DE2721371A1

DE2721371A1 - Verfahren zur reduktion von verlusten und verbesserung des uebertragungsverhaltens an messwertuebertragern sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2721371A1
Application number: DE19772721371
Authority: DE
Inventors: Bernhard Loetscher
Original assignee: Camille Bauer Messinstrumente AG
Current assignee: Camille Bauer Messinstrumente AG
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1977-05-12
Publication date: 1978-09-07
Also published as: DE2721371B2; CH620537A5; SE7802338L; FR2382678A1; IT7867430A0; IT1109747B

Description

Verfahren zur Reduktion von Verlusten und Verbesserung des Ubertragungsverhaltens an Meßwertübertragern sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Verlusten und Verbesserung des Übertragungsverhaltens an Meßwertübertragern für potentialgetrennte Meßwertübertragung statischer elektrischer Signale, mit transformatorischen Übertragungsmitteln und mit Zerhackermitteln, die so geschaltet sind, daß im Schaltrhythmus der Zerhackermittel ein Feldfluß wechselnder Polarität in den Übertragungsmitteln entsteht sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens, wobei die übertragungsmittel mindestens einen Transformator umfassen, welcher eine mit Zwischenabgriff versehene Primär-

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wicklung aufweist, und wobei die Zerhackermittel zur Schliessung resp. Oeffnung der Stromkreise vom Zwischenabgriff über jeweils einen Teil der Primärwicklung ausgebildet sind.

Bekannterweise bieten sich für die Potentialtrennung bei Messwertübertragern grundsätzlich transformatorische oder optoelektrische Uebertragungsmittel an. Die Verwendung von optoelektrischen Uebertragungsmitteln bedingt, dass Vorverstärker und Offset-Schaltungsmittel vorgesehen werden müssen, um einerseits eine genügende Auflösung, insbesondere bei kleinen zu übertragenden Messwerten sicherzustellen, und um anderseits einen möglichst linearen Kennlinienbereich der optoelektrischen Uebertragungsmittel ausnützen zu können. Um auch im Langzeitverh^lten eine genügende Stabilität des Null-Punktes und der Linearität zu gewährleisten , muss bei der Auslegung und der Auswahl oben erwähnter zusätzlicher Schaltmittel ein grosser Aufwand betrieben werden.

Zur Umgehung der oben erwähnten Schwierigkeiten mit optoelektrischen Uebertragunysmitteln werden herkömmlicherweise transformatorische Mittel eingesetzt.

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Zu diesem Zweck wird ein dem Messwert, sei dies nun eine Spannung oder ein Strom, proportionaler Strom dem Mittelabgriff einer symmetrischen Transformator-Primärwicklung zugeführt und der Stromkreis durch Zerhackermittel abwechselnd über die eine oder andere Hälfte besagter Transformatorwicklung geschlossen. In der Transformator-Sekundärwicklung wird hierdurch eine gleichspannungsfreie Wechselspannung und damit, lastabhängig, ein Strom induziert, welcher nachfolgend einer Gleichrichtung und Glättung unterzogen wird.

Ueblicherweise werden als Zerhacker mindestens ein Schalterpaar vorgesehen, welches komplementär die 5tromrückführungen schliesst und öffnet.

Wie im weiteren erläutert werden wird, bewirkt die abrupte Stromumschaltung relativ grosse Verluste, was zu einer Reduktion des Wirkungsgrades solcher Uebertrager und zugleich, bedingt durch transiente Wechselwirkungen im Transformator, auch zu grösseren Uebertragungsfehlern führt.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die obgenannten Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck zeichnet sie sich dadurch aus, dass man mit den Zerhackermitteln den Induktions-

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Λ m m ^ .

fluss bewirkenden Strom durch die Uebertragungsmittel während einer vorgegebenen Zeitspanne unterbricht, jeweils vor der Polaritätsumschaltung des Induktionsflusses.

Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass den Zerhackermitteln Steuermittel zugeordnet sind, welche mindestens ein Steuersignal zur Ansteuerung der Zerhackermittel abgeben und zwar derart, dass letztere die entsprechenden Stromkreise je abwechselnd schliessen und öffnen, so dass jeweils nur einer geschlossen ist, und dass jeweils vor dem Schliessen eines der Stromkreise beide Stromkreise während vorgegebener Zeit unterbrochen sind.

Bekannterweise bieten sich zwei Möglichkeiten an, die Zerhacker- und Steuermittel zu speisen. Wird eine Fremdspeisung vorgesehen, so erhöht sich dadurch der Schaltungsaufwand für solche Messwertübertrager ganz

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wesentlich, indem zusätzliche Speiseeinheiten vorgesehen werden müssen. Werden die Zerhacker- und Steuermittel mit Eigenspeisung betrieben, so ergeben sich, insbesondere wenn der Messwertübertrager zur Stromübertragung und nicht zur Spannungsübertragung verwendet werden, d. h. praktisch eine Stromquelle ausgemessen werden soll, Schwierigkeiten, indem der Stromeigenverbrauch der Zerhackereinheit den Messstrom verfälscht.

