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Schaltungsanordnung zur Abgabe einer symmetrischen Bus Rangs sT,annung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Abgabe einer frequenzvariablen,
massepotentialfreien und symmetrischen Ausgangs spannung über den Ausgangskreis
eines Geräts der elektrischen Meß- und Nachrichtentechnik unter Verwendung eines
den Ausgangskreis von den übrigen Schaltungsteilen galvanisch trennenden Bauteils.
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Bekannte Schaltungen dieser Art weisen einen Ausgangsübertrager mit
galvanisch getrennter Sekundärwicklung auf, über die die Ausgangsspannung mit dem
gewünschten Pegel abgegeben wird. Dabei werden jedoch die oftmals nebeneinander
bestehenden und einander teilweise widersprechenden Forderungen nach einem großen,
möglichst konstanten Ausgangspegel der abæugebenden Spannung, einem von ihr zu überstreichenden,
großen Frequenzbereich und einem kleinen Innenwiderstand des Ausgangskreises wegen
der Eigenschaften des Ausgar.gstransformators nur unvollständig erfüllt Bei größer
werdendem Ausgangspegel verringert sich nämlich der überstreichbare Frequenzbereich
infolge eines Ansteigens der unteren Grenzfrequenz ganz wesentlich, wenn keine großen
Schwankungen des Ausgangspegels zugelassen werden. Die genannten Forderungen können
zwar umso besser erfüllt werden, je größer der Eisenkern des Ausgangstransformators
gewählt wird, doch gelangt man auf diese Weise bald zu einer durch den Raumbedarf
und das Gewicht des Transformators gegebenen oberen Grenze, die aus Gründen der
Praktikabilität nicht mehr überschritten werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art in der Weise zu verbessern, daß gerade den genannten
Forderungen in einem wesentlich höheren Maße entsprochen wird als bisher.
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Dies wird ertindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Bauteil aus einem
Ausgangstransformator mit galvanisch getrennter Sekundärwicklung besteht, dessen
Primärseite die abzugebende Spannung mit einem solchen Pegel ugeführt wird, daß
die sekundärseitige Klemmenspannung nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung
beträgt, und daß die Kiemmenspannung in einem vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential
des Geräts freigeschalteten und eine eigene, entsprechend freigeschaltete Betriebsspannungsversorgung
aufweisenden Verstärker mit großem Eingangs- und insbesondere kleinem AusgangswiderstarXd
auf die gewünschte Ausgangsspannung verstärkt und sodann dem Geräteausgang zugeführt
wird.
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Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht insbesondere darin,
daß die Kombination der galvanisch getrennten Sekundärwicklung mit einem nachgeschalteten,
von dem Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts auch hinsichtlich
seiner Spannungsversorgung freigeschalteten Verstärker es erlaubt, den Ausgangstransformator
mit einem stark reduzierten Pegel der abzugebenden Spannung zu beaufschlagen und
seinen Sisenkern infolgedessen so zu dimensionieren, daß auch extreme Anforderungen
hinsichtlich des Pegels, des Frequenzbereichs und des Innenwiderstandes des Ausgangskreises
mit einem verretbaren Aufwand an Konstruktionsraum und Gewicht zu realisieren sind.
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Gemäß weiterer Erfindung besteht das den Ausgangskreis von den übrigen
Schaltungsteilen galvanisch trennende Bauteil
aus einem opto-elektronischen
Koppler, dessen Eingang die abzugebende Spannung über einen Spannungs-Strom-Wandler
mit einem solchen Pegel zugeführt wird, daß seine ausgangsseitige Klemmenspannung
nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung beträgt, wobei die Klemmenspannung
in einem vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts freigeschalteten
und eine eigene, entsprechend freigeschaltete Betriebsspannungsversorgung aufweisenden
Verstärker mit großem Eingangs- und insbesondere kleinem Ausgangswiderstand auf
die gewünschte Ausgangs spannung verstärkt und sodann dem Geräteausgang zugeführt
wird. Hiermit wird erreicht, daß eine untere Frequenzgrenze der abzugebenden Spannung
entfällt und die Schaltung auch zur Abgabe von Spannungen sehr kleiner Frequenzen
oder von Gleichspannungen geeignet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einigen in der Zeichnung
dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt: Fig.
