DE10217447A1 - Hilfsenergie-gestützter Signaltrenner für Messsignale - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Hilfsenergie-gestützten Signaltrenner für Messsignale, der insbesondere für Dead- oder Live-zero-Messsignale, aber auch für andersartige Messsignale, wie beispielsweise Signale von temperaturabhängigen Widerständen zur Temperaturmessung geeignet sein soll.
• Derartige Signaltrenner sind in vielfachen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Grundsätzlich wird dabei von sogenannten "Hilfsenergie-freien" Trennern und solchen unterschieden, die Hilfsenergie-gestützt sind. Bei Hilfsenergie-freien Signaltrennern wird die Energieversorgung der elektronischen Komponenten aus dem Messsignal abgezweigt, wie dies insbesondere bei Live-zero-Normsignalen mit einem Strombereich von 4 bis 20 mA der Fall ist. Der die untere Signalwertgrenze repräsentierende Minimalstrom von 4 mA kann dann die für den Betrieb der Bauelemente notwendige Energie beinhalten.
• Bei Hilfsenergie-gestützten Trennern wird eine Gleichspannungsversorgung von beispielsweise 24 V eingespeist, die zum einen eine primärseitige Messsignal-Eingangsschaltung, als auch eine davon durch einen Übertrager potentialgetrennte Ausgangsschaltung zur Aufbereitung des übertragenen Messsignals mit Energie versorgt.
• Um eine komplette Potentialtrennung zwischen Ein- und Ausgangsseite der Trennerschaltung zu gewährleisten, muss üblicherweise die Hilfsenergie jeweils über eigene Wicklungen eines Transformators in die Ein- beziehungsweise Ausgangsschaltung des Signaltrenners eingespeist werden. Es sind also insgesamt drei transformatorische Trennstrecken zur vollständigen Potentialtrennung notwendig.
• Derartige sogenannte Drei-Port-Trenner erfordern - insbesondere wenn sie mit einer ein- und ausgangsseitigen Bereichsauswahl für verschiedene Messsignal-Typen, wie Dead- oder Live-zero-Messstromsignale oder Spannungssignale zwischen 0 und 10 V ausgelegt sein sollen - aktive Eingangs- und Ausgangsschaltungen, die beispielsweise über separate Transformatorwicklungen potentialgetrennt versorgt werden müssen. Der Schaltungsaufwand ist damit vergleichsweise hoch, was einer preiswerten Realisierung solcher Trenner entgegensteht. Zusätzlich lassen sich weitergehende Anforderungen etwa im Bezug auf die Isolationseigenschaften - beispielsweise wenn hohe Prüfspannungen gefordert werden - nur in einem entsprechend großen Gehäuse umsetzen, da Hilfsenergieübertrager und Signalübertrager über entsprechend konstruierte Hochspannungswicklungen verfügen müssen. Dies steht der Realisierung solcher Drei-Port- Trenner in sehr kompakten Gehäusen, wie Anreihgehäusen mit einem Breitenmaß von 6,1 mm, diametral entgegen.
• Ferner erfordert eine direkte und genaue transformatorische Übertragung von Normsignalen mit einem Strombereich von 0 bis 20 mA beziehungsweise einem Spannungsbereich von 0 bis 10 V mit unterschiedlichen Bürdenspannungen zur Leistungsübertragung beispielsweise mit einer durch das Eingangsmesssignal versorgten Zerhackerschaltung Ferritkerne, die in einem 6,1 mm-Gehäuse keinen Platz finden würden. Ein Hilfsenergiefreier Betrieb der Eingangsschaltung ist damit in einem derartigen Anreihgehäuse nicht realisierbar.
• Schließlich erfordern konventionelle Messbereichs-Umschaltungen zwischen Strom- und Spannungssignalen sowie zwischen verschiedenen Verstärkungs- und Verschiebungsgraden, wie dies vielfach zur Flexibilisierung der Einsatzmöglichkeiten eines Signaltrenners gefordert wird, zahlreiche Schalter und zusätzliche Bauelemente, die die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Trennerschaltung verringern und den Schaltungsaufwand mit entsprechenden Kosten deutlich erhöhen.