Da ein Teil des Messstromes für die Eigenspeisung abgezweigt wird, wirken die transformatorischen Mittel einerseits und die Zerhacker- und Steuermittel anderseits, als Stromteiler, dessen Teilverhältnis selbstverständlich von der Belastung des Messwertübertragers abhängig ist. Daraus ist ersichtlich, dass bei Messwertübertragern für Ströme die vom Stromeigenverbrauch bedingten Fehler lastabhängig sind. Aus diesem Grund werden Messwertübertrager üblicherweise zur Spannungsübertragung und nicht zur Stromübertragung verwendet, obwohl ein namhaftes Bedürfnis für letztgenannte Ver wendungen besteht.

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Die vorliegende Erfindung bezweckt nun zusätzlich eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens an Messwertübertragern für Gleichstrom vorzuschlagen, wobei die Zerhacker- und Steuermittel vom zu übertragenden Signal eigengespiesen sind, welche die obgenannten Nachteile nur noch in äusserst reduziertem Umfange aufweist. Zu diesem Zwecke zeichnet sie sich dadurch aus, dass für die Speisung Stromquellen vorgesehen sind.

Dadurch wird sichergestellt, dass der Eigenstromverbrauch nicht mehr lastabhängig wird und der verbleibende Messfehler ohne v/eiteres, beispielsweise durch Eichung, berücksichtigt werden kann.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsblockdiagramm eines Messwertübertragers bekannter Ausführung,

Fig. 2 schematisiert die zeitlichen Verläufe des dem Transformator zugeführten Stromes und dessen

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Aufteilung in beide Primärwicklungsteile sowie des resultierenden Transformator-Feldverlaufes, in einem Messwertübertrager gemäss Fig. 1,

Fig. 3 schematisiert die anzustrebenden zeitlichen Verläufe der Ströme in beiden Primärwicklungsteilen und des daraus resultierenden Feldverlaufs sowie des Verlaufs des dem Transformator zugeführten Stromes,

Fig. 4 ein Funktionsblockdiagramm einer Zerhackereinheit zur Erlangung von Strom-/Feld-Verläufen gemäss Fig. 3,

Fig. 5 schematisch den zeitlichen Verlauf der Zerhacker-Steuersignale und des resultierenden Transformator-Stromverlaufs bei einer Zerhackereinheit gemäss Fig. 4,

Fig. 6 eine Realisationsmöglichkeit einer Zerhackereinheit unter Benützung eines herkömmlichen Multivibrators,

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λλ

Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsform der Zerhackereinheit gemäss Fig. 4 für eigengespiesene Messwertübertrager für Gleichströme,

Fig. 8 schematisch eine weitere Schalteranordnung zum Erhalt von Stromverläufen gemäss Fig. 3,

Fig. 9 eine digitale Ausführungsform einer Steuereinheit für die Zerhackerschalter,

Fig. 10 eine mögliche, zeitliche Impulsfolge eines als Steuereinheit für die Zerhackerschalter verwendbaren Oszillators.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines herkömmlichen Messwertübertragers für Gleichstrom oder Gleichspannung aufgezeigt. Der Messwertübertrager- ist über zwei Eingangsleitungen 1 und 3, idealisiert, entweder einer Spannungsoder Stromquelle 5 zugeschaltet. Die erste Eingangsleitung 1 ist einem Mittelabgriff 7 einer symmetrischen Transformator-Primärwicklung 9, mit Wicklungshälften 9a und 9b, zugeführt, welch letztere ihrerseits über Zerhackerschalter S resp. S mit der Rückführleitung 3 verbunden a D

sind. Die Zerhackerschalter S und S. sind Teil einer

a b

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Zerhackereinheit 11, welche zudem eine Steuereinheit 13 zur Ansteuerung der Zerhackerschalter umfasst. Die Zerhackereinheit 11 kann über eine Speiseleitung 15 fremdgespiesen, oder, wie dies mit der gestrichelten Leitung 17 angedeutet ist, eigengespiesen sein. Den Eingangsleitungen 1 und 3 wird ein dem zu übertragenden Messwert proportionaler Strom I zugeführt. Die beiden Zerhackerschalter S und S,

a ο

werden durch die Steuereinheit 13 komplementär angesteuert, so dass ununterbrochen der Strom I abwechselnd durch je eine der Mmärwicklungshälf ten 9a oder 9b zur Rückführleitung 3 fliesst. Dadurch wird in einer Transformator-Sekundärwicklung 19 eine Wechselspannung induziert, welche einer Gleichrichtereinheit 21 zugeführt und anschliessend in einem Tiefpass 23 geglättet, einen der Belastung entsprechenden Ausgangs-Gleichstrom I ergibt.

