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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Gleichspannungs-
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übertragung bei galvanischer Trennung der Netzwerke.
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In manchen elektronischen Schaltungen besteht die Notwendigkeit, eine
Information über den Wert einer überwachten, zwischen bestimmten Knoten eines Netzwerkes
auftretenden Gleichspannung zu einem anderen, galvanisch getrennten Netzwerk zu
übertragen. Ein solcher Fall tritt z.B. bei Spannungswandlern auf, in welchen die
überwachte Ausgangs spannung mit dem die Steuerschaltung enthaltenden, eingangsseitigen
Netzwerk keine galvanische Verbindung hat.
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Um die Stabilisierung der Ausgangs spannung in solchen Wandlern zu
erreichen, soll die Information über den Wert der Spannung in die Steuerschaltung
übertragen werden, wobei die galvanische Trennung der Schaltungen gewährleistet
wird.
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Im übrigen sind sogenannte Trennverstärker bekannt, die auf dem Prinzip
der Gleichspannungsumformung beruhen. Eine solche Schaltung ist z.B. in "Data Acquisition
Products Catalog" 1978, S.
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129 der Firma Analog Devices, dargestellt. Ein Trennverstärker schließt
einen zwei Eingänge enthaltenden Amplitudenmodulator in sich ein. Einem der Eingänge
ist die übertragbare Gleichspannung, dem anderen dagegen eine zusätzliche Wechselspannung
einer Trägerfrequenz zugeführt. Die Ausgangsspannung des Amplitudenmodulators ist
über einen Trenntransformator einem Kohärenzdemodulator zugeführt, der gleichzeitig
auch an eine- Referenzspannung derselben Trägerfrequenz angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung
des Demodulators ist nach einem Tiefpassfilter linear von der Eingangsspannung des
Trennverstärkers abhängig.
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Ein Nachteil der oben geschriebenen Schaltung besteht in dem komplizierten,
aus einigen spezialisierten Bausteinen zusammengesetzten Aufbau, der für die Speisung
der Bausteine auch mehrere separate Versorgungsspannungen braucht.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache
Schaltung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, die es ermöglicht, die
Informationen bezüglich des Gleichspannungswertes zu übertragen, indem die galvanische
Trennung zwischen der Quelle der überwachten Gleichspannung und dem die Information
entnehmenden Netzwerk beibehalten wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Transformator zwei stark miteinander gekoppelte Sekundärwicklungen, mit einem das
erforderliche Verhältnis der Ausgangsspannung zu der überwachenden Eingangsspannung
realisierenden Übersetzungsverhältnis n enthält, wobei die erste Wicklung über eine
Gleichrichterdiode an eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Siebkondensator
und einer Nutzbelastung, die die übertragene Information entnimmt, angeschlossen
ist, und wobei die zweite Wicklung über eine Begrenzungsdiode mit den Klemmen der
zu überwachenden Spannung, zwecks der Erzielung eines eindeutigen Zusammenhanges
zwischen der Ausgangsspannung und der überwachenden Spannung, verbunden ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Kreise der Sekundärwicklung mit größerer Windungszahl n Dioden in Reihenschaltung
angewendet sind, damit die Temperaturkennlinie des Spannungsübertragungsverhältnisses
der Schaltung ausgeglichen wird.
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Die elektronische Schaltung, deren Aufgabe es ist, periodisch und
impulsartig die Energie im Transformatorkern zu ergänzen, kann unmittelbar an die
Klemmen der überwachenden Spannung angeschlossen werden. In solchem Fall sind für
die Wirkung der Schaltung zur Gleichspannungsübertragung keine zusätzlichen Versorgungsspannungen
nötig. Die niedrigste überwachende Spannung, welche für die unmittelbare Einspeisung
der elektronischen Schaltung noch nutzbar wird, ist durch die Fähigkeit zur Selbsterregung
der für die Tastung des Schalttransistors des Gleichspannungswandlers unentbehrlichen
Schwingungen bestimmt. Die erfindungsgemäße Schaltung wirkt bereits bei einer Spannung,
die ungefähr 1 V ist. Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich insbesondere zur
Anwendung in stabilisierten Spannungswandlern, wo eine galvanische Trennung des
Belastungskreises und des Steuerkreises erforderlich ist, um Informationen über
die Ausgangs spannung zu dem Steuer- und Regelungskreis zurückzuführen. Die Steilheit
der Temperaturabhängigkeit des Spannungsübersetzungsverhältnisses der erfindungsgemäßen
Schaltung kann zur Ausgleichung der resultierenden Temperaturkennlinie eines die
Schaltung enthaltenden stabilisierten Netzteils ausgenutzt werden.