1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Ausgangs-übertrager und einem nachgeschalteten
Verstärker, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Ausgangsübertrager
und einem nachgeschalteten Gegentaktverstärker, Fig. 3 ein Ausfahrungsbeispiel mit
einem opto-elektronischen Wandler und Fig. 4 ein weiteres Ausfahrungsbeispiel in
Form einer Gegentaktschaltung mit zwei opto-elektronischen Wandlern.
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In Fig. 1 ist ein Gerät der elektrischen Meß- und Nachrichtentechnik
durch sein Gehäuse 1 angedeutet. Ein Ausgangskreis,
der von den
übrigen Schaltungsteilen des Geräts durch einen Ausgangsübertrager 2 galvanisch
getrennt ist, soll eine vom Massepotential des Geräts unabhängige und symmetrische
Ausgangsspannung Ua über die den Geräteausgang bildenden Klemmen 3 abgeben. Dabei
kann Ua entweder in irgendeiner herkömmlichen Weise von einer über eine Eingangsklemme
4 gegen Masse zugeführten Eingangsspannung Ue abgeleitet oder in ebenfalls herkömmlicher
Weise im Gerät 1 selbst erzeugt werden.
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Im ersteren Fall handelt es sich bei dem Gerät 1 beispielsweise um
einen Verstärker, im letzteren um einen Generator.
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In Fig. 1 sind diese beiden Anwendungsfälle in der Weise angedeutet,
daß eine am Schaltungspunkt 5 auftretende Spannung Ul entweder von einer mit der
Eingangsspannung Ue beaufschlagten Verstärkerstufe 6 geliefert wird oder von einer
Generatorschaltung 7, wobei nur jeweils eine dieser Alternativen für ein bestimmtes
Gerät 1 in Betracht kommt. Dementsprechend sind für den Fall eines Verstärkers die
Schaltungsteile 4, 5 und 6 mit voll ausgezogenen Leitungen anstelle der gestrichelten
zu verbinden und die Generatorschaltung 7 sowie die gestri chelte Verbindungsleitung
von 7 nach 5 wegzulassen, während im Falle eines Generators die Leitung von 7 nach
5 voll auszuziehen ist und die Schaltungsteile 4 und 6 einschließlich der sie mit
5 verbindenden Leitungen entfallen. Die einpolig an das Massepotential des Gehäuses
gelegte Verstärkerstufe 6 ist mit einer Betriebsspannungsversorgung 8 versehen,
die eine auf das Massepotential bezogene, also unsymmetrische Betriebsspannung Ub1
liefert. In analoger Weise ist der Generatorschaltung 7 eine die Betriebsspannung
Ub2 erzeugende Betriebsspannungsversorgung 9 zugeordnet, wobei 7 und 9 ebenfalls
einpolig an Masse gelegt sind.