• Ausgehend von den geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit einer vergleichsweise geringen Bauelementezahl zu realisierende Schaltung zur Verstärkung, Wandlung und Drei-Port-Potentialtrennung elektrischer Spannungen oder Ströme anzugeben, die in ein schmales Anreihgehäuse - beispielsweise mit einem Breitenmaß von 6,1 mm - integrierbar ist.
• Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 angegebenen Signaltrenner gelöst, der umfasst eine primärseitige Messsignal- Eingangsschaltung, eine davon potentialgetrennte, primärseitige Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung mit einem primärseitigen Zerhacker, eine sekundärseitige, von der Messsignal-Eingangs- und Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung jeweils durch Übertrager potentialgetrennte Ausgangsschaltung mit einem Gleichrichter für die übertragene Hilfsenergie, eine mit einem sekundärseitigen Zerhacker versehene, vom Hilfsenergie- Gleichrichter gespeiste Modulatorschaltung in der sekundärseitigen Ausgangsschaltung, die dem Übertrager für das Messsignal derart nachgeschaltet ist, dass über den Übertrager in Blickrichtung eine potentialgetrennte Einspeisung der Hilfsenergie in die Messsignal-Eingangsschahung erfolgt und gleichzeitig der Modulatorschaltung das zu übertragende Messsignal in Form eines dafür repräsentativen Laststromsignals aufgeprägt ist, das in der Ausgangsschaltung zu einem entsprechenden Ausgangssignal gewandelt wird.
• Die erfindungsgemäße Schaltungsarchitektur arbeitet also - obwohl eine Drei-Port-Trennung erzielt wird - nur mit zwei Trennstellen in Form der Übertrager zwischen der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung und der sekundärseitigen Ausgangsschaltung einerseits und der primärseitigen Messsignal-Eingangsschaltung und der Ausgangsschaltung andererseits. Dabei wird die Hilfsenergie für die aktive Eingangsschaltung mit dem zweitgenannten Übertrager - einem einfachen Transformator - durch den sekundärseitigen Zerhacker rückwärts in die Messsignal-Eingangsschaltung und simultan dazu das Messsignal in Form des aufgeprägten Laststromsignals in die Ausgangsschaltung übertragen. Damit fällt gegenüber dem Stand der Technik eine kompletter Übertrager für die Drei-Port-Trennung weg, was bereits grundsätzlich einen erheblichen Effekt bezüglich der Kompaktheit der Schaltung mit sich bringt.
• Vorteile ergeben sich dadurch insbesondere auch bei hohen Isolationsanforderungen, da in der Regel hohe Potentialdifferenzen nur zwischen dem Eingang einerseits und Ausgang sowie Hilfsenergie andererseits auftreten. Die Potentialtrennung des Eingangs erfolgt nun durch die erfindungsgemäße Lösung nur durch eine Trennstelle, sodass daher nur dieser eine Transformator hochspannungsfest ausgelegt sein muss.
• Im Übrigen ist darauf hinzuweisen, dass die Funktion der Messsignal- Eingangsschaltung auch in einem gesonderten Gerät realisiert sein kann, dem über die verbleibende Schaltungseinheit, die dann einen Speisetrenner darstellt, die Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt wird.
• Durch die in den Ansprüchen 2 bzw. 3 angegebenen Weiterbildungen des Signaltrenners kann der für die Messsignalübertragung bestimmte Übertrager mit einer konstanten, begrenzten Spannung unabhängig vom Messsignal betrieben werden, sodass keine Linearitätsfehler durch Messwert- oder Bürden-bedingte Spannungsänderungen auftreten.