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Der Gegenstand der Erfindung wird anhand eines, in der beigelegten
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt den Grundschaltplan der Schaltung zur Gleichspannungsübertragung,
Fig. 2 zeigt eine der möglichen Lösungen der elektronischen Schaltung, die in Fig.
1 als ein Block dargestellt wird.
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Die Primärwicklung P des Transformators Tr ist an die elektronische
Schaltung E angeschlossen. Der Aufbau und die Wirkung
der elektronischen
Schaltung E wird anhand des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispieles im weiteren
erklärt.
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Die erste Sekundärwicklung W1 des Transformators Tr ist über die Gleichrichterdiode
D1 an die Parallelschaltung aus einem Siebkondensator Co und einem Lastwiderstand
Ro angeschlossen, auf welchen die erwartende Ausgangsspannung Uy auftreten scll.
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Die zweite Sekundärwicklung W2, die stark mit der ersten Sekundärwicklung
W1 gekoppelt ist, ist über die Begrenzungsdiode D2 mit den Klemmen der zu überwachenden
Spannung Ux verbunden, die in Fig. 1 mit dem Zeichen einer Spannungsquelle bezeichnet
ist. Die Kathode der Begrenzungsdiode D2 ist auf den Pluspol der überwachenden Spannung
gerichtet. Die Richtungen der Windungen W1, W2 und P sowie Durchlaßrichtungen der
Dioden D1 und D2 sollen so zusammengesetzt werden, daß in der Zeit, wenn die Energieübertragung
aus der elektrOnischen Schaltung E in den Transformator Tr infolge des Stromdurchflusses
über die Primärwicklung P erfolgt, beide Dioden in dem Sperrzustand bleiben, und
daß die beiden Dioden gleichzeitig in den leitenden Zustand eingeführt sind, sobald
der Strom in der Primärwicklung unterbrochen wird.
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Die elektronische Schaltung E ergänzt periodisch und impuls artig
die Energie in dem Transformatorkern. Die im Kern gespeicherte Energie ruft simultane
Strome in den Kreisen beider Sekundärwicklungen W1 und W2 hervor. Die Spannung über
die Sekundärwicklung W2 wird aufgrund der Wirkung der leitenden Begrenzungsdiode
D2 von der überwachenden Spannung Ux abhängig. Das hat zur Folge, daß auch die mittels
der Sekundärwicklung W1 und der Diode D1 über dem Lastwiderstand Ro erreichte Ausgangsspannung
Uy von der Spannung Ux eindeutig abhängig wird. Auf diese Weise
wird
die Übertragung der Information über den Wert der überwachenden Spannung Ux auf
die Klemmen Uy erzielt, wobei die galvanische Trennung der Netzwerke vorbehalten
ist.
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Bei Einsatz ein- und derselben Windungszahl in den Wicklungen W1 und
W2 bei Einsatz identischer Dioden D1 und D2 sowie bei einer solchen Auswahl des
Lastwiderstandes Ro, daß die Ströme über die Dioden D1 und D2 gleich sind, tritt
auf dem Lastwiderstand Ro eine Spannung Uy auf, die genauso groß wie die überwachende
Spannung Ux wird. Die Spannungsabfälle über die Dioden D1 und D2, obschon sie temperaturabhängig
sind, haben keten Einfluß auf den Wert der Spannung Uy, da die letzte jetzt ausschließlich
von dem Wert der Spannung Ux abhängig ist. Die Schaltung ist temperaturausgeglichen.
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Ist die Erhaltung einer Spannungsübersetzung U = n Ux oder U 1 y y
W n Ux erforderlich, so sind die Windungszahlen der Sekundärwicklung W1 = nW2, beziehungsweise
W1 = ñ W2 einzusetzen. In dem Falle, daß n eine ganze Zahl ist, kann ein vollständiger
Ausgleich des Temperatureinflusses auf die Spannungsübersetzung erreicht werden,
wenn man eine Reihenschaltung aus n Dioden in den Kreis der Wicklung mit größerer
Windungszahl einsetzt. Falls das erforderliche Übersetzungsverhältnis n keine ganze
Zahl ist, soll die Anzahl der reihengeschalteten Dioden in dem Kreise mit größerer
Windungszahl größer oder kleiner als n ausgewählt werden. Dabei ist zu überprüfen,
bei welcher Anzahl ein günstiger Temperaturausgleich erreichbar wird. Eine weitere
Verbesserung des Temperaturausgleiches ist zu erreichen, wenn man unterschiedliche
Anzahlen der Dioden sowie ein optimales, mittels Änderung des Lastwiderstandes Ro
erreichbares Stronverhältnis in den beiden Sekundärwicklungen auswählt.
