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Titel der Erfindung
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Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung zweier Gleichströme
Anwenungsgebiet
der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung
zweier Gleichströme zum Einsatz in der Automatisierungstechnik, insbesondere fUr
Informationsübertragungsstrecken, z. B. um Störungen durch Potentialdi££erenzen
zwischen Geber- und Empfangs ort zu beseitigen.
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Charakteristik der bekannten technischen Lds en In der Automatisierungstechnik
werden zur Informationsübertragung eingeprägte amplitudenmodulierte Gleichströme
verwendet.
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Es ist üblich, neben der Informationsübertragung in der Zweileitertechnik
(live-zero) notwendige Versorgungenergien gleichzeitig mit zu übertragen. In Automatisierungsanlagen,
die explosionsgefährdet sind, müssen r die Schutzart "Eigensicherheit" in die Informationsübertragungsstrecke
ebenfalls galvanische Trennungen eingeschaltet werden.
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Es werden üblicherweise zwei Methoden verwendet. Bei der einen Ausführung
wird rd in der Regel der Informationsträger Strom, der durch einen Widerstand in
eine Spannung gewandelt ist, einem elektronischen Modulator zugefUhrt. In diesem
wird die Gleichspannung zerhackt und über ein Trennglied (vorzugsweise induktive
Übertrager oder bptokoppler) Ubertragen.
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Eine entsprechende Demodulations- und Verstärkerelektronik erzeugt
wieder das Stromsignal. Die Nachteile dieser Methode bestehen darin, daß die Speisespannung
zur Speisung des Geberelementes, beispielsweise des Meßumformerst Uber weitere Schaltungsanordnungen
zusätzlich galvanisch getrennt werden muß.
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Besonders nachteilig fUr die galvanische Trennung von eigensicheren
Stromkreisen, ist die Notwendigkeit einer eigensicheren Hilsenergie.
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Dic galvanische Trennschaltung, bestehend aus ( Modulator, Demodulator
und Verstarkerelektronik, erfordert unzweckmäßigerweise noch eine weitere Versorgungsenergie.
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Diese Methode ist aufwendig sowohl von der Anzahl der Bauelemente
her als auch vom Baurahmen selbst und erfordert einen
relativ großen
Platzbedarf. Ferner läßt die Genauigkeit der Informationsübertragung bei Erfüllung
der Forderungen der E oensicherheit zu wünschen übrig. Das Gleiche gilt für die
Quote der Ubertragungsfehler.
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Nach einer anderen Methode wird neben dem Stromsignal gleichzeitig
die Speiseenergie für die Geberelemente mit übertragen.
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Aus der Hilfsenergie erzeugt das Stromsignal an Dioden oder Widerständen
einen Spannungsabfall, der als Betriebsspannung für einen Generator bereitgestellt
wird.
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Der Generator arbeitet mit einem Modulator zusammen, der das Stromsignal
in eine Wechseispannung wandelt und der Primärseite eines induktiven Ubertragers
zuführt. Auf der Sekundärseite wandelt eine Gleichrichterschaltung den Wechselstrom
in das Gleichstromsignal zurück, welches das Geberelement speist.
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Der Nachteil hierbei besteht hauptsächlich in der um den Spannungsabfall
vergrößerten Speisespannung. Um die Stromverluste zu verhindern bzw. konstant und
klein zu halten, muß der Modulator vom Generator ebenfalls galvanisch durch zusätzliche
Übertrager oder Optokoppler getrennt werden.
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Zur Realisierung eines kleinen Linearitätsfehlers der Stromübertragung
wurden große Induktivitäten benbtigt. Aus technologischen und eigensicherheitstechnischen
Gründen müssen jedoch kleine Induktivitäten eingesetzt werden.
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Durch den Strom werden an den Schaltelementen des Miodulators und
am ohmschen Widerstand des induktiven Übertragers Spannungsabfälle erzeugt. Diese
Spannungsabfälle vermindern den Spannungshub an den Induktivitäten0 Durch kleine
Kernwiderstände bei Übertragern mit kleinen Induktivitäten entstehen variable Verlustströme,
die den LinearitStsfehler vergrdßern, Ein weiterer Nachteil besteht darin Zwangsumschaltung
durch die Fremderregung. Eine Nichtsynchronität von Eigenresonanz der aus Übertragerinduktivität
und Schaltkapazität gebildeten Schwingkreise und Erregerfrequenz erfordert eine
zusätzliche Umsteuerleistung, die wiederum ungünstige Auswirkungen auf den Ubertragungsfehler
hat.
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Ziel der Erfindung Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin,
die angeführten Nachteile der bekannten technischen Lösungen zu vermeiden und eine
Schaltungsanordnung zur galvanischen Trennung zweier Gleichströme zu schaffen, die
die Herstellungskosten wesentlich senkt und zugleich die Einsatzmöglichkeiten erweitert.