Ohne vorerst auf die Verwendbarkeit dieses Messwertübertragers für Strom- oder Spannungsmesswerte einzugehen, soll anhand von Fig. 2 der grundsätzliche Verlauf der Strom- und Feldgrössen beleuchtet werden.

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Als komplementäre Schalter bieten sich herkömmlicherweise astabile Multivibratoren an, deren Schalttransistoren mit mehr oder weniger steilen Schaltflanken schalten, wobei ein Schalter entweder geschlossen oder geöffnet ist, der andere dazu komplementär.

Seien die beiden Zerhackerschalter S und S, von Fig.

ab

beispielsweise Schalttransistoren, so werden, bei komplementärer Ein/Aus-Ansteuerung, durch die entsprechenden Wicklungshaiften der Transformator-Primärwicklung abwechselnd Ströme I, und I_? fliessen. Dabei sollen in Fig. 2 die stark vergrösserten Schaltzeiten, die Transistor-Schaltzeiten verdeutlichen, welche mit der induktiven Belastung durch die Transformatorwicklungen, über die Eigenschaltzeiten der Transistoren hinaus verlängert werden.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird somit beispielsweise der Zerhackerschalter S bereits mehr oder weniger

leitend geschaltet, bevor der Zerhackerschalter S sperrend geschaltet ist und umgekehrt. Durch das Leitendwerden des einen Schalters und Sperrendwerden

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des anderen Schalters im gleichen Umschaltzeitraum T entsteht im Transformator ein sich rasch änderndes Feld H. Bekannterweise bewirkt dies entsprechend der Steilheit eine relativ grosse induzierte Spannung. Diese ist selbstverständlich lastabhängig und führt zu einem verhältnismässig grossen Magnetisierungsstrom im Transformator, welcher seinerseits Messfehler hervorruft. Unter diesem Aspekc ist es anzustreben, die induzierte Spannung als solche möglichst zu verringern, da sie, insbesondere bei der Verwendung des Messwertübertragers für Spannungsübertragung, nur geringfügig durch die Belastung verringert werden kann. Bei der Verwendung zur Uebertragung von Strömen kann die induzierte Spannung weitgehend durch niederohmige Belastung verringert werden, wobei trotzdem anzustreben ist, sie von vornherein möglichst klein zu halten.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie die induzierte Spannung reduziert werden kann, wobei zugleich eine zusätzliche Verlustverringerung bewirkt wird.

Wird der eine Schalter erst eine Zeitspanne Z

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später leitend geschaltet als der andere Schalter sperrend geschaltet wurde, so ergeben sich Stromverläufe durch die beiden Hälften 9a und 9b der Primärwicklung 9 entsprechend den Strömen I₁, und I , von Fig. 3. Dadurch, dass die Abschalttransiente eines Schalters von der Einschalttransientendes anderen Schalters zeitlich getrennt ist, ergibt sich eine wesentlich verringerte Steilheit der Feldveränderung im Transformator. Dadurch wird die induzierte Spannung, theoretisch um den Faktor zwei, gegenüber der aus den Verlaufen von Fig. 2 resultierenden, verringert, wodurch die durch den Magnetisierungsstrom hervorgerufenen Uebertragungsfehler des Messwertübertragers stark reduziert werden.

Da während den Totzeitspannen C weder der eine noch der andere der Schalter S und S, leitend geschaltet

ab ^

ist, wird der dem Messsignal proportionale Strom I während dieser Zeit C ebenfalls unterbrochen. Während in Fig. 2 idealisiert, ein konstanter Gleichstrom I dem Mittelabgriff 7 zugeführt wird, sinkt dieser Strom I¹ in Fig. 3, während den Totzeiten *» auf Null ab. Daraus ist ersichtlich, dass sowohl die dem Uebertrager zugeführte Leistung, wie auch die Verlustleistung, durch

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die vorgenannten Massnahmen bedingt, absinken. Gesamthaft betrachtet, ergibt sich ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad des Uebertragers, nebst einer massgeblichen Verringerung der Uebertragungsfehler.

