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Netzteil für elektrische Verstärker mit Die vorliegende Erfindung
betrifft den Aufbau des erdfreiem Betrieb Netzteils erdfrei betriebener elektrischer
Verstärker, wie sie für schwache physiologische Aktionsspannungen, z. B. Verstärker
für Elektrokardiographen und Elektroenzephalographen benötigt werden.
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Für die hier zu betrachtenden Verhältnisse ist von zweierlei Betriebsvoraussetzungen
auszugehen. Zunächst wird Berührungssicherheit für die genannten Geräte verlangt,
damit Isolationsschäden des Gerätes nicht zu Gefahrenquellen für die bedienenden
Personen und für den Patienten beim Einsatz in der medizinischen Diagnostik werden
können. Schutzisolierte Geräte mit einer auf hohe Spannungen geprüften Isolationsschicht
zwischen Netz- und Anwendungsteil erfüllen diese Bedingungen, soweit es sich um
die Vorsorge gegen Isolationsschäden des gleichen Gerätes handelt. Damit aber auch
bei gleichzeitigem Berühren eines schadhaften Fremdgerätes und des fraglichen Verstärkergerätes
kein leitender Stromkreis von einer Netzader über das schadhafte Fremdgerät, den
leitenden Körper des Berührenden und über das geerdete Gehäuse des Verstärkers zur
Erde geschlossen werden kann, ist es erstrebenswert, daß die sonst zur Entstörung
vorhandene Erdleitung entbehrlich wird.
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In dieser Hinsicht haben batteriebetriebene Verstärker einen wesentlichen
Vorteil gegenüber netzbetriebenen Verstärkern, weil sie ohne Erdleitung auskommen.
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In zweiter Hinsicht ist ein störfreier Betrieb des Verstärkers anzustreben,
was bedeutet, daß durch elektrische Felder im Meßobjekt erzeugte Störspannungen
und durch kapazitive Kopplung mit dem Versorgungsnetz verursachte Spannungseinstreuungen
unterdrückt werden. Beide Ursachen lassen im Meßobjekt einen Störstrom und damit
entsprechend dem Produkt zwischen seiner Größe und dem Innenwiderstand ein Störspannungssignal
entstehen, das sich dem Meßsignal überlagert. Bei batteriebetriebenem Verstärker
würde durch Erdung der Null-Leitung der Störeinfluß vergrößert werden, weil nämlich
der von der Netzleitung über die Koppelkapazität zum Meßobjekt und von da zur Erde
gebildete Störstromkreis durch die Erdleitung niederohmiger und somit der Störstrom
und die Störspannung im Meßobjekt größer würde. Anders liegen dagegen die Verhältnisse
bei einem netzgespeisten Verstärker. Hier wäre eine Erdleitung erwünscht, um mittels
ihr den durch kapazitive Kopplung vom Netz zum Verstärkergehäuse erzeugten Störstrom
am Patienten vorbeileiten zu können.
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Es ist bekannt, die störende Netzkopplung mittels eines statischen,
an Netz-Null gelegten Schirmes für die Primärwicklung des Netztransformators zu
vermeiden. Da für das Verständnis vorliegender Erfindung wesentlich, werden die
sich einstellenden Verhältnisse zunächst an Hand der F i g. 1, einer schematischen
Schaltungsskizze beschrieben. Das Meßobjekt 1, bei Elektrokardiographen z. B. ein
Patient, ist über Körperelektroden und Leitungen 4 und 5 mit dem Eingang
des Verstärkers 7 verbunden, der die verstärkten Meßsignale an das Anzeige- oder
Registriergerät 8 liefert. Das Gerät soll vom Wechselspannungsnetz 13 über ein Netzteil
2 gespeist werden, wobei die Primärwicklung P des Netztransformators 12 gegenüber
der Sekundärwicklung S und den übrigen elektronischen Organen durch einen leitenden,
an Netz-Null liegenden Schirm 14 abgeschirmt ist. Auf die Sekundärwicklung S folgen
ein Gleichrichter 15 und Glättungskondensatoren l6, an deren Klemmen die
Betriebsgleichspannung abgenommen wird. Miteinander leitend verbundene metallische
Gehäuse 4 a und 4 b umschließen Verstärker 7 und Netzteil 2 und bilden zusammen
mit der Eingangselektrode 4 das Bezugspotential »Verstärker-Null«, und zwar nicht
an Erde gebunden, die mit 10 bezeichnet ist. Die Erdkapazität des Meßobjektes ist
mit Cm und diejenige des Verstärkergehäuses mit Cv angegeben. Obwohl der
Schirm 14 die Netzkopplung von der Primärwicklung P zum Verstärkergehäuse und zu
Verstärker-Null vermeidet, verbleibt eine oft verkannte Wirkung der Sekundärwicklung
S. Es besteht nämlich noch ein Störstromkreis, der beginnend von der Sekundärwicklung
S als Wechselspannungsquelle über die zum Schirm 14 auftretende Koppelkapazität
Cs, Null-Leitung 131, Erde 10, Koppelkapazität Cm zwischen Meßobjekt
und Erde, die an das Meßobjekt 1 angeschlossene Null-Leitung 4 und
Verstärkergehäusen 4 a
und 4 b zur Sekundärwicklung zurückführt.
