DE3229622A1

DE3229622A1 - Schaltungsanordnung zur potentialtrennung

Info

Publication number: DE3229622A1
Application number: DE19823229622
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. 5205 St. Augustin Brünig
Original assignee: Kloeckner Moeller Elektrizitaets GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1982-08-09
Filing date: 1982-08-09
Publication date: 1984-02-09

Description

Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung auf der Ein- und/oder Ausgangsebene von Logiksystemen.
Es sind bereits Schaltungen zur Erreichung einer Potentialtrennung bekannt. Durch die Potentialtrennung soll eine galvanische Trennung zwischen verschiedenen Systemen z.B.
Logiksystem und diskreten Halbleitern bzw. zwischen Steuer-und Leistungsstromkreisen erreicht werden. Andererseits soll die funktionelle Verbindung zwischen den Systemen störungsfrei aufrechterhalten werden. Eine derartige Trennung läßt sich beispielsweise durch opto-elektronische Schaltungen mit sogenannten Optokopplern erreichen, wie in der DE-OS 29 10 898 beschrieben. Dabei ist im Steuerkreis der Schaltung ein lichtemittierendes Element und im Lastkreis ein Lichtempfänger angeordnet. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß in derartigen Schaltungen der Optokoppler eine Schwachstelle mit hoher Ausfallrate darstellt. Eine weitere Möglichkeit zur Potentialtrennung ergibt sich durch die Verwendung von Piezokopplern, wie aus der DE-OS 30 35 503 zu ersehen ist. Hierbei wird die galvanische Trennung durch ein Plättchen aus piezokeramischem Werkstoff erreicht, auf dem gegeneinander isoliert mehrere Elektroden angeordnet sind. Wird an die Primärelektrode hochfrequente Wechselspannung gelegt, schwingt das Keramikplättchen in der entsprechenden Frequenz und die Schwingungen wirken auf die Sekundärelektrode und übertragen damit die zum Schalten erforderliche elektrische Energie. Nachteilig ist hierbei der Frequenzabgleich des treibenden Multivibrators auf die genaue Resonanzfrequenz des Piezokopplers und die geringe übertragbare Leistung,die nur für Meß-, Steuer- und Regeltechnik ausreichend ist.
Für die Übertragung höherer Leistungen benutzt man Obertrager, bestehend aus einem Ferrit-Ringkern, der mit Transistoren, als Sperrschwinger, betrieben wird.
Eine derartige Schaltung ist aus der DE-OS 30 28 986 bekannt, bei der eine Steuerspannung von einem Obertrager mit Sättigungscharakteristik auf den Leistungsteil übertragen wird. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, daß Störungen in benachbarte Bauteile und Leiterbahnen induziert werden. Außerdem muß für jeden Obertragungskanal ein gesonderter Sperrschwinger eingesetz werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Potentialtrennung mittels induktiver Übertragung derart weiterzubilden, daß auch Gleichstromimpulse höherer Leistung und beliebiger Dauer betriebssicher und störungsarm übertragen werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß einem magnetischen Kreis von einem Generator ein Gleichfluß und ein Wechselfluß eingeprägt ist, wobei der Gleichfluß so dimensioniert ist, daß der magnetische Kreis auch bei dem dem Gleichfluß entgegengesetzten Anteil des Wechselflusses in der Sättigung bleibt, und daß zur Übertragung von Steuersignalen ein Steuerstrom in dem magnetischen Kreis einen dem Gleichfluß entgegengerichteten Fluß erzeugt, der dazu führt, daß der magnetische Kreis aus der Sättigung kommt und der Wechselfluß zur Signalübertragunq wirksam wird.
Der magnetische Kreis besteht beispielsweise aus einem Ringkern, auf dem eine Generatorwicklung und die Eingangs-und Ausgangswicklung angeordnet sind. Dabei können mehrere magnetische Kreise mit in Reihe geschalteten Generatorwicklungen von einem, entsprechend der Anzahl der magnetischen Kreise dimensionierten, Generator im Sättigungsbereich gehalten werden.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipschaltung, Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Flusses im magnetischen Feld, Fig. 3 Beispiel einer Eingangsschaltung, Fig. 4 zwei von einem Generator versorgte Ausgangsschaltungen.
Aus Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung zu ersehen. Der Generator G wirkt über die Generatorwicklung WG auf einen magnetischen Kreis M. Dabei wird dem magnetischen Kreis M ein magnetischer Fluß I3, der sich aus einer Gleichfluß-Komponente IG und einer Wechselfluß-Komponente 1W zusammensetzt, eingeprägt. Der Gleichfluß 1G ist dabei so dimensioniert, daß der magnetische Kreis M auch bei dem dem Gleichfluß IG entgegengesetzten Anteil des Wechselflusses in der Sättigung bleibt. Solange in der Eingangswicklung WE kein Strom fließt, behält der magnetische Kreis M seine Sätti gungscharakteri sti k und die Ausgangsspannung U2 bleibt 0. Wird jedoch durch die Eingangswicklung WE ein Strom I1 geschickt, der im magnetischen Kreis M einen so großen, dem vom Generator eingeprägten Gleichfluß IG entgegengesetzten magnetischen Fluß erzeugt, daß der Kern seine Sättigungscharakteristik verliert, kommt der Wechselfluß 1W zur Wirkung und in der Wicklung WA wird eine Wechselspannung U2 induziert. Diese Spannung kann entweder direkt oder gleichgerichtet zur Ansteuerung einer Logikschaltung verwendet werden.
Eine vereinfachte Darstellung des Flusses im magnetischen Kreis zeigt Fig. 2. Die Sättigungsgrenze ist dabei mit als gestrichelte Linie dargestellt. Oberhalb der Sättigungsgrenze Is liegen der vom Generator geprägte Gleichfluß 1G und der Wechselfluß Iw. Wird nach einer Zeit t1 ein Gleichstrom 115 der einen dem Gleichstrom IG entgegengesetzten Fluß erzeugt, durch die Wicklung WE geschickt, so wird der vom Generator G erzeugte Wechselfluß 1W unter die Sättigungsgrenze gesenkt. Dadurch wird in der Wicklung WA eine Spannung U2 induziert, die solange wirksam ist, wie I1 an der Wicklung WE ansteht, in diesem Falle bis zum Zeitpunkt t2.
Ein Beispiel für eine Eingangsschaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Steht auf der Eingangsseite eine Gleichspannung U1 an, so fließt über den Vorwiderstand R v und die Eingangswicklung WE des magnetischen Kreises M ein Strom 11, der so gerichtet ist, daß er in dem magnetischen Kreis einen Fluß erzeugt, der dem vom Generator G eingeprägten Gleichfluß entgegengerichtet ist. Damit kommt der magnetische Kreis M aus der Sättigung und der vom Generator G eingeprägte Wechselfluß wird im magnetischen Kreis M wirksam. Er induziert dabei in die Ausgangswicklung WA eine Wechselspannung U2. Der daraus folgende Strom 12 wird von dem Gleichrichter G1 gleichgerichtet und geglättet und aktiviert die Logikschaltung L.
In gleicher Weise läßt sich eine galvanische Trennung durch diese Schaltungsanordnung bei der Ausgangsschaltung erreichten.
Fig. 4 zeigt zwei derartige Schaltungen, die von einem Generator G versorgt werden. Hierbei bilden die magnetischen Kreise M1 und M2 die Potentialtrennung zwischen den Logikschaltungen L1 bzw. L2 und den diskreten Halbleitern H1 bzw. H2. Bei dieser Schaltungsanordnung wirkt der Generator G auf zwei in Reihe angeordnete Wicklungen WGl und WG2 der magnetischen Kreise M1 und M2. Die Eingangswicklungen WE1 und WE2 werden aus der Logik angesteuert und die entsprechenden Ausgangssignale wirken auf die diskreten Halbleiter H1 und H2.
Bei ausreichender Dimensionierung des Generators ist es durchaus denkbar, auch eine größere Anzahl von Schaltungsanordnungen zur Potentialtrennung mit diesem einen Generator zu betreiben.