In Fig. 4 ist beispielsweise ein Funktionsblockdiagramm
einer Schaltung dargestellt, die sich dazu eignet, Schaltfunktionen zur Erlangung der in Fig. 3 aufgezeigten Stromverläufe zu realisieren. Werden komplementäre Ausgangssignale, entsprechend Rechtecksimpulsen, eines Oszillators 25 z. B. eines Multivibrators je in Integrationseinheiten
27 aufintegriert und die so aufintegrierten Signale je einer schwellwert-empfindlichen Einheit 9 als Eingangssignale u. resp. u_ zugeführt, welche dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn ihr Eingangssignal einen, vorzugsweise beiden Schwellwerteinheiten 29 gleich vorgegebenen Schwellwert S erreicht, und wird ihr Ausgangssignal a resp. b dazu verwendet, die

Zerhackerschalter S und S, anzusteuern, so wird der Strom-

a D

verlauf durch die entsprechenden Transformator-Primärwicklungshälften den angestrebten Verlauf annehmen.

In Fig. 5 sind die beiden aufintegrierten komplementären
Ausgangssignale als Impulszüge mit rampenförmigen Im-

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pulsen u. und u aufgezeigt. Diese beiden Signale werden den schwellwert-empfindlichen Einheiten 29 zugeführt. Somit entstehen als Steuersignale für die entsprechenden Zerhackerschalter die in Fig. 5 idealisiert aufgezeigten Schaltsignale a resp. b. Zwischen den Transienten der Zerhackerschalter ergibt sich eine Totzeit U , wodurch, wie in Fig. 5 gezeigt, auch der Transformatoreingangsstrom I¹ zerhackt wird.

Bei der beschriebenen Stromzerhackung mit Totzeit muss vermieden werden, dass die Messstromzerhackung auf die auszumessende Quelle 5 (Fig. 1) rückwirkt. Dies wird, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, durch ein Tiefpassglied 31 erreicht. 1st dieses Tiefpassglied 31 schon bei komplementär betriebenen Zerhackerschaltern ohne Totzeit vorzugsweise vorzusehen, so ist es jetzt, wenn zwischen den Schalttransienten Totzeiten ι- vorgesehen sind, absolut notwendig.

Fig. 6 stellt eine erste Realisationsmöglichkeit des Blockschaltbildes von Fig. 4 dar. Dabei sind die Teile, welche denjenigen von Fig. 1 entsprechen, mit den

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gleichen Bezugszeichen versehen.

Als Steuereinheit 13 resp. Oszillator 25 für die Zerhackerschalter S und S, ist ein astabiler Multi-

a b

vibrator 30 vorgesehen, in der üblichen Grundschaltung dargestellt. Auf seine Funktionsweise soll nicht näher eingegangen werden, da es sich dabei um eine allgemein bekannte Schaltung handelt. Der Multivibrator 30 ist zwischen die Rückführleitung 3 und die Speiseleitung geschaltet, wobei, wie dies analog zu Fig. 1 ebenfalls gestrichelt angedeutet ist, auch eine Eigenspeisung über die Leitung 17 vorgesehen sein kann, was allerdings , ohne weitere Massnahmen, die Genauigkeit der Uebertragung beeinträchtigen kann.

Bekannterweise weisen die Kollektorströme I der MultivibratortransistorenTR 1 und TR 2 relativ gut rechteckförmige, komplementäre Verläufe auf. Bei herkömmlichen Messwertübertragern konnten deshalb besagte Schalttransistoren des Multivibrators 30 direkt als Zerhackerschalter verwendet werden. Zur Erlangung der in Fig. 3 aufgezeigten Stromverläufe durch die Transformator-Primärwicklung 9, kann die Tatsache ausgenützt werden, dass sich die Kollektor-Emitterspannung

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der Transistoren TR 1 und TR 2, beim Sperrendschalten dieser Elemente, nicht abrupt verändert, sonderndass ihre Anstiegszeit durch den Umladeprozess des Kondensators C über den entsprechenden Kollektorwiderstand R gegeben ist. Wird ein solcher Multivibrator in herkömmlichen Schaltungen verwendet, so wird man bestrebt sein, den Ko.llektorwiderstand R möglichst niederohmig zu wählen, um die Spannungsschaltsteilheit zu verbessern.

Gemäss Fig. 4 wird jedoch angestrebt, möglichst mit wenig zusätzlichen Schaltelementen ein Impuls mit rampenähnlichen Anstiegsflanken zu erzeugen, entsprechend u, oder u Zu diesem Zweck wird der Kollektorwiderstand R wesentlich hochohmiger gewählt, so dass die Kollektor-Emitterspannung des jeweils sperrend schaltenden Transistors nur langsam ansteigt. Die daraus resultierenden Kollektor-Emitterspannungen der Multivibratortransistoren TR 1 und TR 2 werden dazu ver wendet, die in Fig. 6 mit Transistoren TR 3 und TR 4 beispielsweise realisierten Zerhackerschalter S resp.