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Mittels einer entsprechenden Dimensionierung der vor dem Schaltungspunkt
5 befindlichen, durch die Bezugszeichen 6 bis 9
lediglich angedeuteten
Schaltungsteile des Geräts 1 wird nun im Einklang mit der Erfindung die der Primärwicklung
des Ausgangsübertragers 2 zugeführte Spannung U7 so bemessen, daß die an 10 abgreifbare
Klemmenspannung U2 der Sekundärwicklung nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung
Ua beträgt. Die Klemmenspannung U2 wird sodann in einem nachgeschalteten Verstärker
11 mit einem hochohmigen und frequenzunabhängigen Eingangswiderstand auf den gewünschten
Ausgangspegel von Ua verstärkt. Dabei wird zweckmäßigerweise ein Differenzverstärker
11 mit einer durch die Widerstände R1 und R2 bestimmten Verstärkung verwendet, dessen
invertierender Eingang über R1 an das obere Ende der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators
2 geschaltet ist, während sein nicht invertierender Eingang am unteren Ende der
Sekundärwicklung liegt. Der Verstärkerausgang ist mit den Ausgangsklemmen 3 des
Geräts 1 beschaltet. Die über die Leitung 12 zugeführte Betriebsspannung Ub3 des
Differenzverstärkers 11 wird von einer Betriebsspannungsversorgung 13 geliefert,
die vom Massepotential oder einem sonstigen Bezugspotential der übrigen Schaltungsteile
des Geräts 1 vollständig unabhängig ist. Über einen ohmschen Spannungsteiler R3,
R4 wird Ub3 geteilt und definiert so am nicht invertierenden Eingang und an der
unteren Ausgangsklemme 3 des Differenzverstärkers 11 ein Potential, das aber ebenfalls
nicht vom Massepotential oder einen sonstigen Bezugspotential der übrigen Schaltungsteile
abhängt. Der Gegenkopplungswiderstand R2 des Differenzverstärkers 11 kann 2;km Zwecke
einer Amplitudenänderung von Ua auf unterschied-1 che erte umgeschaltet werden,
was beispielsweise durch die Parallelschaltung eines Widerstandes R2' über einen
Arbeitskontakt 14 erfolgt.
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Der Fegelunterschied von U2 und Ua bringt es mit sich, daß -auch extreme
Anforderungen an die abgegebene Spannung Ua
hinsichtlich ihres Ausgangspegels,
des überstreichbaren Frequenzbereiches und des frequenzabhängigen Pegelfehlers beim
Ausgangstransformator 2 nur solche Ubertragungseigenschaften voraussetzen, die mit
einem Eisenkern vertretbarer Größe ohne weiteres erfüllt werden können. Etwaige
frequenzabhängige Schwankungen des zwischen den Klemmen 10 gemessenen Transformatorwiderstandes
fallen durch die Parallelsohaltung des hochohmigen Eingangswiderstandes des Verstärkers
11 praktisch nicht mehr ins Gewicht. Ein an den Klemmen 3 zu fordernder, kleiner
Widerstand des Ausgangskreises, der einen belastungsunabhangigen Ausgangspegel von
Ua gewährleistet, ist durch eine Ausbildung des Verstärkers 11 als Impedanzwandler
erzielbar, ohne daß die übertragungseigenschaften des Ausgangstransformators 2 hiervon
beeinflußt werden. Die Spannung Ua ist sowohl symmetrisch als auch massepotentialfrei,
so daß den Klemmen 3 ein Stromkreis mit einem beliebigen Bezugspotential nachgeschaltet
werden kann.
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In Fig. 2 ist ein anderes Ausfahrungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
bei dem der dem Ausgangsübertrager 2 nachgescha1-tete Verstärker in Gegentaktschaltung
aufgebaut ist. Im einzelnen besteht er aus zwei Differenzverstärkern 15 und 16,
deren invertierende Eingänge über die Widerstände R5 und R6 und Kopplungskondensatoren
Cl und C2 an die Enden der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators 2 geschaltet
sind.
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Ihre nicht invertierenden Eingänge liegen an einem vom Masse-oder
einem sonstigen Bezugspotential des Geräts 1 freigeschalfetten Mittelabgriff 17
der Sekundärwicklung von 2, dessen Poential durch den Teilungspunkt des ohmschen
Spannungsteilers R7 und R8 von der Betriebsspannung Ub3 abgeleitet wird.
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Die Betriebsspannungen der Differenzverstärker 15 und 16 werden über
einander parallel geschaltete Leitungen 18 und 19 zugeführt, die mit der vom Masse-
oder einem sonstigen Bezugspotential
des Geräts 1 freigeschalteten
Betriebsspannungsversorgung 13 verbunden sind. Die übrigen Schaltungsteile der Fig.