Claims

Patentansprüche (1 Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung auf der Ein-und / oder Ausgangsebene von Logiksysten, dadurch gekennzeichnet, daß einem magnetischen Kreis(M) von einem Generator (G) ein Gleichfluß (IG) und ein Wechselfluß (Iw> eingeprägt ist, wobei der Gleichfluß G) so dimensioniert ist, daß der magnetische Kreis (M) auch bei dem den Gleichfluß (IG) entgegengesetzten Anteil des Wechselflusses in der Sättigung bleibt,und daß zur Obertragung von Steuersignalen ein Steuerstrom (I1) in dem magnetischen Kreis (M) einen, dem Gleichfluß (IG) entgegengerichteten Fluß erzeugt, der dazu führt, daß der magnetische Kreis (M) aus der Sättigung kommt und der Wechselfluß (IW) zur Signalübertragung wirksam wird.
2. Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kreis (M) aus einem Ringkern besteht, auf dem die Generatorwicklung (WG), die Eingangswicklung (WE) und die Ausgangswicklung (WA) angeordnet sind.
3. Schaltungsanordnung zur Potentialtrennung nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere magnetische Kreise (Ml...Mn) mit in Reihe geschalteten Generatorwicklungen (WGl...WGn) von einem gemeinsamen, entsprechend der Anzahl der magnetischen Kreise (Ml...Mn) dimensionierten,Generator (G) im Sättigungsbereich gehalten werden.