S. anzusteuern. Zu diesem Zweck ist der Kollektor b

beider Transistoren TR 1 und TR 2 mit der Basis eines der Zerhackertransistoren TR 3 und TR 4 verbunden.

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Besagte Kollektoren sind weiter mit den entsprechenden Endabgriffen der Transformator-Primärwicklung 9, die Emitter je über einen Emitterwiderstand R mit der Rückführleitung 3 verbunden. Durch die Strom-Spannungsgegenkopplung der Zerhackertransistoren TR 3 resp. TR 4 über die Emitterwiderstände R_ wird bewirkt, dass ihre

Basis-Emitter-Steuerspannung, über die Flussspannung u_

steigen muss, bevor sie leitend geschaltet werden. Durch diese Gegenkopplung wird also praktisch die schwellwertempfindliche Einheit 29 realisiert, wobei der Schwellwert weitgehend durch das Mass der Gegenkopplung bestimmt ist.

Wenn bei der in Fig. 6 aufgezeigten Schaltung Schwierigkeiten bezüglich des Anschwingens des Multivibrators entstehen, kann an dessen Stelle eine Schaltung vorgesehen sein, in welcher beide Transistoren Arbeitspunkte im aktiven Bereich aufweisen und nicht in die Sättigung resp. in den Cut-Off-Bereich getrieben werden. Dies kann beispielsweise durch einen emittergekoppelten, astabilen Multivibrator realisiert werden.

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An dieser Stelle muss festgehalten werden, dass die Idee, die Steuerspannung für die Zerhackerschalter S , S, an einem integrierenden Bauelement a D

eines herkömmlichen Multivibrators abzugreifen, an einer Vielzahl bekannter Multivibratorschaltungen realisiert werden kann.

Wie oben erwähn', worden ist, ist es anzustreben, die Zerhackereinhoit eigengespiesen zu betreiben.

Wie aus Fig. 6 nun ersichtlich, ist dies bei der Verwendung herkömmlicher Multivibratoren dann ohne besondere Probleme möglich, wenn der Messwertübertrager zur Uebertragung von Spannungen verwendet wird. Wird der Messwertübertrager zur Uebertragung von Gleichströmen verwendet, so wird durch die Belastung des Messwertübertragers das Teilerverhältnis von Transformator- und Zerhnckereinheitsstrom verändert, so dass dadurch lastabhängige Fehler entstehen.

In Fig. 7 ist eine Schaltung dargestellt, welche eine eigengespiosene Zerhnckereinheit an einem Messwertübertrager für Gleichstrom darstellt. Grundsätzlich unter-

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scheidet sich die in Fig. 7 vorzugsweise vorgeschlagene Schaltung von derjenigen in Fig. 6 darin, dass die Zerhackereinheit Über Stromquellen gespiesen wird, welche einen lastunabhängigen Strom erzeugen und somit sicherstellen, dass auch der zu messende Strom belastungsunabhängig wird. Auch in dieser Fig. sind die in Fig. verwendeten Positionszeichen für entsprechende Teile übernommen.

Analog zu Fig. 1 ist eine erste Zuführleitung 1 für den zu übertragenden Gleichstrom I dem Mittelabgriff der symmetrischen Transformator-Primärwicklung 9 zugeführt. Dieser Strom I wird über die zwei Zerhackerschalter S und S. auf die Rückführleitung 3 ge-

el D

schaltet. Das Tiefpassglied 31 am Eingang des Messwertübertragers ist als 77*-Glied mit einem Längswiderstand R₁ und zwei Querkondensatoren C- und C_ ausgebildet. Die Sekundärwicklung 19 des Transformators ist mit der Gleichrichtereinheit 21, mit zwei Dioden G. und G_ verbunden, welcher ein wiederum als I) -Glied ausgebildeter Tiefpass 23 nachgeschaltet ist, mit einem Längswiderstand R und zwei Querkondensatoren C₃ und C₄.

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Die Zerhacker-Steuereinheit 13 besteht aus einem astabilen Multivibrator, mit zwei Schalttransistoren T. und T . Ihre Emitter sind auf die Rückführleitung 3 geschaltet. Da die beiden Schalttransistoren T- und T_ symmetrisch beschaltet sind, wird im weiteren lediglich die Beschaltung von T beschrieben. Seine Basis-Emitterstrecke ist durch einen Kondensator C₁. überbrückt. Die Basis ist weiter über einen Kondensator

C mit dem Kollektor des zweiten Schalttransistors ο

T verbunden. In Analogie zur Kollektor-Stromzuführung über den Kollektorwiderstand R von Fig. 6, werden den Transistoren T₁ und T_ die Kollektorströme über Stromquellen 41 resp. 42 zugeführt, welche ihren hochkonstanten Strom der Zuführleitung 1 entnehmen. Der Funktion der Umladewiderstände R von Fig. 6 etwa entsprechend werden den Basen der beiden Transistoren T. resp. T_ Ladaströme von zwei' weiteren Stromquellen 43 resp. 44 zugeführt.

