DE2847206B2 - Circuit arrangement for galvanic separation of analog direct current signals - Google Patents

Circuit arrangement for galvanic separation of analog direct current signals

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    • H02M3/33571—Half-bridge at primary side of an isolation transformer

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von analogen Gleichstromsignalen mit einem Transformator, der über eine Primär- und eine Sekundärwicklung verfügt, einer Zerhackerschaltung und einer auf der Sekundärseite des Transformators liegenden Hilfsgleichspannung.The invention relates to a circuit arrangement for galvanic isolation of analog direct current signals with a transformer, which has a primary and a secondary winding, a chopper circuit and an auxiliary DC voltage on the secondary side of the transformer.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 23 42 294 bekanntgeworden. Bei der dort beschriebenen Anordnung sind eine aus mehreren DarÜngton-Stufen bestehende Zerhackerschaltung und die Primärwicklung eines Transformators an Eingangsklemmen angeschlossen. Ein an den Eingangsklemmen auftretendes Gleichstromsignal wird mit Hilfe der Zerhackerschaltung so umgeformt, daß sich die Stromrichtung in der Primärwicklung des Transformators halbperiodisch umkehrt Es entsteht also in der Sekundärwicklung eine Induktionsspannung, die gleichgerichtet wird und als Steuersignal für eine weitere Darlington-Stufe dient, an deren Ausgangsklemmen das galvanisch getrennte Ausgangssignal zur Verfügung stehtSuch a circuit arrangement has become known from DE-OS 23 42 294. At the one there described arrangement are a chopper circuit and consisting of several DarÜngton stages the primary winding of a transformer connected to input terminals. One on the input terminals occurring direct current signal is transformed with the help of the chopper circuit so that the The direction of current in the primary winding of the transformer is reversed half-periodically Secondary winding an induction voltage that is rectified and used as a control signal for another Darlington stage is used, at whose output terminals the galvanically isolated output signal is available stands

κι Die Stromversorgung der Darlington-Stufen und eines Rechteckgenerators zur Steuerung der Zerhackerschaltung erfolgt aus zwei Hilfsspannungsquel-Ien, von denen eine auf der Primärseite und eine auf der Sekundärseite der Schaltungsanordnung angeordnet istκι The power supply of the Darlington stages and a square wave generator to control the chopper circuit consists of two auxiliary voltage sources, one on the primary side and one on the Secondary side of the circuit arrangement is arranged

it Aus diesem Grund ist es nicht möglich, mehrere eingangsseitig auf verschiedenen Potentialen liegende Trennwandler aus einer gemeinsamen Hilfsspannungsqueile zu versorgen.it For this reason it is not possible to have more than one Isolating converters with different potentials on the input side from a common auxiliary voltage source to supply.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eineThe object of the present invention is therefore to provide a

2» einfache Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die nur eine Hilfsspannungsqueile auf der Sekundärseite erfordert, so daß unabhängig von den eingangsseitigen Potentialen mehrere Schaltungsanordnungen durch eine einzige Hilfsspannungsqueile be-2 »simple circuit arrangement of the aforementioned Kind of creating that only has an auxiliary voltage source the secondary side requires, so that several circuit arrangements regardless of the potentials on the input side by a single auxiliary voltage source

n treibbar sind. n are drivable.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zerhackerschaltung, eine sekundäre Transistor-Stufe zur Erzeugung eines eingeprägten Ausgangsstromes und einen ersten Ausgangswiderstand mit derAccording to the invention, this object is achieved in that the chopper circuit is a secondary transistor stage for generating an impressed output current and a first output resistance with the

in Hilfsgleichspannung verbunden ist, daß die Hilfsgleichspannung eine Steuerspannung für den Zerhacker und die sekundäre Transistor-Stufe liefert, daß an der Primärwicklung eine mit Eingangsklemmen verbundene Gleichrichterschaltung angeschlossen ist und daßconnected in auxiliary DC voltage that the auxiliary DC voltage a control voltage for the chopper and the secondary transistor stage supplies that at the Primary winding a rectifier circuit connected to input terminals is connected and that

π zwischen den Eingangsklemmen und der Gleichrichterschaltung zur Impedanzwandlung eine primäre Transistor-Stufe angeordnet ist.π a primary transistor stage between the input terminals and the rectifier circuit for impedance conversion is arranged.

