DE3028169A1 - Schaltung zur gleichspannungsuebertragung bei galvanischer trennung der netzwerke - Google Patents

Schaltung zur gleichspannungsuebertragung bei galvanischer trennung der netzwerke

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DE3028169A1
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voltage
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voltage transmission
secondary winding
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Jerzy Dipl Ing Jackowski
Alfred Dr Ing Matusewicz
Andrzej Dipl Ing Pietkiewicz
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Politechnika Gdanska
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Politechnika Gdanska
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/338Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a self-oscillating arrangement
    • H02M3/3381Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a self-oscillating arrangement using a single commutation path

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Gleichspannungs-
  • übertragung bei galvanischer Trennung der Netzwerke.
  • In manchen elektronischen Schaltungen besteht die Notwendigkeit, eine Information über den Wert einer überwachten, zwischen bestimmten Knoten eines Netzwerkes auftretenden Gleichspannung zu einem anderen, galvanisch getrennten Netzwerk zu übertragen. Ein solcher Fall tritt z.B. bei Spannungswandlern auf, in welchen die überwachte Ausgangs spannung mit dem die Steuerschaltung enthaltenden, eingangsseitigen Netzwerk keine galvanische Verbindung hat.
  • Um die Stabilisierung der Ausgangs spannung in solchen Wandlern zu erreichen, soll die Information über den Wert der Spannung in die Steuerschaltung übertragen werden, wobei die galvanische Trennung der Schaltungen gewährleistet wird.
  • Im übrigen sind sogenannte Trennverstärker bekannt, die auf dem Prinzip der Gleichspannungsumformung beruhen. Eine solche Schaltung ist z.B. in "Data Acquisition Products Catalog" 1978, S.
  • 129 der Firma Analog Devices, dargestellt. Ein Trennverstärker schließt einen zwei Eingänge enthaltenden Amplitudenmodulator in sich ein. Einem der Eingänge ist die übertragbare Gleichspannung, dem anderen dagegen eine zusätzliche Wechselspannung einer Trägerfrequenz zugeführt. Die Ausgangsspannung des Amplitudenmodulators ist über einen Trenntransformator einem Kohärenzdemodulator zugeführt, der gleichzeitig auch an eine- Referenzspannung derselben Trägerfrequenz angeschlossen ist. Die Ausgangsspannung des Demodulators ist nach einem Tiefpassfilter linear von der Eingangsspannung des Trennverstärkers abhängig.
  • Ein Nachteil der oben geschriebenen Schaltung besteht in dem komplizierten, aus einigen spezialisierten Bausteinen zusammengesetzten Aufbau, der für die Speisung der Bausteine auch mehrere separate Versorgungsspannungen braucht.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Schaltung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, die es ermöglicht, die Informationen bezüglich des Gleichspannungswertes zu übertragen, indem die galvanische Trennung zwischen der Quelle der überwachten Gleichspannung und dem die Information entnehmenden Netzwerk beibehalten wird.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator zwei stark miteinander gekoppelte Sekundärwicklungen, mit einem das erforderliche Verhältnis der Ausgangsspannung zu der überwachenden Eingangsspannung realisierenden Übersetzungsverhältnis n enthält, wobei die erste Wicklung über eine Gleichrichterdiode an eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Siebkondensator und einer Nutzbelastung, die die übertragene Information entnimmt, angeschlossen ist, und wobei die zweite Wicklung über eine Begrenzungsdiode mit den Klemmen der zu überwachenden Spannung, zwecks der Erzielung eines eindeutigen Zusammenhanges zwischen der Ausgangsspannung und der überwachenden Spannung, verbunden ist.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kreise der Sekundärwicklung mit größerer Windungszahl n Dioden in Reihenschaltung angewendet sind, damit die Temperaturkennlinie des Spannungsübertragungsverhältnisses der Schaltung ausgeglichen wird.