Ohne vorerst auf die Ausgestaltung dieser Stromquellen einzugehen, soll im folgenden kurz die Funktionsweise dieses astabilen Multivibrators erläutert werden. Dabei soll vom Einschalten der Vorrichtung ausgegangen werden, das heisst es sollen alle Ladungsspeicher vorerst

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entladen sein.

Da die Basis-Emitterspannungen der beiden Schalttransistoren T. und T ungefähr Null sind, sperren beide.

Die hochkonstanten Ströme I., ^und I.„, der Kollektor-

41 42

Stromquellen 41 und 42, laden die je seriegschalteten Kondensatorpaare aus C_c und C_r auf. Wegen den Exemplar-Streuungen der für die Stromquellen verwendeten Bauelemente, sind dabei die beiden Ströme I.. und I.« nicht exakt

41 42

gleich, ebenso wenig wie die beiden Kondensator-Serieschaltungen. Deshalb wird der Basis-Kondensator C₁. eines der beiden Schalttransistoren zuerst die benötigte Flussspannung u erreichen. Der entsprechende Transistor, beispielsweise T₁ , wird leitend geschaltet. Das Kollektor-Emitterpotential des durchgeschalteten Transistors wird praktisch Null und der einseitig an besagtem Kollektor angeschaltete Kondensator C- mit dem Basis-Kondensator

C_, der der Basis des nichtleitenden Transistors T-zugeschaltet ist,parallel geschaltet.

Da die Kondensatoren C, kleiner dimensioniert sind

als die Kondensatoren C-, hat sich während ihrer Serie-

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schaltung über letzteren eine grössere Spannung aufgebaut, als über ersteren. Wird eines der beiden Paare C₁-F C beispielsweise nun parallel geschaltet, so findet ein Umladeprozess statt, wodurch sich die Spannung am Basis-Emitterkondensator C₁. verringert. Somit wird sichergestellt, dass der nicht leitend geschaltete Transistor T₂ sperrend bleibt. Der Strom I₄₂' ^{der dem} Kollektor des nichtleitenden Transistors T zugeschalteten Stromquelle, lädt nun den einseitig der Basis des leitend geschalteten Transistors T. zugeschalteten Kondensator C,. auf. Dadurch steigt das Potential am Kollektor des nicht-

leitenden Transistors T rampenförmig an. Die Basis-Emitterstrecke des leitend geschalteten Transistors wirkt als Spannungsquelle. Der Strom der Quellen 42 und 43 fliesst über den Basis-Emitterwiderstand dieses Transistors ab. Je nach Grosse, der der Basis zugeführten Ströme, wird dieser Transistor u. U. in die Sättigung getrieben.

Anders als im Beispiel von Fig. 6 , wird hier primär die im entsprechenden Basis-Kondensator C₁. gespeicherte Ladung dazu verwendet, den Kollektor-Basiskondensator

C- umzuladen und nicht ein extern zugeführter Strom, b

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Ist der Umladeprozess abgeschlossen, so wird die Parallelschaltung der beiden Kondensatoren durch den Ladestrom der Stromquelle 44 weiter aufgeladen, und zwar solange, bis die Basis-Emitterspannung des noch sperrenden Transistors T die Flussspannung u erreicht. Beginnt der zweite Transistor T_ zu leiten, so wird sofort ein analoger Umladeproress am zweiten Kondensatorpaar

C_c, C_c eingeleitet, wodurch der vorher leitende Transistor j b

C^ rasch gesperrt wird. Durch Leitendwerden des Transistors T fällt das vorher rampenförmig angestiegene Kollektor-Emitterpotential auf Null zurück und bleibt auf Null, bis in einem nächsten Zyklus T wiederum sperrend geschaltet wird. Die Kollektor-Emitterspannungen weisen somit den angestrebten komplementären Sägezahnverlauf auf, welcher nun für die Ansteuerung der Zerhackerschalter

S resp. S verwendet wird.
a D

Die Zerhackerschalter S und S, sind in Fig. 7 durch

a ο

zwei Darlington-Schaltungen D. und D_ realisiert. Damit muss die Kollektor-Emitterspannung der Multivibrator-Transistoren T. , T im Minimum den doppelten Wert der Flussspannung u erreichen, bis der entsprechende Zerhackerschalter leitend wird. Genügt dieser Wert als

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Schaltschwellwert und die so resultierende Totzeit L nicht, so wird der Eingangstransistor der Darlington-Schaltung mit einem entsprechend bemessenen Emitter-Widerstand R gegengekoppelt.