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Es gibt eine große Anzahl von möglichen Ausführungen der elektronischen
Schaltung E, deren Aufgabe (gemäß der Darstellung in Fig. 1) ist, periodisch und
impulsartig den Energievorrat im Transformatorkern zu ergänzen. Ein beispielsweiser
Aufbau und die Wirkung einer elektronischen Schaltung wird anhand der in Fig. 2
gezeigten Ausführung näher erläutert.
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Die Primärwicklung P des Transformators Tr ist an die elektronische
Schaltung E zwischen den Pluspol der Versorgungsspannung und den Kollektor eines
Schalttransistors T1 angeschlossen.
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Zwischen dem Emitter des Transistors T1 und dem Minuspol der Versorgungsspannung
befindet sich ein Widerstand R1. Eine Reihenschaltung der Dioden D3 und D4 ist mit
der Kathode der Diode D4 an den Minuspol der Versorgungsspannung mit der Anode der
Diode D3 an einen Anschluß eines Widerstandes R3 angeschaltet, wobei der zweite
Anschluß des Widerstandes mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden ist.
Die Anode der Diode D3 ist außerdem sowohl mit dem Kollektor des Transistors T2
als auch mit den Widerständen R2 und R3 zusammengeschaltet. Der Emitter des Transistors
T2 ist mit der Kathode der Diode D4 verbunden.
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Der zweite Anschluß des Widerstandes R2 ist mit der Basis des Transistors
T1, der des Widerstandes R4 ist mit der Basis des Transistors T2, verbunden. Zwischen
der Basis des Transistors T2 und dem Kollektor des Transistors T1 ist eine Reihenschaltung,
bestehend aus einem Widerstand R5 und einem Kondensator C1 vorgesehen. Dem Plus-
und dem Minuspol der Versorgungsspannung ist ein Blockkondensator parallelgeschaltet.
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Befindet sich die elektronische Schaltung nach Fig. 2 anfänglich im
Gleichgewichtszustand, so ist die Kollektorspannung des Transistor T2 kleiner als
die Durchlaßspannungsschwelle der Reihenschaltung der Dioden D3 und D4. Bei dieser
Bedingung sind die Transistoren T1 und T2 in den aktiven Zustand eingeführt, was
sich, infolge der Wirkung der positiven Rückkopplung über den Zweig C1R5, derart
zeigt, daß die elektronische Schaltung als ein Multivibrator schwingen wird. Während
der Transistor T1 im leitenden Zustand bleibt, wird die Energie im Kern des Transformators
Tr aufgespeichert, und der über die Primärwicklung P und über den Widerstand R1
fließende Strom steigt an. Sobald der Strom einen vorbestimmten Wert erreicht, schaltet
sich der Transistor T1 infolge der Begrenzung des Potentials der Basis durch die
leitenden Dioden D3 und D4 aus. Das zunehmende Potential des Kollektors des Transistors
T1 ist über den Rückkopplungszweig C1R5 der Basis des Transistors T2 zugeführt,
was eine stärkere Leitung des Transistors T2, eine Senkung des Basispotentials und
einen schnellen Übergang zum gesperrten Zustand des Transistors T1 verursacht. Die
im Transformatorkern gespeicherte Energie löst die Ströme in den beiden Sekundärwicklungen
W1 und W2 aus, was dem nützlichen Arbeitszyklus der Schaltung zur Gleichspannungsübertragung
augrundeliegt. Sobald die Energieabgabe aus dem Kern vollendet wird, nimmt das Kollektorpotential
des Transistors T1 ab. Dies wird bei Einwirkung des Rückkopplungszweiges C1 R5 zur
Sperrung des Transistors T2 und zur wiederholten Einschaltung des Transistors T1
führen.
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Für die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung ohne Bedeutung ist,
in welcher Weise die Ergänzung des Energievorrates im Transformatorkern über die
elektronische Schaltung erfolgt. Die elektronische Schaltung kann deshalb aus einer
zusätzlichen
Spannungsquelle U und ebensogut unmittelbar aus der
Quelle der zu überwachenden Spannung Ux gespeist werden. Die elektronische Schaltung
E kann in der Form eines selbsterregenden, beispielsweise in Fig. 2 gezeigten, Multivibrators
ausgeführt sein.
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Den Schalttransistor, der in Reihe mit der Primärwicklung P des Transformators
Tr eingeschaltet ist, kann man auch mittels eines fremden Rechteckgenerators tasten,
dessen Frequenz und Tastgrad entsprechend ausgewählt wird.
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Die erfindungsgemäße Schaltung zur Gleichspannungsübertragung zeichnet
sich durch ihren einfachen Aufbau aus und kann leicht zur Anwendung in einem erforderlichen
Bereich der Spannungen U beziehungsweise Uy angepaßt werden.