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Schaltung für einen Gleichstromübertrager
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen Gleichstromübertrager
zur fehlerfreien Ubertragung eines Gleichstromsignals, bestehend aus Ubertragungsmitteln
und Zerhackermitteln, wobei die tbertragungsmittel einen Transformator umfassen,
dessen Primärseite von einem Signalstrom beaufschlagt wird und bei dem der Stromdurchfluß
des Signalstromes durch die Primärseite periodisch durch die Zerhackermittel beeinflußt
wird, wozu die Schaltung zur Taktvorgabe mit einem astabilen Plultivibrator und
ausgangsseitig mit einer Gleichrichterschaltung sowie einem Siebglied beschaltet
ist.
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solche Gleichstromübertrager sind bekannt (DE-AS 27 21 371).
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Sie werden üblicherweise als 1: bertrager zwischen nicht eigensicheren
und eigensicheren Stromkreisen angeordnet. Es ist bekannt, die Potentialtrennung
mit transformatorischen Übertragungsmitteln zu erreichen, wozu in den Gleichstromübertragern
üblicherweise ein Transformator dient. Bei den bekannten Bauarten ist die Primärseite
des thertra,tlngFtransformators mit einem Mittelabgriffversehen, dem der Signalstrom
zugeführt wird und daher als Eingang der Primärseite dient. Die beiden Enden der
zwei Primärwicklungen sind üblicherweise mit den Kollektoren
zweier
Zerhackertransistoren verbunden, deren Basen von den beiden Ausgängen einer astabilen
Multivibratorschaltung beaufschlagt werden. Im Takt des Multivibrators steuert daher
jeweils einer der beiden Transistoren den Stromfluß des Signalstromes abwechselnd
über eine der beiden Primärwicklungen des Übertragungstransformators. Die hierdurch
induzierte Wechselspannung auf der Sekundärseite des Transformators wird auf dieser
Seite (ausgangsseitig) gleichgerichtet und steht hinter einem Siebglied dem Ausgangs-Stromkreis
zur Verfügung.
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Nachteilig bei diesen bekannten Bauarten ist, daß sie im Gegentaktbetrieb
arbeiten, was einen relativ hohen Kosten-und Materialaufwand zur Folge hat. Zum
ersten muß ein Ubertragungstransformator vorgesehen sein, der einen Mittelabgriff
sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite aufweist; weiterhin muß in
jedem der beiden hierdurch dem Signalstrom zur Verfügung stehenden Signalstromkreis
jeweils ein Zerhackertransistor vorgesehen sein, dessen Basis jeweils auf einen
Ausgang des astabilen Multivibrators geschaltet sein muß. Die Gleichrichtung kann
ausgangsseitig nur über zwei Dioden erreicht werden. Insgesamt ergibt sich dadurch
der recht große Schaltungs- und Materialaufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für einen
Gleichstromübertrager, der eine fehlerfreie Ubertragung ermöglicht, zu schaffen,
die wesentlich billiger und einfacher als die bekannten Gleichstromübertrager realisiert
werden kann.
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vie Erfindung besteht darin, daß eingangsseitig ein Signalstromkreis
vorgesehen ist, in den seriell die Primärwicklung eines Transformators geschaltet
ist und daß in diesem Stromkreis ein elekcrischer Schalter vorgesehen ist, der von
einem astabilen Nultivibrator periodisch angesteuert wird. Der wesentliche Vorteil
eines so beschalteten Gleichstromübertragers liegt darin, daß er im Eintaktbetrieb
arbeitet. Hierzu ist eingangsseitig ein stromkreis vorgesehen, der im wesentlichen
die Primärwicklung des L'ransformators und einen elektrischen Schalter enthält,
der
periodisch geöffnet oder geschlossen wird. Hierzu genügt es, einen Transformator
vorzusehen, der sowohl primärseitig als auch sekundärseitig mit nur einer Wicklung
auskommt. Es ist also kein Mittelabgriff vorgesehen, den die Transformatoren bekannter
Bauarten aufweisen müssen. Der Stromdurchfluß des Signalstromes wird von einem elektrischen
Schalter unterbrochen, der im Takt eines astabilen Multivibrators gesteuert wird.