Um nicht nur einen lastunabhängigen Speisestrom für die Zerhackereinheit bereitzustellen, sondern um diesen Strom an sich auch möglichst klein zu halten, werden als Stromquellen FET-Stromquellen verwendet. Zu diesem Zweck sind zwei FET 4 5 und 46, im Ausführungsbeispiel als selbstleitende n-Kanal-FET dargestellt, je mit einem Gegenkopplungswiderstand R _r versehen, der Zuführleitung 1 angeschaltet.

Bekannterweise wird dabei der Quellenstrom gleich dem Quotienten aus Source-Gate-Spannung und dem Gegenkopplungswiderstand R„„. Der durch den Gegenkopplungswiderstand fliessende Strom wird als Kollektorstrom I.. resp. I._

41 42

dem Multivibrator zugeführt. Zur Bildung der Stromquellen 4 3 resp. 4 4 wird der Drane-Source-Strom des entsprechenden FET's mittels eines Stromteilers aus dem Gegenkopplungswiderstand R„_ und einem Widerstand R_, aufgeteilt.

SG O

Dabei wird der Strom der Quellen 43 und 44 vorzugsweise kleiner als die Kollektorströme I.. und 42 gewählt.

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Durch die Verwendung von FET als Konstantstromquellen wird erreicht, dass ausserordentlich kleine Ströme dem Multivibrator zugeführt werden, welche das Messsignal nur äusserst wenig verfälschen. Dadurch wird auch erreicht, dass die Transistoren T₁ und T₇ nicht in die Sättigung getrieben werden,was ihr Anschwingverhalten und die Grenzfrequenz verbessert.

In Fig. 8 ist eine weitere Schalteranordnung der Zerhackereinheit schematisch dargestellt. Dabei sind die Endabgriffe der Primärwicklungshälften 9a und 9b je einem Schalteranschluss A, C eines dreistufigen Umschalters S , zugeführt. Der Schalter wird von einem der Schalteranschlüsse A oder C auf den anderen über einen Mittelanschluss ungeschaltet. Auf dieser Schalterposition sind die Stromkreise unterbrochen, und die Zeit, in welcher der Schalter in dieser Position verharrt entspricht der Totzeit Γ . Die Funktionsweise eines dreipoligen Umschalters kann ohne weiteres mit elektronischen Schaltern oder elektromechanischen Schaltern realisiert werden.

In Fig. 9 ist eine Schaltungsmöglichkeit einer digitalen Steuereinheit dargestellt. Als Zerhackerschalter können hier z. B. TTL-kompatible Analogschalter verwendet werden.

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Ein Oszillator 50 gibt einen Impulszug e ab, der dem Takt-Eingang eines Flip-Flops 52, beispielsweise einesJK-Flip-Flops zugeführt wird. Das Flip-Flop 52 ist als Frequenzteiler geschaltet und gibt an seinen Q-Ausgang einen Impulszug halber Takt-Frequenz ab. Werden das Taktsignal und das Flip-Flop-Ausgangssignal einerseits in einem ersten UND-Tor 54 zur Bildung eines Ansteuersignals für den ersten Zerhackerschalter S verknüpft, anderseits, in einem zweiten UND-Tor 56, das Takt-Signal e mit dem invertierten Flip-Flop-Ausgangssignal, zur Bildung des Steuersignals für den zweiten Zerhackerschalter, so werden die Schalter je während einer Takt-Impulsbreite leitend geschaltet und während dreier Impulsbreiten sperrend, wobei beide Schalter um zwei Impulsbreiten phasenverschoben angesteuert werden. Somit entstehen auch so die geforderten Totzeiten.

Die in Fig. 10 gezeigte Sequenz von Steuersignalen entspricht grundsätzlich der mit der Schaltung von Fig. erzeugten.

Offensichtlich müssen die Impulszüge so ausgebildet sein, dass die Zerhackerschalter während weniger als die halbe Pulsrepetitions-Periode leitend sind. Die Pulszüge

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müssen dann, für jeweils gleichlange Totzeiten , um die halbe Summe aus Pulsbreite und Periodendauer gegenseitig phasenverschoben sein.

Aus diesen aufgeführten Ausführungsvarianten ist ersichtlich, dass sich dem Fachmann eine Menge weiterer Möglichkeiten anbieten die Zerhackerschalter mit Totzeit-Intervallen anzusteuern. Dabei eignen sich, je nach Messgrössenwerten, sowohl elektronische wie auch elektromechanisch^ Schalter als Zerhackerschalter.

