DE3526997C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrom-Meßwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Gleichstrom-Meßwandler ist aus der DE-AS 27 21 371 (Fig. 7) bekannt.

Hierbei verursacht der Transformator durch seinen eigenen Energiebedarf einen Meßfehler, d.h. er ver­ braucht einen Teil des zugeführten Meßstroms, der dann im Ausgangsstrom fehlt. Dieser Meßfehler ist besonders störend, wenn der zu übertragende Meßstrom klein ist, z.B. einige µA beträgt, weil die Wechsel­ spannung am Transformator hierbei wegen der Gleich­ richterdioden nicht auf 0 zurückgeht, sondern min­ destens 0,5 V beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Gleichstrom-Meßwandler der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei der der Meßfehler geringer ist.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wenn die Einschaltdauer bei kleinen Meßströmen klein gegenüber der Schaltperiodendauer ist, entsteht am Transformator in den Schaltpausen eine sinusförmige Schwingung, deren Periodendauer durch die Querindukti­ vität und die Wicklungs- und Schaltungskapazitäten des Transformators bestimmt ist. Eine solche Sinus­ spannung hat einen kleineren Effektivwert als die übliche Rechteck- oder Trapezspannung gleichen Spit­ zenwerts. Außerdem entfallen die Wechselspannungen höherer Frequenz, die in einer rechteckförmigen Spannung (nach Fourier) enthalten sind. Dadurch vermindern sich die Magnetisierungsströme im Trans­ formator und die Transformatorverluste erheblich und damit auch die Stromverluste im Meßkreis. Bei größeren Meßströmen werden die Einschaltzeiten groß gegenüber den Umschaltzeiten; am Transformator treten dann die bekannten trapezförmigen Spannungen auf.

Die Schalttransistoren sind dann fast ständig einge­ schaltet und verursachen nur einen geringen Spannungs­ abfall. Die Kurvenform der Steuer- und Transformator­ spannungen paßt sich daher in zweckmäßiger Weise der Größe des Meßstroms an. Um die Transformatorver­ luste bei kleinen Meßströmen noch weiter zu verrin­ gern, ist vorgesehen, mit Resonanz zu arbeiten und die Schaltfrequenz an die Eigenfrequenz des Transformators anzugleichen, die durch die Induktivi­ tät des Transformators und die Wicklungs- und Schal­ tungskapazität bestimmt ist.

Die Steuerspannungen sind zum kurzzeitigen Einschal­ ten der Schalttransistoren sinusförmig gestaltet. Das Einschalten erfolgt dann nur, wenn die Spitzen der sinusförmigen Steuerspannung den zum Einschalten der Transistoren erforderlichen Wert überschreiten. Zur Erzielung längerer Einschaltzeiten ist die Steuersspannung wie üblich trapezähnlich geformt.

Zur Erzeugung dieser Steuerspannungen kann ein aus dem Meßstrom gespeister Generator vorgesehen sein, dessen Ausgangsspannungen bei kleinen Meßströmen im wesentlichen sinusförmig sind und bei größeren Meßströmen durch die Basis-Emitterstrecken der Schalttransistoren begrenzt werden und in eine zunehmend gekappte Sinusform und schließlich in eine trapezähnliche Form übergehen. Bei größeren Meßströmen wird die erforderliche Einschaltspannung an den Basen der Schalttransistoren während längerer Zeit überschritten, so daß die gewünschten Formen der Transformatorspannungen auf einfache Weise in Abhängigkeit von der Größe des Meßstromes erzeugt werden.

Zur Erzeugung der Steuerspannungen, deren Kurvenform erfindungsgemäß von der Größe des Meßstroms abhängig ist, können die Basissteuerströme der Schalttransi­ storen aus dem Meßstrom über einen zweiten Transfor­ mator abgeleitet werden, der in den Emitter-Kollektor­ kreisen der Schalttransistoren liegende Primärwicklun­ gen und zwischen Emitter und Basis der Schalttransi­ storen angeordnete Sekundärwicklungen aufweist. Hierbei bildet der zweite Transformator mit den Schalttransistoren einen rückgekoppelten Generator. Die zum Betrieb dieses Generators erforderliche Leistung wird ausschließlich durch einen zusätzlichen Spannungsabfall im Meßstromkreis aufgebracht, so daß durch den Generator kein Meßfehler verursacht wird.