Der hierdurch von diesem einen Schalter bewirkte periodische Stromdurchfluß des
Signalstromes durch die Primärseite des Transformators bewirkt auf der Sekundärseite
einen von dem Windungszahlverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung abhängigen
Stromfluß, der ausgangsseitig gleichgerichtet wird. Da mit der erfindungsgemäßen
Anordnung keine Umpolung der Stromiurchflußrichtung des Signalstromes im Transformator
vorgesehen ist, genügt es, auf der Sekundärseite nur eine Diode zur Gleichrichtung
vorzusehen. Das Signal liegt dann hinter einem ebenfalls noch vorgesehenen Siebglied
als Ausgangssignal vor.
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In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, als elektrischen Schalter einen
Enhancement-Nosfet vorzusehen, dessen Drain-Source-Strecke seriell in den Signalstromkreis
geschaltet ist und dessen Gate vom astabilen Multivibrator angesteuert wird. Ein
solcher selbstsperrender Mosfet bietet die bekannten Vorteile, daß er einen hohen
Eingangswiderstand aufweist und daher mit sehr geringen Gate-Strömen betrieben werden
kann.
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Zur Ansteuerung des Gates dieses Zerhackertransistors ist in vorteilhafter
Weise ein Ausgang des astabilen Multivibrators vorgesehen, wobei zwischen diesem
Ausgang und dem Gate des Zerhackertransistors ein Nand-Gatter geschaltet ist. Dieses
liand-Gatter dient zur Invertierung der Taktsignale des hiultivibrators und zur
Pulsformung. Zur Ansteuerung des Gates stehen daher Impulse mit steilen Flanken
zur Verfügung, mit denen das Gate des Zerhackertransistors zuverlässig angesteuert
werden kann. Da die erfindungsgemäße Schaltung zur Steuerung nur einen Ausgang des
Nultivibrators verwendet, kann dieser mit einem
sehr geringen Stromverbrauch
betrieben werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß in der Leitung zwischen
dem Ausgang des Nand-Gatters und dem Signalstromkreis die Kollektor-Emitterstrecke
eines npn-Transistors geschaltet ist, dessen Basis über einen Widerstand an den
Signalstromkreis angeschlossen ist, wobei noch ein zusätzlicher Widerstand vorgesehen
ist, durch den der Signalstrom fließt, wobei die am Widerstand entstehende Spannung
auf die Basis des npn-Transistors wirkt. Ein so geschalteter Transistor kann als
Strombegrenzer für den Zerhackertransistor dienen, indem er die vom Nand-Gatter
zur Ansteuerung des Gates am Zerhackertransistor kommende Pulsflanke durchschaltet,
wenn ein zu großer Drain-Source-Strom fließt.
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Zur Spannungsversorgung des Multivibrators ist eine parallel zum Signalstromkreis
vorgesehene Spannungsstabilisierung geschaltet, bestehend aus einem Sp&rschichtfet,
mit dessen Drain-Source-Strecke ein Festwiderstand und ein einstellbarer Widerstand
in Serie geschaltet ist, dessen Mittelabgriff das Gate des Sperrschichtfets ansteuert.
Der ultivibrator wird damit von einer Fet-Stromquelle versorgt, die sich durch einen
sehr geringen Stromverbrauch auszeichnet. Die Versorgung wird aus dem Signalstromkreis
abgezweigt, was eine leichte Verfälschung des zu übertragenden Signalstromes zur
Folge hat.
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Typischerweise liegen diese Fehler jedoch nur in der Größenordnung
von etwa 1 Promille, was dann entweder durch entsprechende Eichung am Ausgangssignal
berücksichtigt oder aber wegen der Kleinheit der Abweichung vernachlässigt werden
kann.
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Die Stabilisierungsschaltung weist einen Festwiderstand und einen
drehbaren Widerstand auf, die seriell mit der Drainzource-Strecke geschaltet sind
und daher als Gegenkopplungswiderstände dienen. Dabei wird einer der Widerstände
einstellbar vorgesehen, wodurch sich die Gate-Source-Spannung UG5 variieren läßt.
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Zweckmäßig ist es, wenn an der Source-Elektrode des Sperrschichtfet's
die Kollektoren der beiden Transistoren des astabilen Multivibrators über zwei Kollektorwiderstände
angeschlossen sind.
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Als Nand-Gatter wird in vorteilhafter Weise ein C-MlOS-Idand-Gatter
vorgesehen, welches zur Invertierung und Impulsformung der am Ausgang des Multivibrators
entstehenden Impulszüge dient. Diese C-MOS-Gatter sind als Chips billig herstellbar
und zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch aus, da im stationären Zustand
kein Strom durch ein solches Gatter fließt.