Anstelle der primären Transistor-Stufe kann alternativ ein Verstärker eingesetzt sein, der die VerarbeitungInstead of the primary transistor stage, an amplifier can alternatively be used for the processing

ίο besonders kleiner Eingangsströme oder Eingangsspannungen erleichtert.ίο particularly small input currents or input voltages relieved.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand von in F i g. 1 bis F i g. 3 der Zeichnung dargestellten Schaltbildern näher erläutert.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG. 1 to F i g. 3 of the drawing illustrated circuit diagrams explained in more detail.

ii In F i g. 1 sind mit K\, K2 Eingangsklemmen, mit Ki, K4, K5, K6 Ausgangsklemmen und mit Di, D2 Transistor-Stufen bezeichnet. Die Schaltungsanordnung enthält ferner einen Transformator T mit einer Primärwicklung fund einer Sekundärwicklung 5, eine Gleichrichterschaltung C, eine Zerhackerschaltung Z, einen Spannungsregler SR, einen Umschalter S und Ausgangswiderstände Rai und RAu- Das Schaltbild zeigt ferner drei Spannungen Uh, Uc, Up, einen Eingangsstrom /ι und einen Ausgangsstrom I2. ii In F i g. 1 are K \, K 2 input terminals, Ki, K 4 , K 5 , K 6 output terminals and Di, D 2 transistor stages. The circuit arrangement also contains a transformer T with a primary winding and a secondary winding 5, a rectifier circuit C, a chopper circuit Z, a voltage regulator SR, a changeover switch S and output resistors Rai and R A u- The circuit diagram also shows three voltages Uh, Uc, Up, an input current / ι and an output current I 2 .

Die genannten Teile sind in folgender Weise zusammengeschaltet: Die Eingangsklemmen K\, K2 sind über die Transistor-Stufe Di mit der Gleichrichterschaltung G verbunden, die ihrerseits an der Primärwicklung Pdes Transformators Fliegt. Die Sekundärwicklung S liegt in Reihe mit der Zerhackerschaltung Z, der Transistor-Stufe D2 und dem an den Ausgangsklemmen Ki, K* angeschlossenen Ausgangswiderstand Rai an der Hilfsgleichspannung Uh- Aus der Hilfsgleichspannung Uu wird die Steuerspannung für den Zerhacker Z und die stabilisierte Konstantspannung Uc gewonnen, die zur Steuerung der Transistor-Stufe D2 dient. Der Umschalter 5befindet sich in der Stellung (a).
Ein Eingangsstrom l\ stellt eine Belastung derThe parts mentioned are interconnected in the following way: The input terminals K \, K 2 are connected via the transistor stage Di to the rectifier circuit G, which in turn is connected to the primary winding P of the transformer. The secondary winding S is in series with the chopper circuit Z, the transistor stage D 2 and the output resistor Rai connected to the output terminals Ki, K * at the auxiliary DC voltage Uh- The auxiliary DC voltage Uu becomes the control voltage for the chopper Z and the stabilized constant voltage Uc obtained, which is used to control the transistor stage D 2 . The changeover switch 5 is in position (a).
An input current l \ represents a load on the

Spannung L//»dar, die von der Gleichrichterschaltung C bereitgestellt wird. Sobald die Spannung Up belastet wird, fließt über die Ausgangsklemmen Ki, Ka ein Ausgangsstrom h. der mit Hilfe der Zerhackerschaltung Z in einen Wechselstrom umgeformt und atr Sekundärwicklung Sdes Transformators 7"zugeführt wird. In der Primärwicklung P des Transformator.; Γ entsteht daher eine Spannung, durch durch die Gleichrichterschaltung G in die Gleichspannung Up umgeformt wird. Der Eingangsstrom /i bildet also eine Belastung für die Spannung Up, die jedoch durch einen Ausgangsstrom h auf der Sekundärseite der Schaltungsanordnung erzeugt wird. Der Ausgangsstrom h ist daher ein Maß für den Eingangsstrom /|. Der Eingangsstrom I\ und der Ausgangsstrom h der beschriebenen Schaltungsanordnung sind näherungsweise gleich groß, wenn der Transformator Γ ein Obersetzungsverhältnis von etwa »1« hat und innerhalb der Schaltung geringe Verluste auftreten. An den Ausgangsklemmen K$, Kt fällt am Ausgangswiderstand Rau gleichzeitig eine dem Eingangsstrom I1 proportionale Spannung ab.Voltage L // », which is provided by the rectifier circuit C. As soon as the voltage Up is loaded, an output current h flows through the output terminals Ki, Ka. which is converted into an alternating current with the help of the chopper circuit Z and fed to the secondary winding S of the transformer 7 ". In the primary winding P of the transformer .; Γ a voltage is therefore produced which is converted into the direct voltage Up by the rectifier circuit G. The input current / i thus creates a load for the voltage Up, which, however, is generated by an output current h on the secondary side of the circuit arrangement. The output current h is therefore a measure of the input current / |. The input current I \ and the output current h of the circuit arrangement described are approximately the same large if the transformer Γ has a step-up ratio of approximately »1« and there are low losses within the circuit. At the output terminals K $, Kt , a voltage proportional to the input current I 1 drops across the output resistor Rau.