• Anspruch 4 kennzeichnet eine vorteilhafte Schaltungsausbildung zur Aufprägung des Laststromsignales in der primärseitigen Messsignal-Eingangsschaltung.
• Durch die Weiterbildung des Signaltrenners nach Anspruch 5 in Verbindung mit den Ausführungsformen gemäß den Ansprüchen 7 und 8 wird erreicht, dass die Umschaltung von Strom- auf Spannungssignale in allen Kombinationen - also Strom/Strom, Strom/Spannung, Spannung/Strom und Spannung/Spannung - auf einfache Weise mit nur drei Schaltweichen realisierbar ist.
• Durch die gemäß Anspruch 6 vorgesehene Leuchtdiode an der Basis des Transistors in der Messsignal-Eingansschaltung wird eine Überlastung des Eingangs auf einfache Weise verhindert.
• Gemäß Anspruch 9 besitzen die beiden Übertrager ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1, sodass diese in konstruktiv einfacher Weise durch eine bifilare Wickeltechnik mit Ringkernen realisiert werden können. Dies bringt eine gute Kopplung mit sich, wodurch die in die Ausgangsschaltung über den dortigen Übertrager eingespeiste Hilfsenergie optimal nutzbar ist. Die nach Anspruch 10 vorgesehene Schottky-Diode über den Eingangsanschlüssen der Eingansschaltung sorgt dafür, dass bei einem Ausfall der Hilfsenergie durch einen Übergang der Diode in den leitenden Zustand der Eingangsstrom weiter fließen kann.
• Durch die nach Art einer Spannungsteilerschaltung gemäß Anspruch 11 zwischen dem Summenpunkt der Eingangsschaltung und dem Summenpunkt-abseitigen Eingangsanschluss geschalteten Widerstände wird eine einfache Verstärkungskorrektur der stromabhängigen Verluste im Mess- signalübertrager ausgeglichen.
• Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung eines Hilfsenergie-gestützten Signaltrenners anhand der beigefügten Zeichnung. Diese
• Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild des Trenners mit den funktionswichtigsten Schaltungselementen.
• Wie aus der Zeichnung deutlich wird, gliedert sich die Schaltung für einen Hilfsenergie-gestützten Signaltrenner im Wesentlichen in drei Hauptgruppen von Bauelementen, nämlich eine primärseitige Messsignal-Eingangsschaltung 1, eine primärseitige Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 2 und eine sekundärseitige, mit den vorgenannten Schaltungen durch Übertrager TR1 und TR2 potentialgetrennt gekoppelte Ausgangsschaltung 3.
• Die Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 2 wird an ihren beiden Eingansanschlüssen 4, 5 mit einer Gleichspannung von beispielsweise 24 V beaufschlagt. Diese Spannung versorgt einen Zerhacker Z1, der aus dieser Gleichspannung in üblicher Weise eine Wechselspannung generiert. Diese wird vom Ausgang des Zerhackers Z1 auf die Primärwicklung des 1 : 1- Übertragers TR2 gelegt, um potentialgetrennt auf dessen Sekundärseite übertragen zu werden.
• Zwei Kapazitäten C1, C2 sind jeweils zwischen dem positiven bzw. negativen Eingangsanschluss 4 bzw. 5 der Einspeisungsschaltung 2 und dem dem Ausgang des Zerhackers Z1 abgewandten Anschluss des Übertragers TR2 geschaltet.
• Zusammenfassend überträgt der freilaufende Zerhacker Z1 die zerhackte Versorgungsspannung von der Hilfsenergie-Einspeisungsschaltung 2 auf die Ausgangsseite.
• Dort wird die zerhackte Hilfsenergie-Versorgungsspannung mithilfe einer üblichen Anordnung von Gleichrichterdioden D10, D11 gleichgerichtet und mithilfe der Kapazitäten C3, C4 geglättet. An den Ausgängen 6, 7 der Gleichrichterschaltung D10, D11 steht damit eine vom Eingang potentialgetrennte Hilfsenergie für die Ausgangsschaltung 3 zur Verfügung.