Dabei wird der Störstrom zwischen Cfn und Cv im Verhältnis ihrer Kapazität geteilt.
Die Koppelkapazität Cm bewirkt einen Wechselspannungsabfall im Objekt, der vom Verstärkereingang
aufgenommen und verstärkt wird.
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Nach dem bekannten Stand der Technik wird versucht, diesen restlichen
Störeinfluß mittels eines zweiten, mit Verstärker-Null verbundenen Schirmes zu beseitigen,
der zwischen der Sekundärwicklung S und dem Primärwicklungsschirm 14 verläuft. Die
Koppelkapazität Cs wird in sich kurzgeschlossen und wird als Störspannungsquelle
unwirksam. Der Verstärker kann dann ohne Erde störfrei betrieben werden. Ähnlich
können in an sich bekannter Weise die von anderen Wechselspannung führenden Organen
bewirkten Koppelkapazitäten durch Schirmung unterdrückt werden.
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Ziel dieser Erfindung ist es nun, nicht nur die eingangs beschriebenen
beiden Hauptforderungen zu erfüllen, sondern auch die bei der zuletzt erwähnten
Ausbildung vorhandene aufwendige und störanfällige Beschirmung von Bauteilen zu
vereinfachen. Bei zweifacher Schirmung des Netztransformators besteht nämlich eine
Schlußgefahr zwischen den beiden Schirmen oder zwischen ihnen und den Wicklungen.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4 näher beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 eine Schaltungsskizze mit den Verhältnissen der Störeinkopplungen
bei Netzspeisung des Verstärkers, F i g. 2 die Schaltung des Netzteiles des Verstärkers,
insbesondere des Netztransformators, F i g. 3 eine einfache Skizze zur Verdeutlichung
der Fähigkeit dieser Schaltung zur Selbstsymmetrierung und F i g. 4 schematisch
die Anordnung der Sekundärwicklung in mehreren Lagen bei einem Netztransformator
mit Ringkern.
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Ein Netzteil nach F i g. 2 besteht aus einem Transformator 12 mit
mittelangezapfter Sekundärwicklung S, die einen aus vier Dioden aufgebauten Zweiwegbrückengleichrichter
15a in Graetzschaltung speist. Nach dem Gleichrichter folgt noch vor dem schematisch
angedeuteten Verstärker 7 ein Ladekondensator 16 zur Glättung des gleichgerichteten
Speisestromes oder mehrerer solcher Kondensatoren. Die Primärwicklung P liegt mit
der heißen Leitung 13 a und der geerdeten Leitung 13 b am Wechselstromnetz
13. Der Transformatorkern ist schematisch mit 12a angedeutet. Ein die Primärwicklung
P umgebender leitender Schirm 14 unterdrückt eine kapazitive Störkopplung zwischen
der Primärwicklung und dem das Bezugspotential darstellenden Verstärkergehäuse
4 a, 4 b oder 24, indem er mit dem Zweig 19 an der kalten Netzleitung
13 b liegt. Ein Umschalter 18 dient zur Auffindung der Null-Leitung 13 b des Netzes.
Dagegen ist die Null-Leitung 24 des Verstärkers voraussetzungsgemäß nicht geerdet.
