DE4243130C2

DE4243130C2 - Als Stromwandler arbeitender Trennübertrager

Info

Publication number: DE4243130C2
Application number: DE19924243130
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl Ing Schermer
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1992-12-19
Filing date: 1992-12-19
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2012-12-20
Also published as: DE4243130A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem als Stromwandler arbei tenden Trennübertrager, an dessen unsymmetrischer Sekun därwicklung ein stromgegengekoppelter Verstärker ange schaltet ist.

Trennübertrager dieser Art, wie sie zur Potentialtrennung zwischen zwei Schaltungsteilen, zum Umformen eines erd symmetrischen Signals in ein unsymmetrisches erdbezogenes Signal und zur wechselspannungsmäßigen Signalübertragung mit sehr geringen linearen und nichtlinearen Verzerrungen benutzt werden, sind bekannt (DE-OS 23 29 254). Die Sekundärseite des als Stromwandler arbeitenden Übertragers wird durch den stromgegengekoppelten Verstärker nahezu im Kurzschluß betrieben. Im idealen Kurzschlußfall ist der Spannungsabfall an der Sekundärwicklung und die Induktion im Kern Null. Dies ergäbe eine völlig lineare Übertragungskennlinie und damit vernachlässigbare nicht lineare Verzerrungen. Der Strom in der Sekundär wicklung verursacht über den ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung (Kupferwiderstand der Sekundärwicklung) einen Spannungsabfall, der zu einem Anstieg der nicht linearen Verzerrungen insbesondere bei tiefen Frequenzen führt.

Bei reinen Stromwandlern ist es an sich bekannt, neben der eigentlichen Sekundärwicklung eine zusätzliche Detek torwicklung vorzusehen, die denselben Fluß wie die Sekundärwicklung erfaßt (DE-OS 37 01 800). Diese Detek torwicklung ist mit einem Operationsverstärker verbunden, dessen Ausgang mit dem Fußpunkt der Sekundärwicklung in Verbindung steht. Auf diese Weise wird eine Kompen sationsspannung erzeugt, durch welche der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung kompensiert wird. Diese bekannte Kompensationsmaßnahme für einen Stromwandler wäre für einen Trennverstärker der eingangs erwähnten Art mit einem dem Stromwandler nachgeschalteten strom gegengekoppelten Verstärker nicht geeignet, da durch die zusätzliche Detektorwicklung unnötige zusätzliche Wickelkapazitäten entstehen, durch die insbesondere bei höheren Frequenzen die Übertragungskennlinie ungünstig beeinflußt wird. Außerdem liegt der mit der Detektorwick lung verbundene Operationsverstärker im Hauptsignalkreis und muß zur Vermeidung von Verzerrungen entsprechend hochwertig ausgebildet sein

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Trennübertrager der eingangs erwähnten Art zu schaffen, dessen nichtlineare Verzerrungen sowohl bei tiefen als auch bei höheren Frequenzen vernachlässigbar klein sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Trennübertrager laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kenn zeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Erzeugung der Kompensations spannung am Fußpunkt der Sekundärwicklung entweder über einen Spannungsinverter zwischen Ausgang des stromgegen gekoppelten Verstärkers und dem Fußpunkt oder durch einen am Fußpunkt angeschalteten sogenannten negativen Impe danzkonverter wird eine zusätzliche Übertragerwicklung überflüssig, durch die insbesondere für höhere Frequenzen störende Wickelkapazitäten entstehen würden. Auch ein im Hauptsignalkreis des Trennübertragers liegender zu sätzlicher Operationsverstärker wird überflüssig. Damit wird erstmals für einen Trennübertrager der eingangs erwähnten Art mit einem dem Stromwandler nachgeschalteten stromgegengekoppelten Verstärker eine Kompensationsmaß nahme geschaffen, die mit geringstem Schaltungsaufwand realisierbar ist und sowohl bei tiefen Frequenzen ver nachlässigbar kleine nichtlineare Verzerrungen bewirkt als auch bei höheren Frequenzen nicht stört. Ein erfin derungsgemäßer Trennübertrager besitzt damit eine nahezu völlig lineare Übertragungskennlinie. In einem praktischen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Trennüber tragers wurde eine Verbesserung der harmonischen Ver zerrungen von 30 bis 40 dB bei der Frequenz 10 Hz auf Werte von etwa 110 dB Klirrabstand erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines als Stromwandler arbeitenden Trennübertragers T mit dem Übersetzungsver hältnis ü = n2/n1, dessen Primärwicklung W1 über zwei gleiche primärseitige Widerstände R1/2 oder einen einzigen Widerstand R1 mit dem eingangsseitigen Primärstrom I1 gespeist ist. An der Sekundärwicklung W2, die mit ihrem Fußpunkt F an Masse M liegt und damit unsymmetrisch arbeitet, ist ein Operationsverstärker VO mit hoher Leerlaufverstärkung angeschaltet, der über einen Wider stand R2 stromgegengekoppelt ist. Die Sekundärwicklung W2 wird hierdurch nahezu im Kurzschluß betrieben, voraus gesetzt der Fußpunktwiderstand R_k ist sehr klein. Dem Operationsverstärker VO ist noch eine nicht dargestellte Schaltung zur Gleichspannungsstabilisierung zugeordnet. Aus der Eingangsspannung U1 fließt ein primärseitiger Strom I1 der Größe U1/R1 in den Übertrager T und führt zu einer Ausgangsspannung U2 gemäß der in Fig. 1 ange gebenen Formel. Diese Bedingung gilt bis zu sehr niedrigen Frequenzen von nur einigen Hz, bei denen das Kernmaterial des Übertragers noch im linearen Bereich der Magneti sierungskennlinie, also weit unterhalb der Sättigungs grenze, ausgesteuert wird. Der Sekundärstrom I2 verursacht über den ohmschen Widerstand R_w der Sekundärwicklung W2 (Kupferwiderstand der Spule) einen Spannungsabfall, der zu einem starken Anstieg der nichtlinearen Verzer rungen bei tiefen Frequenzen führt.

