DE3228001C2 - Circuit arrangement for potential-free transmission of analog signals in converters - Google Patents

Circuit arrangement for potential-free transmission of analog signals in converters

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Abstract

Zur potentialfreien Übertragung zumindest zweier analoger Signale vom Leistungsteil eines Umrichters auf den Steuerungsteil bei möglichst geringem Stromverbrauch ist eine Schaltungsanordnung mit Opto-Kopplern (4) vorgesehen. Die Leuchtdioden (8, 9) der Opto-Koppler (4) sind dabei in Reihe geschaltet und je zu übertragendem Signal (U ↓1, U ↓2) durch einen von einem Komparator (2, 3) gesteuerten Schalter (11, 12) überbrückbar. Den Komparatoren (2, 3) wird jeweils ein zu übertragendes Signal (U ↓1, U ↓2) und als Vergleichsspannung eine von einem gemeinsamen Sägezahngenerator (1) erzeugte lineare Sägezahnspannung zugeführt, wobei eines der zu übertragenden Signale gleichzeitig der Energieversorgung der Leuchtdioden, der Komparatoren und des Sägezahngenerators dient. Im Takte der durch die Komparatoren (2, 3) geschlossenen Schalter (11, 12) geben die Leucht dioden (8, 9) pulsbreitenmodulierte Signale ab. Die Fotoelemente (13, 14) der Opto-Koppler steuern aufgrund dieser Signale als Analogschalter verwendete, an eine gemeinsame Referenzspannungsquelle (16) gelegte CMOS-Gatter (5, 15) mit nachgeschalteten Tiefpaßfiltern (6, 7), an deren Ausgängen die übertragenden Signale (U ↓1Δ, U ↓2Δ) zur Verfügung stehen.A circuit arrangement with opto-couplers (4) is provided for the potential-free transmission of at least two analog signals from the power section of a converter to the control section with the lowest possible power consumption. The light-emitting diodes (8, 9) of the opto-couplers (4) are connected in series and depending on the signal to be transmitted (U ↓ 1, U ↓ 2) by a switch (11, 12) controlled by a comparator (2, 3) bridgeable. The comparators (2, 3) are each supplied with a signal to be transmitted (U ↓ 1, U ↓ 2) and, as a comparison voltage, a linear sawtooth voltage generated by a common sawtooth generator (1), with one of the signals to be transmitted simultaneously supplying energy to the light emitting diodes, the comparators and the sawtooth generator are used. At the rate of the switches (11, 12) closed by the comparators (2, 3), the light-emitting diodes (8, 9) emit pulse-width-modulated signals. Based on these signals, the photo elements (13, 14) of the opto-couplers control CMOS gates (5, 15) with downstream low-pass filters (6, 7) that are used as analog switches and are connected to a common reference voltage source (16) (U ↓ 1Δ, U ↓ 2Δ) are available.

Description

Um die Restweliigkeit bei möglichst kleiner Übertragungsverzögerung gering zu l/alten, sind Tiefpaßfilter 6, 7 vorgesehen, die den Gattern 5,15 nachgeschaltet sind. Als Tiefpaßfilter können z. B. Butterworth-Filter zweiter oder höherer Ordnung verwendet werden.About the residual ripple with the smallest possible transmission delay low to 1 / old, low-pass filters 6, 7 are provided, which are connected downstream of the gates 5, 15. As a low-pass filter, for. B. Butterworth filters of second or higher order can be used.

Durch Mittelwertbildung der durch das Schalten der Gatter 5, 15 hervorgerufenen pulsbreitenmodulierten Rechtecksignale liegen an den Ausgängen der Tiefpaßfilter 6,7 auf OV bezogene Gleichspannungssignale V1, If-,, die in gewünschter Weise den hohen Gleichspannungssignalen Uu U2 proportional sind.By averaging the pulse-width-modulated square-wave signals caused by switching gates 5, 15, DC voltage signals V 1 , If- related to OV are present at the outputs of low-pass filters 6, 7, which are proportional to the high DC voltage signals U and U 2 in the desired manner.

In Fig. 2 ist der in Fig. 1 mit 1 bezeichnete Sägezahngenerator im einzelnen abgebildet. Der Sägezahngenerator weist einen Komparator NlA auf, der aus einer mit + angedeuteten Gleichspannungsquelle gespeist wird. Diese Gleichspannungsquelle ist die in Fig. 1 mit 10 bezeichnete Versorgung, die aus dem hohen Gleichspannungs-Analogsignal U1 über den Widerstand R und die Reihenschaltung der Leuchtdioden 8, 9 gespeist wird.The sawtooth generator designated by 1 in FIG. 1 is shown in detail in FIG. The sawtooth generator has a comparator N1A, which is fed from a DC voltage source indicated by +. This DC voltage source is the supply designated 10 in FIG. 1 , which is fed from the high DC voltage analog signal U 1 via the resistor R and the series connection of the light-emitting diodes 8, 9.