2, die mit den bereits in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen versehen sind, entsprechen
den dort dargestellten nach Aufbau und Wirkungsweise.
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Bei einer ausgeführten Versuchsschaltung ergab sich für einen Ausgangspegel
der Spannung Ua von 26 dB und für einen Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 kHz ein
Pegelfehler von unter 1 . Weiterhin wurde mit einer Schaltung nach Fig. 2 eine Unsymmetriedämpfung
von mehr als 60 dB erzielt. Dabei wurde der Ausgangsübertrager 2 lediglich mit einem
zu übertragenden Pegel von - 20 dB belastet.
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Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht zunächst linksseitig
vom Schaltungspunkt 5 den bisher beschriebenen Schaltungen. Die an 5 liegende, entweder
über die Verstärkerstufe 6 von der Eingangs spannung Ue abgeleitete oder durch die
Generatorschaltung 7 im Gerät 1 erzeugte Spannung U1 wird in einem als Spannungs-Strom-Wandler
geschalteten Differenzverstärker 20 mit zwei Widerständen Ra, zwei Widerstanden
Rb und einer die unsymmetrische Betriebsspannung Ub5 liefernden Betriebsspannungsversorgung
20a, die ebenso wie 20 einpolig am Massepotential von 1 liegt, in einen proportionalen
Strom I1 umgesetzt, der die eingangsseitige, lichtemittierende Diode 21 eines opto-elektronischen
Kopplers 22 aussteuert. Mit der lichtemittierenden Diode 21 ist eine Fotodiode 23
optisch gekoppelt, die in Abhängigkeit von der vorliegenden Beleuchtungsstärke einen
Fotostrom unterschiedlicher Stromstärke abgibt. Dieser steuert einen Transistor
24, dessen Emitterstrom am ausgangsseitigen Widerstand 25 einen Spannungsabfall
U3 hervorruft. U3 wird in einem nachgeschalteten Differenzverstärker 26 auf die
gewünschte Ausgalgsspannung Ua verstärkt,
die an den Ausgangsklemmen
3 abgreifbar ist.
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Der zwischen der Fotodiode 23 und den Ausgangsklemmen 3 liegende Ausgangskreis
des Geräts 1 ist wieder von dem Masse-oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts
völlig freigeschaltet. Diese Forderung ist auch an die Betriebsspannungsversorgung
27 zu stellen, die eine entsprechend freigeschaltete Betriebsspannung Ub4 erzeugt.
Ub4 wird einerseits dem Differenzverstärker 26 über eine Leitung 28 zugeführt und
andererseits an die endseitigen Anschlüsse eines Potentiometers 29 gelegt, dessen
Abgriff so eingestellt wird, daß das Potential an dem mit ihm verbundenen, nicht
invertierenden Eingang von 26 einen Wert erreicht, der den von 23 erzeugten Ruhestrom
bzw. den hierdurch hervorgerufenen Spannungsabfall am Widerstand 25 kompensiert.
Der nicht invertierende Eingang von 26 ist mit der unteren Ausgangsklemme 3 verbunden,
während der invertierende Eingang -über den Widerstand R9 mit dem emitterseitigen
Ende des Widerstandes 25 und über den Widerstand R10 mit der oberen Ausgangsklemme
3 beschaltet ist. Die Widerstand de R9 und R10 definieren dabei in herkömmlicher
Weise durch ihre Werte die Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers 26.