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Es ist weiterhin vorgesehen, daß zwischen dem ausgangsseitig vorgesehenen
Siebglied und einem Ausgang der Sekundärwicklung des Transformators seriell eine
Diode geschaltet ist. Diese eine zwischen SiebgliedXund Transformator geschaltete
Diode reicht aus, das Signal ausgangsseitig gleichzurichten.
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Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Schaltung lassen
sich aus den in den Figuren gezeigten Schaltbeispielen, die im folgenden näher beschrieben
werden, erkennen.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäß geschalteten
Gleichstromübertragers und Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltung für einen Gleichstromübertrager.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Blockschaltbild sind die wesentlichen MerkmaLe
der Erfindung zu erkennen. Danach weist die Schaltung als Ubertragungsmittel einen
Transformator 1 auf, dessen Primärwicklung der Eingangsseite E zugeordnet ist und
dessen Sekundärwicklung der Ausgangsseite A zugeordnet wird. Die Primärwicklung
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des Transformators 1 ist seriell in einen mit 10 bezeichneten
Signalstromkreis geschaltet, der zur Verdeutlichung in der Fig. 1 durch eine unterbrochene
Linie unterstützt dargestellt ist.
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In den Signalstromkreis ist seriell zusätzlich zur Primärwicklung
8 noch ein elektrischer Schalter 2 geschaltet, der Bestandteil der Zerhackermittel
3 ist, die noch einen Taktgeber 4 und eine Strom- und Spannungsquelle 5 umfassen.
Die Schaltung arbeitet in einfachster Weise, indem der Signalstromkreis 10 periodisch
durch den elektrischen Schalter 2 geöffnet oder geschlossen wird, wodurch die Primärwicklung
in der Sekundärwicklung einen periodischen Stromfluß erzeugt, der dem zu übertragenden
Signal proportional ist. Dieses Stromsignal wird über einen Gleichrichter 6 und
ein Siebglied 7 zum Ausgang des Gleichstromübertragers gebracht.
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Der elektrische Schalter wird periodisch von dem Taktgeber 4 beaufschlagt,
der im wesentlichen mit einem astabilen Nultivibrator beschaltet ist. Dieser ist
so ausgelegt, daß er nur sehr wenig Strom verbraucht. Dieser Versorgungsstrom wird
von der Stromversorgung 5 aus dem Signalstromkreis 10 abgezweigt. Als Transformator
1 kann ein Transformator einfachster Bauart verwendet werden, da er ohne Mittelabgriffe
ausgebildet sein kann.
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Da diese Schaltung im Eintaktbetrieb arbeiten kann, wird nur ein elektrischer
Schalter 2 benötigt, wodurch der gesamte Schaltungsaufwand für einen solchen erfindungsgemäß
geschalteten Gleichstromübertrager im Vergleich zu bisher bekannten wesentlich geringer
ist.
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In der Fig. 2 ist ein Schaltplan eines erfindungsgemäß beschalteten
Gleichstromübertragers einer bevorzugten Bauart gezeigt, wobei gleiche Funktionselemente
mit denselben Bezugszeichen versehen sind, wie in Fig. 1. Eingangsseitig besteht
die Schaltung der Fig. 2 aus einem Signalstromkreis 10, der ebenso wie in Fig. 1
durch eine gestrichelte Linie herausgehoben ist. Die Schaltung ist im wesentlichen
mit einer Strom- und tsannungsquelle 5 für den astabilen Nultivibrator 13 beschaltet,
dessen
Ausgang AN auf ein lSand-Gatter 11 geführt wird, von welchem aus der Schalter 2,
der als Enhancement-liosfet vorgesehen ist, im Takt gesteuert wird. Die Drain-Source-Strecke
des Nosfet T5 ist seriell in den Signalstromkreis 10 geschaltet, der damit über
das Gate des Transistors T5 auf- und zugeschaltet werden kann.
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Als Ubertrager ist ein Transformator 1 vorgesehen, der eine Primärwicklung
8 und eine Sekundärwicklung 9 aufweist. Die Primärwicklung ist seriell in den Signalstromkreis
10 geschaltet. Ausgangsseitig schließt sich an die Sekundärwicklung 9 des Transformators
1 eine Diode 6 zur Gleichrichtung des Sekundärstromes an, wonach das Signal einem
Siebglied 7 zugeführt wird, und dann am Ausgang zur Verfügung steht.