An den invertierenden Eingang des Komparators /VL4 ist ein Kondensator Ci gegen O-Potentia! angeschlossen, der über eine Diode V7 aus einuf Stromquelle, die aus einem Transistor H9, Dioden V4, V5 und Widerständen RT, RS gebildet ist, aufgeladen werden kann.At the inverting input of the comparator / VL4 is a capacitor Ci against O-Potentia! connected, which can be charged via a diode V7 from a current source, which is formed from a transistor H9, diodes V4, V5 and resistors RT, RS .

Der Kondensator Ci ist über eine Diode V9 über eine Stromsenke, die aus einem Transistor K20, Dioden KIl, VM und einem Widerstand RVb gebildet ist und an den Ausgang des Komparators NlA angeschlossen ist, entladbar.The capacitor Ci can be discharged via a diode V9 via a current sink which is formed from a transistor K20, diodes KIl, VM and a resistor RVb and is connected to the output of the comparator NlA .

Der nicht invertierende Eingang des Komparators NlA ist über eine Diode VS sowie Zener-Dioden V13, V15 mit dem O-Potential verbunden. Der nicht invertierende Eingang des Komparators NlA liegt ferner über einen ohmschen Widerstand RIl an dem potentialmäßig auch die Komparatoren 2, 3 festlegenden Verbindungspunkt zwischen den Zener-Dioden K13 und V15. Der Zener-Diode V15 ist ein Kondensator Cl parallelgeschaltet. The non-inverting input of the comparator NlA is connected to the 0 potential via a diode VS and Zener diodes V13, V15. The non-inverting input of the comparator NlA is also connected via an ohmic resistor RIl to the connection point between the Zener diodes K13 and V15, which also defines the comparators 2, 3 in terms of potential. The Zener diode V15 is a capacitor C1 connected in parallel.

Die Basis des Transistors K20 der Stromsenke liegt über einen Widerstand R9 am Potentialabschluß +, den Anodenanschluß einer Diode V6 an dem Veibindungspunkt zwischen dem Transistor H9 der Stromquelle und der Diode Vl sowie den Kathodenanschluß einer Diode KlO am nichtinvertierenden Eingang des Komparators NlA. The base of the transistor K20 of the current sink is connected to the potential terminal + via a resistor R9 , the anode connection of a diode V6 to the connection point between the transistor H9 of the current source and the diode Vl and the cathode connection of a diode KlO to the non-inverting input of the comparator NlA.

Der Sägezahngenerator arbeitet wie folgt: Nach dem Aufbau der Versorgungsspannung sei der Kondensator C3 zunächst völlig entladen, d. h. der invertierende Eingang des Komparators NlA liegt auf 0-Potential. Der nicht invertierende Eingang des Komparators NlA hat dagegen ein Potential, das der Z-Spannung der Zener-Dioden K13 und K15 sowie der Schwellenspannung der Diode VS entspricht. Der Ausgang des Kornparators NlA ist daher inaktiv.The sawtooth generator works as follows: After the supply voltage has been built up, let the capacitor C3 initially be completely discharged, ie the inverting input of the comparator NlA is at 0 potential. The non-inverting input of the comparator NlA , on the other hand, has a potential which corresponds to the Z-voltage of the Zener diodes K13 and K15 and the threshold voltage of the diode VS. The output of the comparator NlA is therefore inactive.