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Die Dimensionierung der Schaltung nach Fig. 3 wird so vorgenommen,
daß die Spannung U3 am Ausgang des opto-elektronischen Kopplers 22 nur einen Bruchteil
des Pegels der an den Klemmen 3 abzugebenden Spannung Ua beträgt, wobei die Anhebung
des Pegels von U3 auf den gewünschten Pegel von Ua mit Hilfe des Differenzverstärkers
26 erfolgt. Durch den reduzierten Pegel von U3 wird erreicht, daß die nichtlinearen
Verzerrungen des Bauteils 22 hinreichend klein gehalten werden. Die Schaltung nach
Fig. 3 ist auch zur Abgabe von Spannungen Ua sehr niedriger Frequenzen oder von
Gleichspannungen geeignet.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die
Schaltung nach Fig. 3 zu einer Gegentaktschaltung erweitert. Hierbei sind zwei opto-elektronische
Koppler 22' und 22"der bereits beschriebenen Art vorgesehen, die durch Ströme I1'
und I1" angesteuert werden Die letzteren werden von der an der Schaltungsklemme
5 liegenden Spannung Ul, die in gleicher Weise abgeleitet bzw. erzeugt wird wie
nach den Figuren 1 bis 3, über zwei Verstärkerstufen 30 und 31 und diesen nachgeschalteten
Spannungs-Strom-Wandlern 20' und 20" abgeleitet. Die Wandler 20' und 20" entsprechen
dabei nach Aufbau und Wirkungsweise dem Wandler 20 in Fig. 3. Ul wird dem invertierenden
Eingang des Verstärkers 30 und gleichzeitig dem nicht invertierenden Eingang des
Verstärkers 31 zugeführt, wobei in 30 eine Phasenumkehr erfolgt, die eine Gegentakt-Ansteuerung
der beiden Wandler 20' und 20" und der nachgeschalteten opto-elektronischen Koppler
22' und 22" bewirkt.
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Für die Verstärkerstufen 30 und 31 und die Wandler 20' und 20" ist
eine Betriebsspannungsversorgung 32 vorgesehen, die eine unsymmetrische Betriebsspannung
Ub6 liefert. Andererseits liegen die Stufen 30, 31, 20' und 20" jeweils über einem
ihrer Eingänge direkt oder über einen in Serie dazu geschalteten Widerstand am Massepotential
des Geräts 1. An den ausgangsseitigen Widerständen 25' und 25" der Koppler 22t und
22" treten zueinander gegenphasige Spannungen U3' und U3" auf, die jeweils dem invertierenden
Eingang von nachgeschalteten Differenzverstärkern 33 und 34 zugeführt werden. Ihre
Betriebsspan nung Ub7 wird von einer Betriebsspannungsversorgung 35 geliefert, die
wiederum vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspo tential des Geräts 1 freigeschaltet
ist. Ub7 wird einerseits über einen ohmschen Spannungsteiler R11, R12 und R13 und
andererseits über einen Spannungsteiler R11, R14 und R13 geteilt.
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Dabei sind die Widerstände R12 und R14 als Potentiometer ausgebildet,
deren Abgriffe jeweils mit den nicht invertierenden Eingängen von 33 und 34 beschaltet
sind und so eingestellt werden, daß die Ruheströme der Bauteile 22' und 22" bzw.
die durch sie hervorgerufenen Spannungsabfälle US' und U3 jeweils kompensiert werden.
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Die Spannungen U3' und U3" sind gegenüber dem gewunschten Ausgangspegel
von Ua so weit reduziert, daß die nichtlinearen Verzerrungen der Bauteile 22' und
22" hinreichend klein gehalten werden, wobei die Anhebung der Pegel von U3' und
U3" auf den gewünschten Ausgangspegel mit Hilfe der Differenzverstärker 33 und 34
erfolgt. Die Schaltung nach Fig. 4 zeichnet sich durch eine besonders hohe Unsymmetriedämpfung
an den Ausgangsklemmen 3 aus, die bei einem ausgeführten Schaltungsbeispiel oberhalb
von 60 dB lag.
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Die anhand der Figuren 3 und 4 beschriebenen opto-elektronischen Koppler
22, 22' und 22" stellen lediglich spezielle Ausführungsformen dar, die ohne weiteres
durch andere Typen dieser Bauelemente ersetzt werden können, beispielsweise durch
solche, bei denen eine Fotodiode mit einem Fototransistor optisch gekoppelt ist.
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7 Patentansprüche 4 Figuren