• Letztere weist neben dem beschriebenen sekundärseitigen Teil des Ubertragers IR 2 mit den Kondensatoren C3, C4 und den Gleichrichterdioden D10 und D11 ferner mehrere Hauptgruppen auf. Es ist dies zum einen eine so bezeichnete Modulatorschattung 8, eine Live-zero-Schaltung LZ sowie eine Strom/Spannungs-Bereichsumschaltung 9, die vor den Ausgangsanschlüssen 10, 11 angeordnet ist. Die Live-zero-Schaltung LZ ist üblicher Bauart und beispielsweise in der Patentschrift DE 34 12 843 C3 der Anmelderin beschrieben.
• An den Ausgängen 6, 7 der Gleichrichterschaltung D10, D11 sind in Reihe die Modulatorschaltung 8 mit einem Zerhacker Z2, die Live-zero- Schaltung LZ und der Ausgang 10, 11 der Ausgangsschaltung 3 geschaltet. Der Zerhacker Z2 liegt dabei mit seinem positiven Ausgangsanschluss mod+ und seinem negativen Ausgangsanschluss mod- wiederum über zwei Kondensatoren C5, C6 am einen sekundärseitigen Anschluss des 1 : 1- Übertragers TR1 zwischen Messsignal-Eingangsschaltung 71 und Ausgangsschaltung 3. Der Wechselausgang des Zerhackers Z2 ist mit dem zweiten Übertrager-Anschluss verbunden, sodass sekundärseitig durch den Zerhacker Z2 eine Wechselspannung erzeugt wird, die rückwärts über den Übertrager TR1 zur Messsignal-Eingangsschaltung 1 übertragen und dort als Hilfsenergie genutzt werden kann.
• Der Modulatorschaltung 8 ist ferner ein Transistor T2 zugeordnet, zwischen dessen Basis und der positiven Versorgungsspannung eine Zener- Diode D2 geschaltet ist. Die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T2 liegt zwischen dem negativen Anschluss mod- des Zerhackers Z2 und der Live-zero-Schaltung LZ. Mithilfe des Transistors T2 und der Zener-Diode D2 wird die die Modulatorschaltung 8 betreibende Spannung konstant gehalten, was einen noch zu erörternden Effekt erzielt.
• Die Eingangsschaltung 1 weist zwei Eingangsanschlüsse 12, 13 auf, an denen ein praktisch beliebiges Messsignal, wie beispielsweise ein Dead- zero- oder Live-zero-Stromsignal, ein 0-10-V-Normspannungssignal oder andere Signalströme und -spannungen angelegt werden können, wie sie etwa von Widerstandsmessungen, thermoelektrischen Messkreisen usw. herrühren können. Kernstück der Eingangsschaltung 1 ist ein Verstärker A1, der mit dem negativen Eingangsanschluss 12 über einen Widerstand R1 verbunden ist. Die Versorgung des Verstärkers A1 erfolgt durch eine entsprechende Verbindung mit den Ausgängen der aus den Gleichrichterdioden D13, D14 mit Glättungskondensatoren C7, C8 bestehenden Gleichrichterschaltung, die der primärseitigen Wicklung des Übertragers TR1 vorgeschaltet ist. Damit wird die rückwärts von der Ausgangsschaltung her übertragene Wechselspannung gleichgerichtet und als Versorgungsspannung der Eingangsschaltung 1 zur Verfügung gestellt.
• Zur Übertragung des am Eingang anstehenden Messsignals weist nun die Eingangsschaltung 1 weitere Schaltelemente auf. So ist der Ausgang des Verstärkers A1 mit der Basis eines Transistors TT verbunden, dessen Emitter zum einen - je nach Stellung einer Schaltweiche S1 - über einen Widerstand R2 mit dem negativen Eingangsanschluss 12 verbindbar ist. Der Kollektor des Transistors T1 ist mit dem einen Ausgang 14 der Gleichrichterschaltung D13, D14 verbunden. Ferner ist der Ausgang des Verstärkers A1 beziehungsweise die Basis des Transistors T1 über eine Leuchtdiode D3 mit dem positiven Eingangsanschluss 13 der Eingangsschaltung 1 verbunden. Dieser begrenzt die Basisspannung des Transistors T1 und damit auch den Modulatorstrom Die Überlastbegrenzung ist dabei so eingestellt, dass eine unzulässige Temperaturerhöhung der gesamten Baugruppe verhindert wird.