Zwar ist es aus den US-Patentschriften 36 63 944 und 35 28 031 bekannt, bei einem Wechselrichter mit zwei Schalttransistoren und einem ersten Trans­ formator, der als Ausgangstransformator wirkt, einen zweiten Transformator als Rückkopplungstransformator vorzusehen. Der zweite Transformator arbeitet jedoch im gesättigten Zustand, d.h. nur mit rechteckähnlichen Spannungen, und die Einhaltzeiten der beiden Schalttransistoren grenzen unmittelbar aneinander.

Der Basisstrom der Schalttransistoren kann wesent­ lich (um den sogenannten Stromverstärkungsfaktor) kleiner sein als ihr Kollektorstrom. Es ist daher zweckmäßig, das Übersetzungsverhältnis des zweiten Transformators ungefähr gleich der Stromverstärkung der Schalttransistoren zu wählen, d.h. die primäre Windungszahl des zweiten Transformstors wesentlich kleiner zu wählen als die Sekundärzahl. Hierdurch wird der Spannungsabfall im Meßstromkreis, der zur Erzeugung der Steuerleistung der Schalttransistoren erforderlich ist, erheblich verringert, z.B. auf ca. 50 mV, wenn man eine Stromverstärkung und ein Übersetzungsverhältnis von etwa 15 annimmt.

Die Schalttransistoren benötigen eine Generatorwech­ selspannung von mindestens ca. 0,6 V, um eingeschal­ tet zu werden. Dementsprechend ist ein Mindestwert des Meßstroms erforderlich, damit diese Generator­ wechselspannung entsteht. Um auch einen kleineren Meßstrom bis fast zum Wert 0 zu übertragen, liegt nach einer Weiterbildung der Erfindung einem der Schalttransistoren ein Hilfstransistor parallel, dessen Basis wechselspannungsmäßig mit der Basis des zugehörigen Schalttransistors gekoppelt und mit einer Vorspannung versorgt ist, die durch einen Strombegrenzer aus dem zugeführten Meßstrom entnommen wird.

Als Strombegrenzer kann ein Feldeffekt-Transistor mit einem zwischen dessen Gate und Source liegenden Widerstand verwendet werden. Bei sehr kleinem Meßstrom arbeitet nur der Hilfstransistor, wobei der Meßstrom nur während der die eine Polarität aufweisenden Halbwellen übertragen wird. Auf die anderen Halbwellen kann verzichtet werden, weil dadurch wegen des kleinen Meßstroms keine merklichen Störungen verursacht werden. Bei einem größeren Meßstrom ist die Wirkung des Hilfstransistors vernachlässigbar, weil sein Basistrom wegen der Strombegrenzung nur sehr klein ist.

Der Basisstrom des Hilfstransistors wird vom Meßstrom abgezweigt. Dadurch entsteht ein Meßfehler. Dieser ist aber sehr klein, weil der Hilfstransistor nur einen sehr kleinen Basisstrom benötigt.

Bei kleinem Meßstrom bewirkt der Hilfstransistor eine fast sinusförmige Generatorspannung. Bei größer werdendem Meßstrom steigt die Generatorspannung an, bis die Basen der Schalttransistoren leitend werden. Diese wirken dann als Spannungsbegrenzer, so daß die Generatorspannung in eine gekappte Sinaus­ kurve übergeht. Bei großem Meßstrom entsteht ein trapezähnlicher Verlauf der Generatorspannung. Dieser ist zweckmäßig, damit der Meßstrom möglichst kon­ tinuierlich - mit möglichst kleinen Umschaltpausen - übertragen wird.

