DE2431485B2 - Schaltungsanordnung zur gewinnung einer frequenzvariablen, massepotentialfreien und symmetrischen ausgangsspannung in einem geraet der elektrischen mess- und nachrichtentechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Gewinnung einer frequenzvariablen, massepotentialfreien und symmetrischen Ausgangsspannung in einem Gerät der elektrischen Meß- und Nachrichtentechnik unter Verwendung eines den Ausgangskreis von den übrigen Schaltungsteilen galvanisch trennenden Bauteils.

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 abzugübenden Spannung, einem von ihr zu überstreichenden, großen Frequenzbereich und einem kleinen Innenwiderstand des Ausgangskreises wegen der Eigenschaften des Ausgangstransformators 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 um so 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 Praktikabiiität nicht mehr überschritten werden kann.

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. Dies wire erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Bautei aus einem Ausgangstransformator mit galvanisch ge trennter Sekundärwicklung besteht, dessen PrimärseiU die abzugebende Spannung mit einem solchen Pege zugeführt wird, daß die sekundärseitige Klemmen spannung nur einen Bruchteil der gewünschten Aus gangsspannung beträgt, und daß die Klemmenspan nung in einem vom Masse- oder einem sonstiger Bezugspotential des Geräts freigeschalteten und ein* eigene, entsprechend freigeschaltete Betriebsspannungs

Versorgung aufweisenden Verstärker mit großem Eingangs- und insbesondere kleinem Ausgangswiderstand auf die gewünschte Ausgangsspannung verstärkt und sodann dem Geräteausgang zugeführt wird.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil besteht s insbesondere darin, daß die Kombination der galvanisch getrennten Sekundärwicklung mit einem nachgeschalteten, von dem Masse- oder einem sonstigen BezugspuUiiitspi des Geräts auch hinsichtlich seiner Spannungsversorgung freigeschalteten Versiäfker es _ss erlaubt, den Ausgangstransformator mit einem stark reduzierten Pegel der abzugebenden Spannung zu beaufschlagen und seinen Eisenkern infolgedessen so zu dimensionieren, daß auch extreme Anforderungen hinsichtlich des Pegels, des Frequenzbereichs und des Iünenwiderstandes des Ausgangskreises mit einem vertretbaren Aufwand an Konstraktionsraun und Gewicht zu realisieren sind.

Eine andere Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß das den Ausgangskreis von den übrigen Schaltungsteilen galvanisch trennende Bauteil aus einem opto-elektronischen Koppler besteht, dessen Eingang die abzugebende Spannung über einen Spannungs-Strom-Wandler mit einem solchen Pegel zugeführt wird, daß seine ausgangsseitige Klemmen- ^5 spannung nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung beträgt, wobei die Klemmenspannung in einem vom Masse- oder einem sonstigen Bozugspotential des Geräts freigeschalteten und eine eigene, entsprechend freigeschaltete Betriebsspannungsversorgung aufweisenden Verstärker mit großem Eingangsund insbesondere kleinem Ausgangswiderstand auf die gewünschte Ausgangsspannung verstärkt und sodann dem Geräteausgang zugeführt wird. Hiermit wird erreicht, daß eine untere Frequenzgrenze der abzugebenden Spannung entfallt und die Schaltung auch zur Abgabe von Spannungen sehr kleiner Frequenzen oder von Gleichspannungen geeignet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von einigen in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Ausgangsübertrager und einem nachgeschalteten Verstärker,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Ausgangsübertrager und einem nachgeschalteten Gegentaktverstärker,

F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einem opto-elektronischen Wandler und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form einer Gegentaktschaltung mit zwei opto-elektronischen Wandlern.

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. Im ersteren Fall handelt es sich bei dem Gerät 1 beispielsweise um einen Verstärker, im letzteren um einen Generator. In Fig. 1 sind diese beiden Anwendungsfälle in der Weise angedeutet, daß eine am Schaltungspunkt 5 auftretende Spannung i/l entweder von einer mit der Eingangsspannung Ue beaufschlagten VerstärktTStufe 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 Schalt»ingsieUe 4, 5 und 6 mit voll ausgezogenen Leitungen an Stelle der gestrichelten zu verbinden und die Generatorschaltung 7 sowie die gestrichelte Verbindungsleitung von 7 nach 5 wegzulassen, während im Falle eines Generators die Leitung νοη 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 Ub I liefert. In analoger Weise ist der Generatorschaltung 7 eine die Betriebsspannung UbI erzeugende Betriebsspannungsversorgung 9 zugeordnet, wobei 7 und 9 ebenfalls einpolig an Masse gelegt sind.

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 Ui so bemessen, daß die an 10 abgreifbare Klemmenspannung Ul der Sekundärwicklung nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung Ua beträgt Die Klemmenspannung Ul 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 R 2 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 de 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 Gerts 1 vollständig unabhängig ist. Über einen ohmschen Spannungsteiler A3, A4 wird t/33 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 Rl des Differenzverstärkers Jl kann zum Zwecke einer Amplitudenänderung von Ua auf unterschiedliche Werte umgeschaltet werden, was beispielsweise durch die Parallelschaltung eines Widerstandes Rl' über einen Arbeitskontakt 14 erfolgt.