Durch das Trennen der Ab- und Einschalttransienten der Zerhackerschalter bei Messwertübertragern mit transformatorischen Mitteln zur Potentialtrennung, wird somit erreicht, dass wesentlich kleiner^ Verluste entstehen. Dabei ist es vorteilhaft zur Uebertragung von Gleichstromsignalen die Zerhackereinheit über Stromquellen zu speisen, es sei denn, man wähle den wesentlich aufwendigeren Weg der Fremdspeisung. Werden als Stromquellen FET-Strom- quellen verwendet, so wird der dann ohnehin lastunabhängige Fehlerstrom sehr klein und kann durch eine geringfügige Nullpunktverschiebung am Uebertragerausgang problemlos korrigiert werden.

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Claims

1256/ot/wi
6. Mai 1977

272137Ί

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Reduktion von Verlusten und Verbesserung des Übertragungsverhaltens an Meßwertübertragern für potentialgetrennte Meßwertübertragung statischer elektrischer Signale, mit transformatorischen übertragungsmitteln und mit Zerhackermitteln, die so geschaltet sind, daß im Schaltrhythmus der Zerhackermittel ein Feldfluß wechselnder Polarität in den Übertragungsmitteln entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß man mit den Zerhackermitteln den Induktionsfluß bewirkenden Strom durch die Übertragungsmittel während einer vorgegebenen Zeitspanne unterbricht, jeweils vor der Polaritatsumschaltung des Induktionsflusses.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Übertragungsmittel mindestens einen Transformator umfassen, welcher eine mit Zwischenabgriff versehene Primärwicklung aufweist, und wobei die Zerhackermittel zur Schließung resp. Öffnung der Stromkreise vom Zwischenabgriff über jeweils einen Teil der Primärwicklung ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Zerhackermitteln Steuermittel zugeordnet sind, welche mindestens ein Steuersignal zur Ansteuerung der Zerhackermittel abgeben und zwar derart, daß letztere die entsprechenden Stromkreise je abwechselnd schließen und öffnen, so daß jeweils nur einer geschlossen ist, und daß jeweils vor dem Schließen eines der Stromkreise beide Stromkreise während vorgegebener Zeit unterbrochen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackermittel mindestens zwei elektronische und/oder elektromechanische Schalter (S , S. ) umfassen, und daß die Steuermittel (13) mindestens einen Pulsgenerator (oO) um-

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ORIGINAL INSPECTED

1256/ot/wi

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fassen sowie Selektionsmittel (54, 5b), um jeden zweiten Impuls dem einen der Schalter und die dazwisen.^nliegenden, dem anderen Schalter zuzufünren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerhackermittel mindestens zwei elektronische und/oder elektromechanische Schalter (S , S, ) umfassen, una daß die Steuermittel Oszillatormittel· (25, 30) zur Abgabe je eines Steuersignals für die Schalter umfassen, wobei die Steuersignale zwei Impulszüge sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Zer
fassen.

die Zerhackermittel einen Dreistufen-Umschalter (S . ) um-

ao

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Impulszüge (u , u , ) Impulsbreiten kleiner als die

sa so

halbe Pulsrepetitionsperiode aufweisen, und die beiden Impulszüge wenigstens nahezu um eine halbe Pulsrepetitionsperiode zusätzlich einer halben Pulsbreite verschoben sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszüge (U₁, u ) Impulse mit wenigstens angenähert stetigen Aufschaltflanken aufweisen, und daß den Oszillatormitteln (25, 30) schwellwert-empfindliche Mittel (2'J, Ti* 3, TR 4, D1, D2) nachgeschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatormittel mindestens einen astabilen Multivibrator umfassen, und daß weiter Integrationsraittel (R , C;

C,; 27) vorgesehen sind, urn komplementäre Ausgangssignale ο

des Multivibrators aufzuintegrieren.

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9. Vorrichtung nach Anspruch d, dadurch gekennzeichnet, da;} die Integrationsmittel integrierende Scnaltraittel (R , C; C_f) der Multivibratorschaltung selbst sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter Halbleiterschalter sind, und daß diese so gegengekoppelt sind, daß sie selbst als schwellwert-empfindliche Mittel mit vorgegebenem Schwellwert dienen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter Darlington-Schaltungen von Halbleiterschaltelementen umfassen.

12. Vorrichtung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der astabile Multivibrator zwei Schalttransistoren (T₁, Ί.Λ, deren Basis-Emitterstrecke je mit ersten kapazitiven Mitteln (C-) überbrückt sind,umfaßt, wobei die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des andern mit zweiten kapazitiven Mitteln (C₆) verbunden ist, und umgekehrt.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch an Meßwertübertragern für Gleichstrom, wobei die Zerhackerund Steuermittel vom zu übertragenden Signal eigengespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß für die Speisung Stromquellen (41, 42, 43, 44) vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen FET-StromqueIlen sind.