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Der nützliche Effekt bei Anwendung der Erfindung kommt außerdem darin
zum Ausdruck, daß die Anzahl der Bauelemente wesentlich verringert ist und das Bauvolumen
erheblich unter dem bisher üblichen liegt.
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Besonders vorteilhaft ist die Senkung des-Linearitätsfehlers der Stromübertragung,
so daß auch eine GebrauchswerterhUhung zu verzeichnen ist.
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Schließlich ermöglicht die Erfindung den Einsatz als galvanische Trennschaltung
in Netzteilen zur Speisung von Me3umformern in explosionsge£Khrdeten Räumen.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe
zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur galvanischen Erennung æweier Gleichstromkreise
zu schaffen, die Linearitätsfehler der Stromübertragung bei gleichzeitiger Minimierung
der notwendigen Induktivitätswerte senkt und keine zusätzlichen Betriebstpannungen
erfordert sowie den Einsatz in explosionsgefährdeten Räumen gestattet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schaltungsanordnung
zur galvanischen Trennung zweier Gleichströme im wesentlichen aus einem selbstschwingenden
Generator una einer Stabilisierschaltung mit Regelverstärker besteht, wobei zwei
magnetisch voneinander getrennte induktive Übertrager, deren Primärwicklungen als
Lastwiderstände an die Drainanschlüsse zweier Feldeffekttransistoren geschaltet
sind, die
induktiven Übertrager ein bestimmtes Ubersetzungsverhältnis,
vorzugsweise 1 : 1, aufweisen, und die Gateanschlüsse der Feldeffekttransistoren
mit dem Drainanschluß des jeweils anderen Feldeffekttransistors verbunden sind,
ferner dem Drainanschluß eines Pelde£fekttransistors eine entsprechend gepolte Diode
zugeordnet ist, über die die Ansteuerung einer an eine Energiequelle angeschlossen,
an sich bekannte, Stabilisierschaltung mit Regelverstärker erfolgt, und daß jeweils
ein durch den gewählten Wickelsinn gekennzeichnetes Wickelende der beiden Sekundärwicklungen
der induktiven Übertrager direkt mit einem Pol eines Ladekondensators verbunden
ist, während die anderen beiden Pole über jeweils eine entsprechend gepolte Diode
mit dem anderen Pol des Ladekondensators verbunden sind.
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Ferner gestattet die erfindungBgem§ße Ausführung den Anschluß eines
Meßumformers in Zweileitertechnik an den Ladekondensator.
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Vorteilhafterweise sind Ferritkernübertrager einsetzbar.
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Ausführungsbeisniel Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung. Die Schaltungsanordnung iet aus einem selbstschwingenden Generator
und einer Stabilisierschaltung aufgebaut. Der selbstschwingende Generator besteht
aus zwei Feldeffekttransistoren 3;4, als aktive Verstärkerstufen geschaltet, in
deren Drainanschlüssen jeweils ein induktiver Übertrager 1;2 angeschaltet ist. Die
induktiven Übertrager 1;2 sind magnetisch voneinander entkoppelt. Der Gateanschluß
des einen Feldeffekttransistors ist jeweils mit dem Drainanschluß des anderen Feldeffekttransistors
verbunden. Die Induktivitgt des Übertragers 1 bzw. 2 bildet zusammen mit Schalt-,
Wickel- und Feldeffekttransistorkapazitäten einen Schwingkreis. Bei symmetrisohem
Aufbau der Schaltung arbeiten beide Verstärkerstufen im Halbwellenbetrieb mit annGhernd
symmetrischem Tastverhältnis. Die Primarepannung wird als Betriebsspannung dem Generator
zugeführt. Die Sekundärspannung wird durch Gleichrichtung der Übertragersekundärspannung
an einem Ladekondensator 8 erzeugt.
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Während der Sperrphasen der Feldeffekttransistor.n 3;4 entstehen an
den Drainanschlüssen in eben diesen Sperrphasen Spannungsübererhöhungen. Mittels
Gleichrichtung durch eine die Diode 5 enthaltende Gleichrichterschaltung wird aus
den Spannungsüberhöhungen eine Gleichspannung gewonnen. Die Gleichspannung wird
dem Regelverstärker der Stabilisierschaltung 7 zugeführt. Der Regelverstgrker der
Stabilisierschaltung 7 hat die Aufgabe, den Spitzenwert der Spannungsübererhöhung
konstant zu halten. Die Spannungsübererhöhung ist ein Maß für den Verluststrom,
der somit konstant gehalten wird.
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Verwendete Bezugszeichen 1 induktiver Übertrager 2 induktiver Übertrager
3 Peldeffekttransistor 4 Feldeffekttransistor 5 Diode 6 Energiequelle 7 Stabilisierschaltung
mit Regelverstärker 8 Ladekondensator 9 Diode 10 Diode