  • Die elektronische Schaltung, deren Aufgabe es ist, periodisch und impulsartig die Energie im Transformatorkern zu ergänzen, kann unmittelbar an die Klemmen der überwachenden Spannung angeschlossen werden. In solchem Fall sind für die Wirkung der Schaltung zur Gleichspannungsübertragung keine zusätzlichen Versorgungsspannungen nötig. Die niedrigste überwachende Spannung, welche für die unmittelbare Einspeisung der elektronischen Schaltung noch nutzbar wird, ist durch die Fähigkeit zur Selbsterregung der für die Tastung des Schalttransistors des Gleichspannungswandlers unentbehrlichen Schwingungen bestimmt. Die erfindungsgemäße Schaltung wirkt bereits bei einer Spannung, die ungefähr 1 V ist. Die erfindungsgemäße Schaltung eignet sich insbesondere zur Anwendung in stabilisierten Spannungswandlern, wo eine galvanische Trennung des Belastungskreises und des Steuerkreises erforderlich ist, um Informationen über die Ausgangs spannung zu dem Steuer- und Regelungskreis zurückzuführen. Die Steilheit der Temperaturabhängigkeit des Spannungsübersetzungsverhältnisses der erfindungsgemäßen Schaltung kann zur Ausgleichung der resultierenden Temperaturkennlinie eines die Schaltung enthaltenden stabilisierten Netzteils ausgenutzt werden.
  • Der Gegenstand der Erfindung wird anhand eines, in der beigelegten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt den Grundschaltplan der Schaltung zur Gleichspannungsübertragung, Fig. 2 zeigt eine der möglichen Lösungen der elektronischen Schaltung, die in Fig. 1 als ein Block dargestellt wird.
  • Die Primärwicklung P des Transformators Tr ist an die elektronische Schaltung E angeschlossen. Der Aufbau und die Wirkung der elektronischen Schaltung E wird anhand des in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispieles im weiteren erklärt.
  • Die erste Sekundärwicklung W1 des Transformators Tr ist über die Gleichrichterdiode D1 an die Parallelschaltung aus einem Siebkondensator Co und einem Lastwiderstand Ro angeschlossen, auf welchen die erwartende Ausgangsspannung Uy auftreten scll.
  • Die zweite Sekundärwicklung W2, die stark mit der ersten Sekundärwicklung W1 gekoppelt ist, ist über die Begrenzungsdiode D2 mit den Klemmen der zu überwachenden Spannung Ux verbunden, die in Fig. 1 mit dem Zeichen einer Spannungsquelle bezeichnet ist. Die Kathode der Begrenzungsdiode D2 ist auf den Pluspol der überwachenden Spannung gerichtet. Die Richtungen der Windungen W1, W2 und P sowie Durchlaßrichtungen der Dioden D1 und D2 sollen so zusammengesetzt werden, daß in der Zeit, wenn die Energieübertragung aus der elektrOnischen Schaltung E in den Transformator Tr infolge des Stromdurchflusses über die Primärwicklung P erfolgt, beide Dioden in dem Sperrzustand bleiben, und daß die beiden Dioden gleichzeitig in den leitenden Zustand eingeführt sind, sobald der Strom in der Primärwicklung unterbrochen wird.
  • Die elektronische Schaltung E ergänzt periodisch und impuls artig die Energie in dem Transformatorkern. Die im Kern gespeicherte Energie ruft simultane Strome in den Kreisen beider Sekundärwicklungen W1 und W2 hervor. Die Spannung über die Sekundärwicklung W2 wird aufgrund der Wirkung der leitenden Begrenzungsdiode D2 von der überwachenden Spannung Ux abhängig. Das hat zur Folge, daß auch die mittels der Sekundärwicklung W1 und der Diode D1 über dem Lastwiderstand Ro erreichte Ausgangsspannung Uy von der Spannung Ux eindeutig abhängig wird. Auf diese Weise wird die Übertragung der Information über den Wert der überwachenden Spannung Ux auf die Klemmen Uy erzielt, wobei die galvanische Trennung der Netzwerke vorbehalten ist.
  • Bei Einsatz ein- und derselben Windungszahl in den Wicklungen W1 und W2 bei Einsatz identischer Dioden D1 und D2 sowie bei einer solchen Auswahl des Lastwiderstandes Ro, daß die Ströme über die Dioden D1 und D2 gleich sind, tritt auf dem Lastwiderstand Ro eine Spannung Uy auf, die genauso groß wie die überwachende Spannung Ux wird. Die Spannungsabfälle über die Dioden D1 und D2, obschon sie temperaturabhängig sind, haben keten Einfluß auf den Wert der Spannung Uy, da die letzte jetzt ausschließlich von dem Wert der Spannung Ux abhängig ist. Die Schaltung ist temperaturausgeglichen.
  • Ist die Erhaltung einer Spannungsübersetzung U = n Ux oder U 1 y y W n Ux erforderlich, so sind die Windungszahlen der Sekundärwicklung W1 = nW2, beziehungsweise W1 = ñ W2 einzusetzen. In dem Falle, daß n eine ganze Zahl ist, kann ein vollständiger Ausgleich des Temperatureinflusses auf die Spannungsübersetzung erreicht werden, wenn man eine Reihenschaltung aus n Dioden in den Kreis der Wicklung mit größerer Windungszahl einsetzt. Falls das erforderliche Übersetzungsverhältnis n keine ganze Zahl ist, soll die Anzahl der reihengeschalteten Dioden in dem Kreise mit größerer Windungszahl größer oder kleiner als n ausgewählt werden. Dabei ist zu überprüfen, bei welcher Anzahl ein günstiger Temperaturausgleich erreichbar wird. Eine weitere Verbesserung des Temperaturausgleiches ist zu erreichen, wenn man unterschiedliche Anzahlen der Dioden sowie ein optimales, mittels Änderung des Lastwiderstandes Ro erreichbares Stronverhältnis in den beiden Sekundärwicklungen auswählt.