Der Pegelunterschied von Ul 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 Ausgangstransformators 2 nur solche Übertragungseigenschaften voraussetzen, die mit einem Eisenkern vertretbarer Größe ohne weiteres erfüllt werden können. Etwaige frequenzabhängige Schwankungen des zwischen den

Klemmen ΓΟ gemessenen Transformatorwiderstandes fallen durch die Parallelschaltung des hochohmigen Eingangswiderstandes des Verstärkers U praktisch nicht mehr ins Gewicht. Ein an den Klemmen 3 zu fordernder, kleiner Widerstand des Ausgangskreises, der einen belastungsunabhängigen 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.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem der dem Ausgangsübertrager 2 nachgeschaltete Verstärker in Gegentaktschaltung aufgebaut ist. Im einzelnen besteht er aus zwei Differenzverstärkern 15 und 16, deren invertierende Eingänge über die Widerstände RS und R 6 und Kopplungskondensatoren Cl und Cl an die Enden der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators 2 geschaltet sind. Ihre nicht invertierenden Eingänge liegen an einem vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts 1 freigeschalteten Mittelabgriff 17 der Sekundärwicklung von 2, dessen Potential durch den Teilungspunkt des ohmschen Spannungsteilers Rl und Ä8 von der Betriebsspannung Ub3 abgeleitet wird. Die Betriebsspannungen der Differenzverstärker 15 und 16 werden über einander parallelgeschaltete 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. ] verwendeten Bezugszeichen versehen sind, entsprechen den dort dargestellten nach Aufbau und Wirkungsweise.

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

Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht zunächst linksseitig vom Schaltungspunkt 5 den bisher beschriebenen Schaltungen. Die an 5 liegende, entweder über die Vecstärkerstufe 6 von der Eingangsspannung Ue abgeleitete oder durcfa die Generatorschaltung 7 im Gerät 1 erzeugte Spannung Ui wird in einem als Sparunsngs-Strore-Wandler geschalteten Differenzverstärker 28 mit zwei Widerständen Ra, zwei Widerständen Rb und einer die unsymmetrische Betriebsspannang UbS äefernden Betriebsspannungsversorgung 2Ba, die ebenso wie 20 einpolig am Masse- potential von 1 liegt, in einen proportionalen Strom f 1 umgesetzt, der die eängangssertige, lichtemittierende Diode 21 eines opto-etektroniscben Kopplers 22 aussteuert Mit der Ucntemrffierenden Diode 21 ist eine Fotodiode 23 optisch gekoppelt, die in Abhängigkeit von der vorliegenden BeJeuctitungsstärke einen Fotostrom unterschiedliciier Sromsärke abgibt Dieser steuert einen Transistor 24, dessea Emitterstrom am lusgangssertigen Widerstand 25 eisen Spannungsabfall t/3 hervorruft i/3 wird in einem nachgeschalteten Differenzverstärker 26 auf die gewünschte Ausgangsspannung Ua verstärkt, die an des Asgsklemmen 3 ibgreifbar ist

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 i/64 erzeugt. UbA 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 i«! mit der unieren Ausgangsklemme 3 verbunden. während der invertierende Eingang über den Widerstand Ä9 mit dem emitterseitigen Ende des Widerstandes 25 und über den Widerstand R10 mit de r oberen Ausgangsklemme 3 beschaltet ist. Die Widerstände R 9 und rlO definieren dabei in herkömmliche- Weise durch ihre Werte die Spannungsverstärkung de:s Differenzverstärkers 26.

Die Dimensionierung der Schaltung nach Fig. 3 wird so vorgenommen, daß die Spannung i/3 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 i/3 auf den gewünschten Pegel von Ua mit Hilfe des Differenzverstärkers 26 erfolgt. Durch den reduzierten Pegel von i/3 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.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die Schaltung nach Fig. 3 zu einer Gegentaktschaltung erweitert. Hierbei sind zwei optoelektronische Koppler22' und 22" der bereits beschriebenen Art vorgesehen, die durch Ströme IY und II" angesteuert werden. Die letzteren werden von der an der Schaltungsklemme 5 liegenden Spannung i/l, die in gleicher Weise abgeleitet bzw. erzeugt wird wie nach den Fig. 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 F i g. 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-Ansteaerung der beiden Wandler 20' und 20" und der nachgeschalteten opto-elektronischen Koppler 22' and 22" bewirkt

Für die Verstärkerstufen 30 und 31 und die Wandler 20' und 20" ist eine Betriebpungsversorgung 32 vorgesehen, die eine onsymmetrische Betriebsspannung Ub6 liefert Andererseits liegen die Stufen 30, 31, 20' und 20" jewefls ober einem rarer Eingänge direkt oder fiber einen äi Serie dazu geschalteten Widerstand am Massepotential des Geräte 1. An den ausgangsseitigen Widerständen 25* und 25" der KooDler 22' and 22" treten zueinander gegenphasige Spannungen US und UZ" auf, die jeweils dem invertierenden Eingang von nachgeschalteten Diflerenzverstärkem 33 and 34 zugeführt werden. Ihre Betriebsspanniiag UbI wird von einer Betriebssiiessorgung 35 geliefert, die wiederum vom Masse- oder einem soastieen

Bezugspotential des Geräts 1 freigeschaltet ist. UbI wird einerseits über einen ohmschen Spannungsteiler R 11, R 12 und Λ13 und andererseits über einen Spannungsteiler R II, R 14 und R 13 geteilt.