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Als übertrager ist ein Transformator 1 vorgesehen, der eine itimarwicklung
8 und eine Sekundärwicklung 9 aufweist. Die iirimärwicklung ist seriell in den Signalstromkreis
10 geschaltet. Ausgangsseitig schließt sich an die Sekundärwicklung 9 des Transformators
1 eine Diode 6 zur Gleichrichtung des Sekundärstromes an, wonach das Signal einem
Siebglied 7 zugeführt wird, und dann am Ausgang zur Verfügung steht.
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Die Spannungsversorgung für den astabilen hultivibrator 13 erfolgt
aus dem Signalstrom durch eine Spannungsstabilisierungsschaltung 5, die im wesentlichen
einen Sperrschichtfet enthält, in dessen Drain-Source-Strecke seriell zwei Gegenkopplungswiderstände
RG1 und RG2 geschaltet sind, von denen der Gegenkopplungswiderstand XG als einstellbarer
Widerstand vorgesehen ist.
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2 ;)ber diesen Widerstand wird das Gate des Lperrschichtfet's T3
angesteuert, wodurch sich die Versorgungsspannung wahlweise einstellen läßt. Der
astabile hultivibrator ist in bekannter Weise aufgebaut und weist daher zwei Kollektorwiderstände
RG und RC2 auf. Ebenso sind die Basen der beiden Transistoren 1 jeweils über die
Kondensatoren C2 und C3 mit den Kollektoren des anderen Transistors verbunden. Zur
Ansteuerung des
Schalters 2 wird erfindungsgemäß nur ein Ausgang
des Plultivibrators verwendet, wozu in dieser Schaltung der Abgriff AM am Kollektor
des Transistors T2 erfolgt. Dieser Ausgang AN wird auf den Eingang E2 des Sand-Gatters
11 geführt, welches als C-hOS-Gatter wegen des geringen Stromverbrauches dieser
Gatter vorgesehen ist. Der Schaltpuls des Multivibrators wird im Nand-Gatter invertiert
und so geformt, daß über den Ausgang AG das Gate G des Transistors T5 zuverlässig
angesteuert werden kann. Zur Begrenzung des Drain-Source-Stromes am Transistor T5
ist in die Leitung zwischen dem lsand-Gatter 11 und dem Gate des Transistors T5
der Kollektor eines npn-Transistors T4 geschaltet, dessen Basis über einen Widerstand
mit dem Signalstromkreis 10 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 14 ist ebenfalls
dem Signalstromkreis 10 - durch einen Widerstand R6 vom Source des Transistors T5
getrennt -dem Signalstromkreis 10 zugeschaltet. Übersteigt der Drain-Source->Strom
einen vorgebbaren Wert, so sperrt das Gate des Transistors T die Drain-Source-Strecke,
da der Transistor T4 5 die Ansteuerimpulse des Gates durchschaltet.
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Die Spannungsversorgungsschaltung 5, der astabile Nultivibrator 10,
das lwand-Gatter 11 und der Schalter 2 zeichnen sich durch einen geringen Stromverbrauch
aus, der ohne nennenswerte Obertragungsfehler hervorzurufen aus dem Signalstrom
abgezweigt werden kann, nachdem dieser über die Verpoldiode D2 dem Stromkreis 10
zugeführt ist. Ausgangsseitig braucht als Gleichrichter 6 nur eine Diode D1 vorgesehen
zu sein, da der Signalstrom die Primärwicklung nur in einer Hichtung durchsetzt.
Das Siebglied 7 ist als bekanntes-Glied aufgebaut und weist hierzu einen Widerstand
R8 sowie die beiden Kondensatoren 67 und C8 auf.
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Die esentlichen Vorteile dieser Schaltung liegen darin, daP sie in
Eintakbetrieb arbeitet, wozu nur ein elektrischer Schalter vorgesehen sein braucht
und daß ein Transformator verwendet werden kann, der ohne Nittelabgriff ausgebildet
sein kann. Dadurch kann die Schaltung insgesamt mit wesentlich weniger Bauelementen
und damit billiger hergestellt werden, als dies bei bisher bekannten Gleichatromübertragern
möglich war.