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Um eine kapazitive Störkopplung zwischen den Speisestromleitungen
des Verstärkers und Erde zu unterdrücken, wird die Sekundärwicklung erdsyminetrisch
ausgebildet. Dadurch ergeben sich kapazitive Verhältnisse bei der Sekundärwicklung,
wie F i g. 3 schematisch veranschaulicht. Bei einer einlagigen Sekundärwicklung
wäre die Symmetrie bereits insoweit gewährleistet, als die neben den beiden Hauptanzapfungen
20 und 21 vorhandene Mittelanzapfung 22 durch die kapazitive Kopplung
an den geerdeten Schirm 14 zwangläufig auf Nullpotential bleibt, während
die beiden Wicklungshälften S1 und S2 gegensinnig ausgesteuert werden. Bei dem üblichen
mehrlagigen Aufbau gelingt nun ebenfalls eine geometrische und damit kapazitive
Symmetrierung der Sekundärwicklung S zum Schirm 14, wenn die Sekundärwicklung verschränkt
symmetrisch, wie in F i g. 2 schematisch gezeigt, ausgelegt wird. Dazu stehen an
sich mehrere Möglichkeiten zur Verfügung, die aber im Prinzip dem Aufbau gemäß F
i g. 2 und in der praktischen Ausführung dem Aufbau gemäß F i g. 4 gleichen. Von
der Mittelanzapfung 22 ausgehend werden zunächst über den Kern 12, die in F i g.
4 nicht gezeigte Primärwicklung P und über die sie umhüllende Schirmwicklung 14
der Wicklungsteil S la mit einer oder mehreren Lagen in einem Wickelsinne, dann
anschließend die Wicklungsteile S 2 a und S 2 b im entgegengesetzten Wickelsinne
mit entsprechend vielen Lagen aufgewickelt. Dann folgt am Schluß der Wicklungsteil
S1b wiederum im erstgenannten Wicklungssinne. Diese Reihenfolge kann sich auch noch
mehrmals wiederholen.
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Durch diesen Aufbau ist die geometrische und kapazitive Symmetrie
der Wicklungshälften gegenüber dem Schirm 14 und damit gegenüber Erde ge" währleistet.
Darüber hinaus befähigt er in ausreichenden Grenzen zur Selbstsymmetrierung. Wenn,
wie beabsichtigt, die Kapazitäten C1 und C2 der Wicklungshälften, die man sich an
den Enden der Wicklungen gegen den darunterliegenden Schirm 14
angreifend
denken kann, -gleich groß sind, dann tritt zwangläufig zwischen Mittelanzapfung
22 und Schirm 14 in keiner Wechselstromphase eine Spannung auf. Wäre nun z. B. C2
größer als C1, verschöbe sich der spannungslose »kalte« Punkt etwas nach rechts
zur Wicklungshälfte S2. Von ihm aus gesehen wäre dann der rechte Wicklungsteil für
die Aufsummierung der dynamischen Gesamtkapazität C2 und diese selbst kleiner geworden,
so daß dadurch der kalte Punkt wieder an die Mittelanzapfung heranrücken würde.
Der sich ausbildende Gleichgewichtszustand kompensiert somit eine vorhandene Unsymmetrie,
welche vielleicht noch entstehen könnte, obwohl zur Erzielung einer ausreichenden
Spannungsfestigkeit und zur Schutzisolation im allgemeinen der ganze Transformator
mit erhärtendem Gießharz vergossen wird, das dem gesamten Transformator einen starren
Aufbau verleiht und die anfänglichen Symmetrieverhältnisse im allgemeinen wahrt.
Des weiteren wird aber mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ein vollständiges Durchtränken
mit Gießharz erleichtert, weil jetzt ein zweiter Schirm zwischen beiden Wicklungen
fehlt.