Die Transistor-Stufe D1 auf der Primärseite der Schaltungsanordnung bedingt einen sehr kleinen Eingangswiderstand. Der mit der Gleichrichterschaltung C verbundene Ausgang der Transistor-Stufe D\ ist hingegen hochohmig. Der Ausgangsstrom h auf der Sekundärseite der Schaltungsanordnung wird durch die Transistor-Stufe D2 in einen eingeprägten Strom umgeformt. Vorzugsweise sind als Transistor-Stufen Di, D2 Darlington-Stufen eingesetzt.The transistor stage D 1 on the primary side of the circuit arrangement requires a very small input resistance. The output of the transistor stage D \ connected to the rectifier circuit C , however, has a high resistance. The output current h on the secondary side of the circuit arrangement is converted into an impressed current by the transistor stage D 2. Preferably, 2 Darlington stages are used as transistor stages Di, D.

Zur Steigerung der Meßgenauigkeit bei nicht zu vernachlässigenden Querverlusten des Transformators T ist eine Verbindung gemäß Stellung (b) desTo increase the measurement accuracy with non-negligible transverse losses of the transformer T , a connection according to position (b) of the

Umschalters S herzustellen. Der Spannungsregler SÄ gibt nun mit steigender Aussteuerung des Tansformators T eine höhere Spannung ab, die eine höhere Aussteuerung der Transistor-Stufe Di zur Fo'ge hat Durch diese Maßnahme wird die Klemmenspannung des Transformators T in Abhängigkeit der Aussteuerung verändert, so daß der durch Änderung des Magnetisierungsstromes hervorgerufene Linearitätsfehler kompensiert wird. Die Spannung an den Ausgangsklemmen K% Kb wird direkt zur digitalen oder analogen Weiterverarbeitung benutztSwitch S to produce. The voltage regulator SÄ are now with increasing modulation of the Tansformators T a higher voltage from which a higher modulation of the transistor stage Di to Fo'ge has Due to this measure the terminal voltage of the transformer T is changed depending on modulation, so that by changing linearity errors caused by the magnetizing current are compensated. The voltage at the output terminals K% K b is used directly for further digital or analog processing

In Fig.2 ist die Transistor-Stufe Di durch einen Verstärker Vim Primärstromkreis ersetzt Das in F i g. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel weist hingegen einen Zweileiter-Meßumforner MUund einen Begrenzer BE für Strom und Spannung auf. Die Schaltungsanordnung ist sehr gut zur Speisung von Meßumformern MU in explosionsgefährdeten Räumen geeignet, weil nur eine Trennstelle zwischen Versorgungsspannung und eigensicherem Stromkreis ausgeführt ist Die Begrenzung der Zündenergie kann in herkömmlicher Form durch einfache spannungs- und strombegrenzende Bauelemente erfolgen. Djrch die Integration eines Verstärkers Voder eines Zweileiter-Meßumformers MU kann die Schaltungsanordnung alle in der Meß- und Regeltechnik vorkommenden Signale verarbeiten.In FIG. 2 the transistor stage Di is replaced by an amplifier V in the primary circuit that in FIG. 3, however, has a two-wire measuring transducer MU and a limiter BE for current and voltage. The circuit arrangement is very suitable for supplying transducers MU in potentially explosive areas, because there is only one separation point between the supply voltage and the intrinsically safe circuit. With the integration of an amplifier V or a two-wire measuring transducer MU , the circuit arrangement can process all signals occurring in measurement and control technology.