• Zwischen dem Emitter des Transistors T1 und dem positiven Eingangsanschluss 13 der Eingangsschaltung 1 ist ferner ein weiterer Widerstand R3 geschaltet. Ein Widerstand R4 liegt zwischen dem positiven Eingangsanschluss 13 und einem Abgang U der Schaltweiche 51.
• Bevor auf die Funktion des Signaltrenners eingegangen wird, soll zur Vervollständigung noch die Ausgangsschaltung 3 in ihrer Beschreibung komplettiert werden. So ist vor den Ausgangsanschlüssen 10, 11 ein als Impedanzwandler wirkender Verstärker A2 vorgesehen, der durch eingangs- und ausgangsseitige Schaltweichen S2, S3 aktiviert werden kann. Versorgt wird der Verstärker A2 über die an den Ausgängen 6, 7 des Gleichrichters D10, D11 zur Verfügung gestellte Hilfsenergie. Dem Verstärker A2 ist ein Widerstand R6 vorgeschaltet, der im noch näher zu erläuternden Spannungsmodus des Ausgangs aktiv wird.
• Die Funktion der Signaltrenner-Schaltung ist nun wie folgt zu erläutern:
  In der beigefügten Zeichnung ist die Schaltung im Strom/Strom-Modus dargestellt, das heißt, dass ein am Eingang 12, 13 anliegendes Stromsignal in ein entsprechendes Stromsignal am Ausgang 10, 11 der Ausgangsschaltung 3 übertragen wird.
• Der Verstärker A1 regelt in der in der beigefügten Zeichnung dargestellten Stellung der Schaltweiche S1 den Summenpunkt 16 am Eingang 12 auf Nullspannung (0 V). Damit ist die am Widerstand R2 abfallende Spannung ein Maß für den Messsignal-Eingangsstrom der Primärseite des Übertragers TR1. Für Stromsignale hat die Eingangsschaltung 1 einen Innenwiderstand von nahezu 0 Ohm, da es sich vom Typ her um keinen Shunt handelt. Dieses erwähnte Laststromsignal wird auf die Sekundärseite übertragen und dort in Form des Ausgangsstromes Iout abgebildet. über die Ausgangsanschlüsse 10, 11 fließt also ein dem Eingangsstrom über die Eingangsanschlüsse 12, 13 entsprechender Strom, der potentialgetrennt übertragen wurde. Etwaige Verstärkungsfehler durch Verluste in der Modulatorschaltung 8 werden dabei durch den Widerstand R3 kompensiert, da an diesem Widerstand die gleiche Spannung abfällt wie am Widerstand R2. Ferner werden der Stromanteil, den die Messsignal-Eingangsschaltung 1 benötigt, und die konstanten Verluste der Modulatorschaltung 8 im Bereich der Ausgangsschaltung 3 kompensiert, indem der Strom Iq subtrahiert wird.
• Soll der Eingang auf Spannungsmodus umgestellt werden, so ist die Schaitweiche S1 in die Stellung U zu bringen. Dann fließt durch den Widerstand R4 ein der Eingangsspannung proportionaler Strom, der in der vorher beschriebenen Weise auf die Ausgangsseite des Trenners übertragen und dort an den Ausgangsanschlüssen 10, 11 in Form eines für den Eingangsstrom repräsentativen Ausgangsstroms abgegriffen werden kann. Dabei ist auch bei diesem Eingangsmodus die oben erörterte Verstärkungsfehlerkompensation wirksam, wenn die Widerstände R4 und R2 gleich dimensioniert sind.
• Soll am Ausgang 10, 11 eine Spannung abgreifbar sein, so wird durch Umschalten der Schaltweichen S2, S3 in die Stellung U der Verstärker A2 aktiviert. Der Ausgangsstrom Iout wird dabei als Spannung am Vorwiderstand R6 abgenommen und vom Verstärker A2 an den Ausgangsanschlüssen 10, 11 impedanzgewandelt ausgegeben.