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Da, wie oben schon erklärt, die kapazitiven Störspannungen der Sekundärwicklungshälften
gegenüber Schirm 14 und Erde entgegengesetzt gleich groß sind, führt die Mittelanzapfung
keine Störspannung und die Null-Leitung 24 des Verstärkers, abgesehen von der hier
außer Betracht bleibenden gleichgerichteten halben Arbeitsspannung gegenüber Erde,
jeweils nur die Hälfte der über dem Ladekondensator 16 noch stehenden »Brummspannung«,
die um so kleiner ist, je größer seine Kapazität bzw. die Zeitkonstante der
Entladung
ist. Während der Durchlaßphasen der Gleichrichterbrücke 15a kann die durch
die spezielle Wicklungsaufteilung erzwungene Erdsymmetrie in bezug auf die kapazitiv
eingekoppelten Störspannungen nicht dadurch gestört werden, daß die einzelnen Dioden
der Brücke 15 a nicht ganz gleich, ihre Durchlaßwiderstände vielmehr verschieden
sind, weil diese Unterschiede allenfalls Zehntel-Volt-Beträge haben. Hingegen könnten
während der Sperrphase die meist sich stark unterscheidenden Sperrwiderstände der
Gleichrichterzellen im allgemeinen zu einer Erd-Unsymmetrie für die eingekoppelten
Wechselspannungen führen. Dann aber wirkt der Fesselkondensator Cf als Nebenschluß
für die hochohmigen, gesperrten Gleichrichterzellen und fesselt die Null-Leitung
24
des Verstärkers an die störspannungsfreie Mittelanzapfung 22 der Sekundärwicklung
S. Somit wird die Symmetrie der Gleichrichterbrücke gegen Erde für alle auftretenden
Toleranzen ihrer Dioden in jeder Wechselstromphase erzwungen, während sie für den
Transformator durch den vorgeschlagenen Aufbau der Sekundärwicklung erreicht wird.
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Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß es wegen der schwebenden
Schaltungsauslegung des Anwendungsteils des Verstärkers gleichgültig ist, mit welcher
der beiden Speisestromleitungen 23 oder 24
die Mittelanzapfung 22 der Sekundärwicklung
S des Transformators über den Fesselkondensator Cf in Verbindung steht. Gleicherweise
kann die Fesselung auch zu jedem anderen hinter dem Gleichrichter 15 a liegenden
Schaltungspunkt führen, z. B. zu einer Mittelanzapfung des Glättungskondensators
16.
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Die Transformatorbewicklung und die Auslegung des Stromversorgungsteiles
des Verstärkers bewirken, daß Unsymmetriespannungen zwischen der Mittelanzapfung
des Netztransformators und seinem Erdungsschirm um mehrere Größenordnungen kleiner
bleiben als die gesamte Spannungsaussteuerung an der Sekundärwicklung. Bei einer
Spannungsaussteuerung von 250 Volt beispielsweise bleiben so die Störspannungen
kleiner als 1 Volt. Das gilt selbstverständlich nur dann, wenn der Schirm 14 für
die Primärwicklung über den Entstörschalter 18 am kalten, geerdeten Netzpol 13 b
liegt. Aber auch bei einer falschen Stellung des Entstörschalters besteht keine
galvanische Verbindung zwischen dem Verstärker und dem an ihm angeschlossenen Meßobjekt,
bei Elektrokardiographen dem Patienten einerseits und dem Netz oder einer Erdleitung
andererseits, so daß volle Betriebssicherheit gewahrt ist. Der Fortfall eines zweiten
statischen Schirmes zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung des Netztransformators
vereinfacht und erleichtert nicht nur wesentlich den Aufbau und das Vergießen des
Transformators, sondern erhöht auch noch die Betriebssicherheit. Um ein Gerät als
»schutzisoliert« gelten zu lassen, muß nämlich eine Spannungsfestigkeit von 4 kV
zwischen Netz und Anwendungsteil, also auch zwischen der Primärwicklung P und der
Sekundärwicklung S des Netztransformators 12 bestehen. Bei Vorhandensein von zwei
Schirmen wäre es äußerst schwierig, zwischen ihnen den richtigen Isolationsabstand
zu wahren und den Zwischenraum völlig durch das Tränkmaterial auszufüllen, zumal
wenn die Schirmung vollständig statisch dicht, d. h. lückenlos, sein soll. Entfällt
dagegen wie beim erfindungsgemäßen Aufbau ein Schirm, so kann das Gießharz von beiden
Seiten leichter an den einzigen Schirm und in die Zwischenräume zwischen ihm und
den Wicklungen gelangen, wodurch eine hochwertige Isolation sichergestellt ist.
Die mit dem erfindungsgemäßen Aufbau erreichte Störbeseitigung und hohe Betriebssicherheit
sind für die Anwendung von Registrierverstärkern vor allem in der medizinischen
Diagnostik wertvolle Vorteile.