Um dies zu vermeiden, wird gemäß der Erfindung am Fußpunkt F der Sekundärwicklung W2, mit welcher diese am Bezugs potential Masse M liegt, eine Kompensationsspannung zugeführt, die gleich groß, aber gegenphasig zu dem am ohmschen Widerstand R_w abfallenden Spannungsabfall ist, wodurch dieser störende Spannungsabfall gegen Null kompensiert wird.

Für die Erzeugung dieser Kompensationsspannung gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei dem ersten Ausführungs beispiel nach Fig. 1 wird die Kompensationsspannung unmittelbar aus der Ausgangsspannung U2 über einen Spannungsinverter V_k erzeugt, dessen Ausgang im ein fachsten Fall unmittelbar mit dem Fußpunkt F der Sekun därwicklung verbunden ist. Durch entsprechende Bemessung der Verstärkung und des Phasenverlaufes dieses Inverters V_k wird an dessen Ausgang A eine Spannung erzeugt, die unmittelbar dem Spannungsabfall am Widerstand R_w ent spricht und zu dieser gegenphasig ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Fußpunkt F über einen zusätzlichen Fußpunktwiderstand R_k an Masse M angeschaltet und der Ausgang A des Inverters ist über einen Widerstand R3, der wesentlich größer als R_k ist, mit dem Fußpunkt F verbunden. Damit kann der Inverter V_k mit größerem Pegel arbeiten und Störungen durch Eigenrauschen sind weitgehend ausgeschaltet. In dieser speziellen Schaltung mit gegenüber Masse hochliegendem Fußpunkt F liefert der Inverter an seinem Ausgang A einen Strom I_k gemäß der in Fig. 1 angegebenen Formel.

Fig. 2 zeigt eine weitere Möglichkeit für die Erzeugung der Kompensationsspannung und zwar unter Verwendung eines sogenannten negativen Impedanzkonverters NIC, wie er beispielsweise beschrieben ist in dem Buch von Tietze/Schenk, 5. Auflage 1980, Halbleiter-Schaltungstechnik, Seiten 255-258.

Ein derartiger NIC besitzt bei entsprechender Dimensionierung seiner aktiven Schaltungselemente die Eigenschaft, daß an seinem Eingang G ein negativer Ein gangswiderstand Z mit der in Fig. 2 angegebenen Dimen sionierung entsteht, an welchem über den am Fußpunkt der Sekundärwicklung W2 fließenden Strom eine entsprechend negative Kompensationsspannung abfällt. Durch entspre chende Dimensionierung der aktiven Schaltung des NIC kann so wieder ein Spannungsabfall zwischen Eingang G und Masse M erzeugt werden, der wieder gegenphasig, jedoch gleich groß wie der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand Rw ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist der Fuß punkt F wieder über einen Fußpunktwiderstand R_k gegen Masse geschaltet, der in manchen Fällen auch entfallen kann, so daß der NIC unmittelbar in Reihe zur Sekundär wicklung W2 gegen Masse geschaltet ist.

Die Inverterschaltung V_k bzw. die NIC-Schaltung ist vorzugsweise mit einem vorgegebenen Hochpaßverhalten ausgestattet, damit eine reine Gleichspannungsrückkopplung und somit eventuelle Rückkopplungsschwingungen vermieden werden. Dieses Hochpaßverhalten wird je nach Anwendungs fall derart gewählt, daß zwar eine Gleichspannungsübertragung unterbunden ist, jedoch bereits bei Frequenzen ab etwa 2 bis 10 Hz die gewünschte Kompensationsspannung erzeugt wird.

Claims

1. Als Stromwandler arbeitender Trennübertrager (T), an dessen mit ihrem Fußpunkt (F) auf Bezugspotential (M) lie gender Sekundärwicklung (W2) ein stromgegengekoppelter Verstärker (VO/R2) angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Ausgang des Verstärkers (VO/R2) über einen Span nungsinverter (V_k) mit dem Fußpunkt (F) der Sekundär wicklung (W2) verbunden ist
oder
am Fußpunkt (F) der Sekundärwicklung (W2) der Eingang (G) eines mit seinem Ausgang an Bezugspotential (M) liegenden negativen Impedanzkonverters (NIC) angeschal tet ist,
und daß der Spannungsinverter (V_k) bzw. der negative Im pedanzkonverter (NIC) so dimensioniert sind, daß am Fußpunkt (F) eine Kompensationsspannung entsteht, derart, daß sie dem durch den Sekundärstrom (I2) am ohmschen Widerstand (R_w) der Sekundärwicklung (W2) erzeugten Spannungsabfall entspricht und zu diesem gegenphasig ist.

2. Trennübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußpunkt (F) der Sekundärwicklung (W2) über einen Fußpunktwiderstand (R_k) an Bezugspotential (M) liegt.

3. Trennübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (A) des Spannungsinverters (V_k) über einen Widerstand (R3) mit dem Fußpunkt (F) verbunden ist.