  • Es gibt eine große Anzahl von möglichen Ausführungen der elektronischen Schaltung E, deren Aufgabe (gemäß der Darstellung in Fig. 1) ist, periodisch und impulsartig den Energievorrat im Transformatorkern zu ergänzen. Ein beispielsweiser Aufbau und die Wirkung einer elektronischen Schaltung wird anhand der in Fig. 2 gezeigten Ausführung näher erläutert.
  • Die Primärwicklung P des Transformators Tr ist an die elektronische Schaltung E zwischen den Pluspol der Versorgungsspannung und den Kollektor eines Schalttransistors T1 angeschlossen.
  • Zwischen dem Emitter des Transistors T1 und dem Minuspol der Versorgungsspannung befindet sich ein Widerstand R1. Eine Reihenschaltung der Dioden D3 und D4 ist mit der Kathode der Diode D4 an den Minuspol der Versorgungsspannung mit der Anode der Diode D3 an einen Anschluß eines Widerstandes R3 angeschaltet, wobei der zweite Anschluß des Widerstandes mit dem Pluspol der Versorgungsspannung verbunden ist. Die Anode der Diode D3 ist außerdem sowohl mit dem Kollektor des Transistors T2 als auch mit den Widerständen R2 und R3 zusammengeschaltet. Der Emitter des Transistors T2 ist mit der Kathode der Diode D4 verbunden.
  • Der zweite Anschluß des Widerstandes R2 ist mit der Basis des Transistors T1, der des Widerstandes R4 ist mit der Basis des Transistors T2, verbunden. Zwischen der Basis des Transistors T2 und dem Kollektor des Transistors T1 ist eine Reihenschaltung, bestehend aus einem Widerstand R5 und einem Kondensator C1 vorgesehen. Dem Plus- und dem Minuspol der Versorgungsspannung ist ein Blockkondensator parallelgeschaltet.
  • Befindet sich die elektronische Schaltung nach Fig. 2 anfänglich im Gleichgewichtszustand, so ist die Kollektorspannung des Transistor T2 kleiner als die Durchlaßspannungsschwelle der Reihenschaltung der Dioden D3 und D4. Bei dieser Bedingung sind die Transistoren T1 und T2 in den aktiven Zustand eingeführt, was sich, infolge der Wirkung der positiven Rückkopplung über den Zweig C1R5, derart zeigt, daß die elektronische Schaltung als ein Multivibrator schwingen wird. Während der Transistor T1 im leitenden Zustand bleibt, wird die Energie im Kern des Transformators Tr aufgespeichert, und der über die Primärwicklung P und über den Widerstand R1 fließende Strom steigt an. Sobald der Strom einen vorbestimmten Wert erreicht, schaltet sich der Transistor T1 infolge der Begrenzung des Potentials der Basis durch die leitenden Dioden D3 und D4 aus. Das zunehmende Potential des Kollektors des Transistors T1 ist über den Rückkopplungszweig C1R5 der Basis des Transistors T2 zugeführt, was eine stärkere Leitung des Transistors T2, eine Senkung des Basispotentials und einen schnellen Übergang zum gesperrten Zustand des Transistors T1 verursacht. Die im Transformatorkern gespeicherte Energie löst die Ströme in den beiden Sekundärwicklungen W1 und W2 aus, was dem nützlichen Arbeitszyklus der Schaltung zur Gleichspannungsübertragung augrundeliegt. Sobald die Energieabgabe aus dem Kern vollendet wird, nimmt das Kollektorpotential des Transistors T1 ab. Dies wird bei Einwirkung des Rückkopplungszweiges C1 R5 zur Sperrung des Transistors T2 und zur wiederholten Einschaltung des Transistors T1 führen.
  • Für die Wirkung der erfindungsgemäßen Schaltung ohne Bedeutung ist, in welcher Weise die Ergänzung des Energievorrates im Transformatorkern über die elektronische Schaltung erfolgt. Die elektronische Schaltung kann deshalb aus einer zusätzlichen Spannungsquelle U und ebensogut unmittelbar aus der Quelle der zu überwachenden Spannung Ux gespeist werden. Die elektronische Schaltung E kann in der Form eines selbsterregenden, beispielsweise in Fig. 2 gezeigten, Multivibrators ausgeführt sein.
  • Den Schalttransistor, der in Reihe mit der Primärwicklung P des Transformators Tr eingeschaltet ist, kann man auch mittels eines fremden Rechteckgenerators tasten, dessen Frequenz und Tastgrad entsprechend ausgewählt wird.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung zur Gleichspannungsübertragung zeichnet sich durch ihren einfachen Aufbau aus und kann leicht zur Anwendung in einem erforderlichen Bereich der Spannungen U beziehungsweise Uy angepaßt werden.