Die Eigenfrequenz des ersten Transformators wird durch eine Querinduktivität und seine Wicklungs­ und Schaltungskapazitäten bestimmt. Zum Abgleich der Generatorfrequenz ist dem zweiten Transformator zweckmäßigerweise ein Kondensator parallelgeschaltet, der so bemessen ist, daß die Frequenz des den zweiten Transformator, den Kondensator und die Schalttransi­ storen aufweisenden Generators an die Eigenfrequenz des Schwingungskreises angeglichen ist, der durch die Induktivität des ersten Transformators und seine Wicklungs- und Schaltungskapazitäten gebildet ist.

Der vorliegende Gleichstrom-Meßwandler kann, wie die der gattungsgemäßen Art, zwei gleiche Schalttransistoren, zwei gleichgepolte Gleichrichter­ dioden und entgegengesetzt gespulte Transformatorwick­ lungen aufweisen. Stattdessen können aber auch die Wicklungen der beiden Transformatoren gleichsinnig ausgebildet sein und komple­ mentäre Schalttransistoren und entgegengesetzt gepolte Gleichrichterdioden benutzt werden.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nach­ stehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungs­ beispiele näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Gleichstrom­ Meßwandler mit gegensinnig gepol­ ten Transformatorwicklungen und

Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen Gleichstrom­ Meßwandlers mit gleichsinnig gepol­ ten Transformatorwicklungen.

Der Gleichstrom-Meßwandler nach Fig. 1 dient zur galvanisch getrennnten Übertragung eines eingeprägten Meßstroms in Form eines im Bereich von 0 bis 20 Milliampère liegenden Gleichstroms, aus einem Meßstromkreis in einen anderen Stromkreis, wobei der abgegebene Strom mit möglichst hoher Genauigkeit gleich dem aufgenommenen Meßstrom sein soll. Zu diesem Zweck wird der Meßstromkreis an eingangsseitige Anschlüsse 1 und 2 angeschlossen und der Meßstrom dem Gleichstrom-Meßwandler zugeführt, von diesem in einen Wechselstrom umgesetzt und über einen ersten im Gegentakt arbeitenden Trans­ formator 3 mit Sekundärwicklung 24 und 25 nach Gleichrichtung mittels Dioden 4 und 5 und Glättung mittels eines Kondensators 6 an Ausgangsanschlüssen 7 und 8 abgenommen. Hierbei liegen an den Anschlüssen 1 und 2 zwei parallele Schaltkreise, die jeweils einen Schalttransistor 9 und 10 aufweisen, wobei der Kollektor des Schalttransistors 9 über eine erste Primärwicklung 11 und der Kollektor des Schalt­ transistors 10 über eine zweite Primärwicklung 12 des Transformators 3 mit dem Anschluß 1 und der Emitter des Schalttransistors 9 über eine erste Primärwicklung 13 und der Emitter des Schalttran­ sistors 10 über eine zweite Primärwicklung 14 eines zweiten im Gegentakt arbeitenden Transformators 15 mit dem Anschluß 2 verbunden ist. Zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors 9 liegt eine erste Sekundärwicklung 1 6 und zwischen der Basis und dem Emitter des Schalttransistors 10 eine zweite Sekundärwicklung 17 des Transformators 15, wobei alle Wicklungen 13, 14, 16 und 17 des Transformators 17 auf dem (nicht dargestellten) gleichen Kern sitzen.

Parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Schalt­ transistors 9 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Hilfstransistors 18, dessen Basis durch einen Koppelkondensator 19 mit der Basis des Schalttran­ sistors 9 verbunden ist. Außerdem ist die Basis des Hilfstransistors 18 über einen Strombegrenzer 20 geringer Leistung mit dem Anschluß 1 verbunden. Der Strombegrenzer 20 besteht aus einem Feldeffekt­ Transistor 21 mit einem zwischen Gate und Source liegenden Widerstand 22.