Der Kondensator Ci wird über die Diode K7 aus der Stromquelle mit dem Transistor V19 aufgeladen, bis der invertierende Eingang des Komparators .VlA positiver wird als der nicht invertierende; dadurch geht der Aus- «o gang des Komparators aktiv auf O-Potential, Über die 'Diode V6 sowie die Dioden KIl und K12 wird dann der aus dem Transistor K19 getriebene Strom nach O-Potential abgeleitet. Gleichzeitig wird der Kondensator Ci über die Diode K9 und die Stromsenke mit dem Transistör K20 linear entladen. Der nicht invertierende Eingang des Komparators Λ/.1Λ liegt während dieser Zeit mittels des Widerstands RIl auf der Z-Spannung der Zener-Diode K15. Unterschreitet die Spannung an dem Kondensator Ci diese Spannung, so wird der Ausgang des Komparators NlA inaktiv und die Aufladung des Kondensators Ci erfolgt aufs Neue.The capacitor Ci is charged via the diode K7 from the current source with the transistor V19 until the inverting input of the comparator .VlA is more positive than the non-inverting; As a result, the output of the comparator goes actively to 0 potential. The current driven from transistor K19 is then diverted to 0 potential via diode V6 and diodes K11 and K12. At the same time, the capacitor Ci is linearly discharged via the diode K9 and the current sink with the transistor K20. The non-inverting input of the comparator Λ / .1Λ is during this time by means of the resistor RIl on the Z-voltage of the Zener diode K15. If the voltage at the capacitor Ci falls below this voltage, the output of the comparator NlA becomes inactive and the capacitor Ci is charged again.

Am Kondensator Ci steht also eine Sägezahnspannung zur Verfugung, deren Amplitude durch die Z-Spannung der Zener-Diode K13 und die Schwellenspannung der Diode VS sowie durch die Verzögerungszeit des Komparators NlA bestimmt wird. Diese Sägezahnspannung wird über die Leitung 16 den Komparatoren 2 und 3 zugeführt.A sawtooth voltage is therefore available at the capacitor Ci , the amplitude of which is determined by the Z voltage of the Zener diode K13 and the threshold voltage of the diode VS as well as by the delay time of the comparator NlA . This sawtooth voltage is fed to the comparators 2 and 3 via the line 16.

Um eine durch die Ansprechverzögerungszeit des Komparators NlA bedingte Unterentladung des Kondensators Ci und einen daraus resultierenden Offsetfehler klein zu halten, wird die Entladezeit möglichst groß gegenüber der Aufladezeit gewährt.In order to keep an underdischarge of the capacitor Ci caused by the response delay time of the comparator NlA and a resulting offset error small, the discharge time is granted as long as possible compared to the charge time.