Claims (3)

  1. Schaltung zur Gleichspannungsübertragung bei galvanischer Trennung der Netzwerke Patentansprüche: 1. Schaltung zur Gleichspannungsübertragung bei galvanischer rennung der Netzwerke in Form eines nach dem Rücklaufprinzip wirkenden Gleichspannungswandlers geringer Leistung ausgeführt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Transformator (Tr) zwei stark miteinander gekoppelte Sekundärwicklungen (W1, W2> mit einem Übersetzungsverhältnis n enthält, von welchen die erste Wicklung (W1) über eine Gleichrichterdiode (D1) an eine Parallelschaltung, bestehend aus einem Siebkondensator (CO) und einer Nutzbelastung (Ro) angeschlossen ist, und von welchen die zweite Wicklung (W2) über eine Begrenzungsdiode (D2> an die klemmen der zu überwachenden Spannung (Ux> angeschlossen ist.
  2. 2. Schaltung zur Gleichspannungsübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kreis der Sekundärwicklung mit größerer Windungszahl n reihengeschaltete Dioden angeordnet sind.
  3. 3. Schaltung zur Gleichspannungsübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (E) unmittelbar an die Klemmen der überwachenden Spannung (U x angeschlossen ist.
DE19803028169 1979-08-15 1980-07-25 Schaltung zur gleichspannungsuebertragung bei galvanischer trennung der netzwerke Withdrawn DE3028169A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014014682A1 (de) * 2014-10-02 2016-04-21 ASD Automatic Storage Device GmbH Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit
EP2450718A3 (de) * 2010-11-09 2017-07-05 The Boeing Company Abtast- und -halteverschaltkreis für Spannungsmessung

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DE102014014682A1 (de) * 2014-10-02 2016-04-21 ASD Automatic Storage Device GmbH Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit
DE102014014682B4 (de) * 2014-10-02 2016-11-17 ASD Automatic Storage Device GmbH Schaltungsanordnung zur Übertragung einer zu messenden Gleichspannung auf eine galvanisch getrennte Auswerteeinheit

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PL127663B1 (en) 1983-11-30

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