Dabei sind die Widerstände R 12 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 i/3' und i/3"jeweils kompensiert werden.

Die Spannungen i/3' und i/3" sind gegenüber dem gewünschten 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 i/3' und (73" 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.

Die an Hand der Fig. 3 und 4 beschriebenen optoelektronischen Koppler 22,22' und 22" stellen lediglich spezielle Ausführungsformen dar, die ohne weiteres durch andere Typen dieser Bauelemente ersetzt werder können, beispielsweise durch solche, bei denen eine Fotodiode mit einem Fototransistor optisch gekoppel ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Gewinnung einer frequenzvariablen, massepotentialfreien und symmetrischen Ausgangsspannung in einem Gerät der elektrischen Meß- und Nachrichtentechnik unter Verwendung eines den Ausgangskreis von den übrigen Schaltungsteilen galvanisch trennenden Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einem Ausgangstransformator (2) mit galvanisch getrennter Sekundärwicklung besteht, dessen Primärseite die abzugebende Spannung (i/l) mit einem solchen Pegel zugeführt wird, daß die sekundärseitige Klemmenspannung (Ul) nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung (Ua) beträgt, und daß die Klemmenspannung (Ul) in einem vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts (1) freigeschalteten und eine eigene, entsprechend freigeschaltete Betriebsspannungsversorgung (13) aufweisenden Verstärker (11) mit großem Eingangs- und insbesondere kleinem Ausgangswiderstand auf die gewünschte Ausgangsspannung (Ul) verstärkt und sodann dem Geräteausgang (3) zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (11) in Gegentaktschaltung aufgebaut ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Eingänge zweier Differenzverstärker (15, 16) jeweils an die Enden (10) der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators (2) gekoppelt sind und ihre zweiten Eingänge an einem vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts freigeschalteten Mittelabgriff (17) der Sekundärwicklung liegen.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Gegenkopplungswiderstände (Ä2) des Verstärkers (11) zum Zwecke einer Änderung der Ausgangsspannungsamplitude (Ua) auf unterschiedliche Werte umschaltbar sind.

5. Schaltungsanordnung zur Gewinnung einer frequenzvariablen, massepotentialfreien und symmetrischen Ausgangsspannung in einem Gerät der elektrischen Meß- und Nachrichtentechnik unter Verwendung eines den Ausgangskreis von den übrigen Schaltungsteilen galvanisch trennenden Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einem opto-elektronischen Koppler (22) besteht, dessen Eingang die abzugebende Spannung (t/l) über einen Spannungs-Strom-Wandler (20) mit einem solchen Pegel zugeführt wird, daß seine ausgangsseitige Klemmenspannung (i/3) nur einen Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung (Ua) beträgt, und daß die Klemmenspannung (i/3) in einem vom Masse- oder einem sonstigen Bezugspotential des Geräts freigeschalteten und eine eigene, entsprechend freigeschaltete Betriebsspannungsversorgung (27) aufweisenden Verstärker (26) mit großem Eingangs- und insbesondere kleinem Ausgangswiderstand auf die gewünschte Ausgangsspannung (Ua) verstärkt und sodann dem Geräteausgang (3) zugeführt wird.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekenn- ^₅ zeichnet durch einen Aufbau als Gegentalttschaltung, bei der zwei in ihren Eigenschaften einander möglichst weitgehend angeglichene opto-elektronische Koppler (22', 22") über individuell zugeordnete Spannungs-Strom-Wandler (20', 20") mit der abzugebenden Spannung (Ul) beaufschlagt sind, die für einen der Koppler (H¹) zusätzlich über eine Phasenumkehrstufe (30) geführt ist, und bei der jedem der Koppler (22', 22") ein eigener Verstärker (33,34) nachgeschaltet ist

7 Schaltunesanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Koppler (IT, 22") ein Differenzverstärker (33, 34) nachgeschaltet ist, dessen erster Eingang mit der ausgangsseitigen Klemmenspannung (i/3', i/3") des Kopplers (22, 22") beschaltet ist, während sein zweiter Eingang über eine insbesondere einstellbare, an die Betriebsspannungsversorgung (35) des Verstärkers (33,34) angeschlossene Spannungsteilerschaltung (All, R12, R13; RU, Ä14, R13) auf ein Bezugspotential gelegt wird, das den ausgangsseitigen Ruhestrom des Kopplers (22', 22") kompensiert.