Der entscheidende Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung ist aiso darin zu sehen, daß nur eine Hilfsgleichspannung Uh erforderlich ist, die zudem noch auf der Sekundärseite angeordnet ist. Auf diese Weise sind mehrere Trennwandierschaltungen, die primärseitig auf beliebigen Potentialen liegen können, mit einer gemeinsamen Hilfsgleichspannung Unbetreibbar.The decisive advantage of the circuit arrangement described is to be seen in the fact that only one auxiliary DC voltage Uh is required, which is also arranged on the secondary side. In this way, several isolating converter circuits, which can be at any potential on the primary side, can be operated with a common auxiliary DC voltage Un .

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von analogen Gleichstromsignalen mit einem Transformator, der über eine Primär- und eine Sekundärwicklung verfügt, einer Zerhackerschaitung und einer auf der Sekundärseite des Transformators liegenden Hilfsgleichspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (S) des Transformators (T) über die Zerhackerschaltung (Z), eine sekundäre Transistor-Stufe (D2) zur Erzeugung eines eingeprägten Ausgangsstromes (I2) und einen ersten Ausgangswiderstand (RaI) rnit der Hilfsgleichspannung (Uh) verbunden ist, daß die Hilfsgleichspannung (Uh) eine Steuerspannung für den Zerhacker (Z)und die sekundäre Transistor-Stufe (D2) liefert, daß an der Primärwicklung (P) eine mit EingasgskJemmen (Κι, K2) verbundene Gleichrichterschaltung (G) angeschlossen ist und daß zwischen den Eingangsklemmen (Ku K2) und der Gieichrichtersehaltung (G) zur Impedanzwandlung eine primäre Transistor-Stufe (D1) angeordnet ist.1. Circuit arrangement for galvanic isolation of analog direct current signals with a transformer which has a primary and a secondary winding, a chopper and an auxiliary DC voltage on the secondary side of the transformer, characterized in that the secondary winding (S) of the transformer (T) has the chopper circuit (Z), a secondary transistor stage (D 2 ) for generating an impressed output current (I 2 ) and a first output resistor (RaI) is connected to the auxiliary direct voltage (Uh) so that the auxiliary direct voltage (Uh) is a control voltage for the Chopper (Z) and the secondary transistor stage (D 2 ) provides that a rectifier circuit (G) connected to EinasgskJemmen (Κι, K 2 ) is connected to the primary winding (P) and that between the input terminals (K u K 2 ) and a primary transistor stage (D 1 ) is arranged in the rectifier circuit (G) for impedance conversion. 2. Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung von analogen Gleichstromsignalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eingangsklemmen (K1, K2) und der Gleichrichterschaltung (G) zur Impedanzwandlung anstelle der primären Transistor-Stufe (D1) ein Verstärker f V^ angeordnet ist.2. Circuit arrangement for galvanic isolation of analog direct current signals according to claim 1, characterized in that between the input terminals (K 1 , K 2 ) and the rectifier circuit (G) for impedance conversion instead of the primary transistor stage (D 1 ) an amplifier f V ^ is arranged. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Transistor-Stufen (Du D2) Darlington-Stufen eingesetzt sind.3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that Darlington stages are used as transistor stages (D u D 2 ). 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anordnungen an der Hilfsgleichspannung (Uh) angeschlossen sind.4. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that several arrangements are connected to the auxiliary DC voltage (Uh) . 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingangsklemmen (K\, K2) ein Zweileiter-Meßumformer (MU) angeschlossen ist, dem ein Begrenzer (BE)zw Verringerung der Zündenergie vorgeschaltet ist.5. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a two-wire measuring transducer (MU) is connected to the input terminals (K \, K 2 ) , which is preceded by a limiter (BE) for reducing the ignition energy. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sekundärwicklung (S) und einem Bezugspotential ein zweiter Ausgangswiderstand (Rau) angeordnet ist, an dem eine einem Eingangsstrom (I\) proportionale Spannung abgreifbar ist.6. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a second output resistor (Rau) is arranged between the secondary winding (S) and a reference potential, at which a voltage proportional to an input current (I \) can be tapped. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die am zweiten Ausgangswiderstand (Rau) abfallende Spannung einem Spannungsregler (SR) zugeführt ist, der seinerseits die sekundäre Transistor-Stufe (D2) des Sekundärkreises steuert.7. Circuit arrangement according to claim 6, characterized in that the voltage dropping across the second output resistor (Rau) is fed to a voltage regulator (SR) which in turn controls the secondary transistor stage (D 2 ) of the secondary circuit.
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