Hierzu I Blatt ZeichnungenFor this purpose I sheet drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Schaltungsanordnung zur potentialfreien Übertragung zumindest zweier analoger Signale vom Leistungsteil eines Umrichters unter Verwendung von aus Leuchtdioden und Fotoelementen aufgebauten Opto-Kopplern, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:1. Circuit arrangement for potential-free transmission of at least two analog signals from the power section a converter using light emitting diodes and photo elements Opto-couplers, characterized by the following features: a) Die Leuchtdioden (8, 9) der Opto-Koppler (4) sind in Reihe geschaltet und je zu übertragendem Signal (CZ1, IZ2) durch einen von einem Komparator (2, 3) gesteuerten Schalter (11, 12) überbrückbar. a) The light-emitting diodes (8, 9) of the opto-couplers (4) are connected in series and can be bridged by a switch (11, 12) controlled by a comparator (2, 3) for each signal to be transmitted (CZ 1 , IZ 2) . b) Den Komparatoren (2, 3) sind jeweils ein zu übertragendes Signal (£/,, U1) und als Vergleichsspannung eine von einem gemeinsamen Sägezahngenerator (1) erzeugte lineare Sägezahnspannung zugeführt.b) The comparators (2, 3) are each supplied with a signal (£ / ,, U 1 ) to be transmitted and, as a comparison voltage, a linear sawtooth voltage generated by a common sawtooth generator (1). c) Eines dtr zu übertragenden Signale (U1) dient gleichzeitig der Energieversorgung (10) der Leuchtdioden (8, 9), der Komparatoren (2, 3) und des Sägezahngenerators (1).c) One of the signals (U 1 ) to be transmitted is used at the same time to supply energy (10) to the light-emitting diodes (8, 9), the comparators (2, 3) and the sawtooth generator (1). d) Die Fotoelemente (13,14) der Opto-Koppler (4) steuern als Analogschalter verwendete, an eine gemeinsame Referenzspanwingsquelle (16) gelegte CMOS-Gatter (5, 15) mit nachgeschalteten Tiefpaßfiltern (6, 7) an deren Ausgängen die übertragenen Signale (LT1, LT2) anstehen.d) The photo elements (13, 14) of the opto-coupler (4) control the CMOS gates (5, 15) used as analog switches and connected to a common reference voltage source (16) with downstream low-pass filters (6, 7) at their outputs Signals (LT 1 , LT 2 ) are pending. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne.·, daß <..'.& Sägezahngenerator (1) ein Komparator (ΛΊΛ) vorgesehen ist, an dessen invertierenden Eingang ein von mer aus einem der zu übertragenden Signale (U1) versorgten Stromquelle (V19, R7, V4, V5, Vl, KS) aufiadbarer und bei Erreichen der Schwellenspannung des Komparators (NlA) über eine Stromsenke (V9, VTO, /?10, Hl, VtZ) entladbarer Kondensator (Ci) angeschlossen ist und dessen nicht invertierender Eingang mit die Schwellenspannung hervorrufenden Dioden (V%, H3, VlS) verbunden ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that. · That < .. '. & Sawtooth generator (1) a comparator (ΛΊΛ) is provided, at whose inverting input a current source supplied by mer from one of the signals to be transmitted (U 1 ) (V19, R7, V4, V5, Vl, KS) rechargeable and when the threshold voltage of the comparator (NlA) is reached via a current sink (V9, VTO, /? 10, Hl, VtZ) discharge capacitor (Ci) is connected and its not inverting input with the threshold voltage causing diodes (V%, H3, VlS) is connected. Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Schaltungsanordnung ist durch die DE-OS 14 627 bekannt, mit der jedoch lediglich eine einzige Spannung, nämlich die verhältnismäßig niedrige Gate-Kathoden-Spannung eines Thyristors erfaßt wird.The invention relates to a circuit arrangement according to the preamble of claim 1. A Such a circuit arrangement is known from DE-OS 14 627, but with only a single one Voltage, namely the relatively low gate-cathode voltage a thyristor is detected. Bei Umrichtern, insbesondere bei solchen mit Gleichspannungszwischenkreis, müssen im Leistungsteil hohe Gleichspannungen erfaßt und möglichst potentialfrei auf die Umrichtersteuerung übertragen werden. Dabei kann es nötig sein, mehrere Spannungen zu erfassen und potentialfrei abzubilden. Das ist insbesondere der Fall, wenn bei einem Umrichter die konstante Ausgangsspannung eines Netzstromrichters mittels eines Choppers in eine variable Zwischenkreisspannung umgewandelt wird (DE-OS 26 32 380). Der Einsatz von Differenzverstärkern für die Erfassung der Zwischenkreisspannungen hat sich in der Praxis als störungsanfällig erwiesen und bedingt zudem einen hohen Stromverbrauch, wozu in der Regel eine separate Versorgungsquelle benötigt wird. For converters, especially those with a DC link, high DC voltages must be recorded in the power section and as potential-free as possible can be transferred to the converter control. It may be necessary to record several voltages and map them potential-free. This is particularly the case when the constant output voltage is used in a converter of a line converter into a variable intermediate circuit voltage by means of a chopper is converted (DE-OS 26 32 380). The use of differential amplifiers for the acquisition of the intermediate circuit voltages has proven to be prone to failure in practice and also requires high power consumption, for which a separate supply source is usually required. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eineThe invention is based on the object of a Schaltungsanordnung zur störsicheren und potentialfxeien Erfassung und Übertragung von mehreren hohen Gleichspannungen in Umrichtern anzugeben, die bei Verwendung preisgünstiger Standardbauelemente keine zusätzliche Stromversorgung auf der Leistungsteilseite benötigt und durch geringen Stromverbrauch, hohe Linearität, geringe Drift, hohe Langzeitkonstanz und einfachen Abgleich gekennzeichnet ist.Circuit arrangement for interference-free and potentialfxeien Specify the detection and transmission of several high DC voltages in converters that are used in Use of inexpensive standard components, no additional power supply on the power unit side required and due to low power consumption, high linearity, low drift, high long-term constancy and simple adjustment. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung d"rch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the in claim 1 characterized features solved. Die Schaltungsanordnung arbeitet mithin nach dem an sich bekannten Verfahren der Pulsbreitenmodulation, wobei durch die Hintereinanderschaltung der Leuchtdioden der Stromverbrauch auf der Sendeseite der Opto-Koppler gering gehalten ist, während die Mittelwertbildung auf der Empfängerseite mit einfachsten Mitteln erfolgt.The circuit arrangement therefore works according to the known method of pulse width modulation, with the series connection of the light-emitting diodes, the power consumption on the transmission side the opto-coupler is kept low, while the averaging on the receiver side with the simplest Funds takes place. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Dabei ist der Aufbau des Sägezahngenerators, dessen Energieversorgung ebenfalls durch eines der zu übertragenden Signale erfolgt, speziell auf den notwendigen Einsatz bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung abgestimmt.Advantageous refinements of the circuit arrangement according to the invention are set out in the subclaims marked. The structure of the sawtooth generator, its energy supply is also through one of the signals to be transmitted takes place specifically for the necessary use in the circuit arrangement matched according to the invention. Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeig*.The invention is explained below with reference to the exemplary embodiments shown in the drawing will. It shows *. Fig. 1 ein Prinzipschaltbild für die potentialfrcie Übertragung zweier Signale undFig. 1 is a schematic diagram for the potential-free transmission of two signals and Fig. 2 in Einzelheiten die Schaltung für den Sägezahngenerator. Fig. 2 shows in detail the circuit for the sawtooth generator. Entsprechend Fig. 1 werden zwei analoge Signale Ux, U1, die zwei hohe Zwischenkreis-GIeichspannungcn eines Umrichters darstellen, zwei Komparatoren 2, 3 zugeführt. Vorteilhafterweise werden diese Signale den Eingängen der Komparatoren 2, 3 über nicht dargestellte Spannungsteiler zugeführt.According to FIG. 1, two analog signals U x , U 1 , which represent two high DC link voltage of a converter, are fed to two comparators 2, 3. These signals are advantageously fed to the inputs of the comparators 2, 3 via voltage dividers (not shown). Als Vergleichsspannung für die Komparatoren 2, 3 steht eine Sägezahnspannung zur Verfügung, die von einem gemeinsamen Sägezahngeneratoi 1 an die anderen Eingänge der Komparatoren 2, 3· geliefert wird. Bei Erreichen der Schwellenspannung der Komparatoren werden von diesen Schalter 11,12 betätigt. Die Schulter 11, 12 können z. B. Schalttransistoren sein, die Leuchtdioden 8, 9 überbrücken. Die Leuchtdioden 8, 9 sind in Reihe geschaltet und werden über einen Widerstand R aus dem analogen Spannungssignal U1 gespeist. Das Signal U1 dient auch der Energieversorgung der Komparatoren 2, 3 und ues Sägezahngenerators 1 über eine Versorgungsschaltung 10.A sawtooth voltage is available as a comparison voltage for the comparators 2, 3 and is supplied by a common sawtooth generator 1 to the other inputs of the comparators 2, 3. When the threshold voltage of the comparators is reached, these switches 11, 12 are actuated. The shoulder 11, 12 can, for. B. be switching transistors, the light-emitting diodes 8, 9 bypass. The light-emitting diodes 8, 9 are connected in series and are fed from the analog voltage signal U 1 via a resistor R. The signal U 1 also serves to supply the comparators 2, 3 and ues sawtooth generator 1 with energy via a supply circuit 10. Im Takte des Schließens der Schalter 11, 12, senden die Leuchtdioden 8, 9 pulsbreitenmodulierte Signale aus. Die Leuchtdioden 8, 9 sind Teile eines Opto-Kopplers 4, der als Empfänger Fotoelemente 13, 14, z. B. Fototransistoren aufweist. Über den Opto-Koppler 4 erfolgt die Potentialtrennung von der hohen Spannung der Signale U}, U? zu der Niederspannungsseite, /.. B. dem Steuerungsteil des Umrichters.In the cycle of the closing of the switches 11, 12, the light-emitting diodes 8, 9 send out pulse-width-modulated signals. The light emitting diodes 8, 9 are parts of an opto-coupler 4, the photo elements 13, 14, z. B. has phototransistors. The opto-coupler 4 is used to isolate the potential from the high voltage of the signals U } , U? to the low voltage side, / .. B. the control part of the converter. Entsprechend den von den Leuchtdioden 8 bzw. 9 ausgestrahlten pulsbreitenmodulierten Signalen steuern die Fotoelemente 13,14 zwei CMOS-Gatter S, 15, die ibls Analogschalter verwendet werden. Die CMX)S-GnI-ter 5, 15 sind an eine abgleichbare Referenzspannung UREF einer Spannungsquelle 16 gelegt, so daß die Galterausgänge die Potentiale OV und UHi.:,.· annehmen können. Die Ausgänge der beiden Gatter schalten also bei Ansteuerung durch die Fotoelemente 13, 14 zwischen den Potentialen OV und UKEF. According to the pulse-width-modulated signals emitted by the light-emitting diodes 8 and 9, the photo elements 13, 14 control two CMOS gates S, 15, which are used as analog switches. The CMX) S-GnI-ter 5, 15 are connected to an adjustable reference voltage U REF of a voltage source 16, so that the Galter outputs the potentials OV and U H i. : ,. · Can accept. The outputs of the two gates switch between the potentials OV and U KEF when activated by the photo elements 13, 14.
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