungsenergxeguelIe einen der Sekundärwicklung des Transformators parallelgeschalteten Vollweggleichrichter aufweist.

8. Verstärkerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom-Energiequelle eine Lastimpedanz für die Eingangsverstärkungsstufe bildet, wobei von der Quelle aufgenommene Leistung durch ein Verstärkungssignal moduliert wird.

9. Verstärkerschaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen der Primärwicklung des Transformators zur Abgabe von Energie an die Gleichstrom-Energiequelle parallelgeschalteten Leistungsoszillator (1), wobei der Betriebsstrom des Oszillators durch das Verstärkungssignal moduliert wird, das von der Transformator-Sekundärwicklung an die Primärwicklung übertragen wird.

10. Verstärkerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsverstärkungsstufe einen Operationsverstärker aufweist, dessen Eingang so angeschlossen ist, daß er die

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Modulation des Betriebsstroms durch den Oszillator erfaßt und ein dazu proportionales Ausgangsspannungssignal abgibt.

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