Claims (11)

1. Hilfsenergie-gestützter Signaltrenner für Messsignale, insbesondere Dead- oder Live-zero-Messsignale, umfassend

- eine primärseitige Messsignal-Eingangsschaltung (1),

- eine davon potentialgetrennte, primärseitige Hilfsenergie- Einspeisungsschaltung (2) mit einem primärseitigen Zerhacker (21),

- eine sekundärseitige, von der Messsignal-Eingangs- (1) und Hufsenergie-Einspeisungsschaltung (2) jeweils durch Übertrager (TR1, TR2) potentialgetrennte Ausgangsschaltung (3) mit einem Gleichrichter (D10, D11) für die übertragene Hilfsenergie, gekennzeichnet durch

- eine mit einem sekundärseitigen Zerhacker (22) versehene, vom Hilfsenergie-Gleichrichter (D10, D11) gespeiste Modulatorschaltung (8) in der sekundärseitigen Ausgangsschaltung (3), die dem Übertrager (TR1) für das Messsignal derart nachgeschaltet ist, dass

- über den Übertrager (TR1) in Rückrichtung eine potentialgetrennte Einspeisung der Hilfsenergie in die Messsignal- Eingangsschaltung (1) erfolgt und gleichzeitig

- der Modulatorschaltung (8) das zu übertragende Messsignal in Form eines dafür repräsentativen Laststromsignals aufgeprägt ist, das in der Ausgangsschaltung (3) zu einem entsprechenden Ausgangssignal gewandelt wird.

2. Signaltrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung über der Modulatorschaltung (8) mit einem Spannungsbegrenzer konstant gehalten ist.

3. Signaltrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsbegrenzer durch eine Transistorschaltung (T2) mit beiderseitiger Zener-Diode (D2) realisiert ist.

4. Signaltrenner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung eines an der Messsignal- Eingangsschaltung (1) anstehenden Strom-Messsignals ein über eine Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (T1) rückgekoppelter Eingangsverstärker (A1) vorgesehen ist, der zur Laststromaufprägung einen Summenpunkt (16) am Schaltungseingang (12) auf Nullspannung regelt.

5. Signaltrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur bertragung eines an der Messsignal-Eingangsschaltung (1) anstehenden Spannungs-Messsignals durch eine Schaitweiche (S1) initiiert das Spannungs-Messsignal in ein entsprechendes Laststromsignal zur Übertragung umsetzbar ist.

6. Signaltrenner mindestens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine der Basis des Transistors (T1) vorgeschaltete Leuchtdiode (D3) als Überlastschutz.

7. Signaltrenner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausgabe eines Spannungs-Messsignals an der Ausgangsschaltung (3) das eingeprägte Laststromsignal mittels eines ausgangsseitigen Impedanzwandlers (A2) in das Spannungs-Messsignal wandelbar ist.

8. Signaltrenner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgangsseitige Impedanzwandler (A2) durch jeweils eine Schaitweiche (S2, S3) an seinem Eingang und Ausgang zur Generierung eines Spannungs-Messsignals aktivierbar ist.

9. Signaltrenner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Übertrager (TR1, TR2) ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 1 aufweisen.

10. Signaltrenner nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Eingangsanschlüsse (12, 13) der Eingangsschaltung über eine Schottky-Diode (D12) gekoppelt sind.

11. Signaltrenner mindestens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine aus zwei Widerständen (R2, R3) zwischen dem Summenpunkt (16) und dem Summenpunkt-abseitigen Eingangsanschluss (13) der Eingansschaltung (1) bestehende Spannungsteilerschaltung, deren Mittenabgriff mit dem Emitter des Transistors (T1) verbunden ist, um eine Verstärkungskorrektur durchzuführen.