Ein zwischen den Anschlüssen 1 und 2 liegender Puffer­ kondensator 23 nimmt während der Umschaltpausen der Schalttransistoren 9 und 10 den Eingangsstrom auf, um eingangsseitige Spannungsspitzen zu dämpfen.

Die Primärwicklungen 13 und 14 haben gleiche Windungs­ zahlen, ebenso die Sekundärwicklungen 16 und 17. Die Windungszahlen der Sekundärwicklungen 16 und 17 sind jedoch höher als die der Primärwicklungen 13 und 14, vorzugsweise etwa gleich dem Stromverstär­ kungsfaktor der Schalttransistoren 9 und 10 d. h. etwa 15 mal so hoch.

Wenn ein sehr kleiner Eingangsstrom zugeführt wird, wird der Hilfstransistor 18 über den Strombegrenzer 20 durch einen kleinen Teil des Eingangsstroms aufge­ steuert, so daß ein Strom über die Primärwicklung 11, die Kollektor-Emitter-Strecke des Hilfstransistors 18 und die Primärwicklung 13 zum Anschluß 2 fließt.

Dieser Strom ist durch die Wicklung 16 auf die Basis des Hilfstransistors 18 rückgekoppelt, so daß sinus­ förmige Schwingungen entstehen. Die Frequenz dieser Schwingungen ist durch die Induktivität des Transformators 15 und die Kapazität des parallelliegenden Kondensators 26 bestimmt. Dieser Kondensator 26 ist so gewählt, daß diese Frequenz ungefähr gleich der Eigenfrequenz des Transformators 3 ist, die durch dessen Induktivität und die parallelliegenden Wicklungs- und Schaltungskapazitäten bestimmt ist. Durch diese Schwingungen wird der Hilfstransistor 18 abwechslend ein- und ausgeschaltet, wodurch der durch die Wicklung 11 fließende Strom in einen Wech­ selstrom gewandelt und auf der Sekundärseite des Transformators 3 wieder gleichgerichtet wird.

Die Schalttransistoren 9 und 10 sind noch gesperrt, weil bei kleinerem Eingangsstrom die an dem Transfor­ mator 15 entstehende Wechselspannung nicht ausreicht, um diese Transistoren an ihre Basen einzuschalten. Bei größeren Eingangsströmen werden auch die Tran­ sistoren 9 und 10 abwechselnd eingeschaltet, wobei die beiden Wicklungen 16 und 17 als Rückkopplung wirken. Hierdurch wird der Eingangsstrom abwechselnd über die Wicklungen 11 und 12 des Transformators 3 geführt und dadurch in einem Wechselstrom umgewand­ delt. Die Amplitude der am Transformator 15 entstehen­ den Spannung ist durch die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 9 und 10 begrenzt. Dadurch nimmt die zunächst sinusförmige Spannungskurve die Form einer gekappten Sinuskurve bzw. bei großen Strömen die Form eines Trapezes an.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß die Dioden 4 und 5 entgegengesetzt gepolt und die Schalttransistoren 9 und 10′ komplementär, d. h. vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, sind. Anstelle des npn-Schalttransistors 10 ist ein pnp-Schalt­ transistor 10′ vorgesehen. Sodann sind die gegensin­ nig gewickelten Transformatoren 3 und 15 durch gleich­ sinnig gewickelte Transformatoren 3′ und 15′ ersetzt. Die Wirkungsweise beider Ausführungsbeispiele ist grundsätzlich gleich.

Claims (8)

1. Gleichstrom-Meßwandler ohne Hilfsenergie zur galvanisch getrennten Übertragung und/oder zur Wandlung der Größe eines Meßstroms, wobei der Meßstrom durch mindestens zwei mittels Steuer­ spannungen an der Basis abwechselnd eingeschaltete Schalttransistoren in Wechselstrom umgeformt, durch einen Transformator übertragen und an der Sekundärseite des Transformators mittels Dioden wieder gleichgerichtet wird, wobei die Schalttransistoren während eines Teils der Schaltperiode eingeschaltet sind und wobei zwischen den Eingangs­ klemmen ein Eingangskondensator liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungen bei kleinen Meßströmen im vorgegebenen Meßstrombereich im wesentlichen sinusförmig sind und die Schalt­ transistoren (9, 10; 10′) mit Bezug, auf die Schalt­ periode nur kurzzeitig einschalten und die Schaltfrequenz der Schalttransistoren (9, 10, 10′) an die Eigen­ frequenz des Transformators angeglichen ist, so daß sich am Transformator (3; 3′) eine sinusförmige Spannung ergibt, und daß sie bei steigendem Meßstrom trapezförmig gestaltet sind und die Einschaltdauer verlängern, sodaß sich ein kontinuier­ licher Übergang der Spannung am Transformator von der Sinus- in eine weitgehend rechteckige Form ergibt.

2. Gleichstrom-Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Steuerspannungen ein aus dem Meßstrom gespeister Generator (9, 10, 10′, 15, 15′, 18, 20, 26) vorgesehen ist, dessen Aus­ gangsspannungen bei kleinen Meßströmen im wesentlichen sinusförmig sind und bei größeren Meßströmen durch die Basis­ Emitterstrecken der Schalttransistoren (9, 10, 10′) begrenzt sind und in eine zunehmend gekappte Sinusform und schließlich in eine trapezähnliche Form übergehen.

3. Gleichstrom-Meßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basissteuerströme der Schalttransistoren (9, 10, 10′) aus dem Meßstrom über einen zweiten Transformator (15; 15′) abgeleitet werden, der in den Emitter-Kollektorkreisen der Schalttran­ sistoren (9,10, 10′) liegende Primärwicklungen (13, 14) und zwischen Emitter und Basis der Schalt­ transistoren (9, 10, 10′) angeordnete Sekundärwick­ lungen (16, 17) aufweist.

4. Gleichstrom-Meßwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsver­ hältnis des zweiten Transformators (15; 15′) etwa gleich dem Stromverstärkungsfaktor der Schalt­ transistoren (9, 10, 10′) gewählt ist.

5. Gleichstrom-Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Meßstrombereichs zu kleineren Meßströmen hin einem (9) der Schalttransistoren (9, 10, 10′) ein Hilfstransistor (18) parallel liegt, dessen Basis wechselspannungsmäßig mit der Basis des zugehörigen Schalttransistors (9) gekoppelt und mit einer Vorspannung versorgt ist, die durch einen kleinen Gleichstrom erzeugt wird, der über einen Strombegrenzer (20) dem zugeführten Meßstrom entnommen wird und daß bei den kleineren Meßströmen anstelle der Schalttransistoren (9, 10, 10′ der Hilfstransistor (18) ein- und ausgeschaltet wird.

6. Gleichstrom-Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strombegrenzer (20) ein Feldeffekt-Transistor (21) mit einem zwischen dessen Gate (G) und Source (S) liegenden Widerstand (22) verwendet ist.

7. Gleichstrom-Meßwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Transfor­ mator (15; 15′) ein Kondensator (26) parallelge­ schaltet ist, der so bemessen ist, daß die Fre­ quenz des den zweiten Transformator, den Kondensa­ tor und die Schalttransistoren aufweisenden Generators an die Eigenfrequenz des Schwingungs­ kreises angeglichen ist, der durch die Induktivi­ tät des ersten Transformators (3; 3′) und seine Wicklungs- und Schaltungskapazitäten gebildet ist.

8. Gleichstrom-Meßwandler nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (11-14, 16, 17, 24, 25) der beiden Transformatoren (3′, 15′) gleichsinnig ausgebildet sind und entgegengesetzt gepolte komplementäre Schalt­ transistoren (9, 10′) und entgegengesetzt gepolte Gleichrichterdioden (4, 5) benutzt sind.