DE3130054A1 - Fernversorgungsschaltung - Google Patents
FernversorgungsschaltungInfo
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Description
Marc BONIS
9 13Io Montlhery, Frankreich
9 13Io Montlhery, Frankreich
FERNVERSORGÜNGSSCHALTUNG
Die Erfindung betrifft eine Fernversorgungsschaltung zur analogen Zweidraht-Verbindung. Sie ist insbesondere in der Fernsprechtechnik
beispielsweise bei der Bildung von Selbstvermittlungen, und ganz allgemein bei der Fernversorgung von Sonden oder Fühlern anwendbar
(Fernwirktechnik).
Eine Fernversorgungsschaltung zur analogen. Zweidraht-Verbindung weist in an sich bekannter Weise gemäß Fig. 1 auf eine Spannungsquelle 10 der Spannung e, wobei diese Spannung eine zu einer
Last 20 zu übertragende Information wiedergibt/ zwei Spannungsverstärker 11 und 12 mit Verstärkungen -1 bzw. +1 und zwei identische
Impedanzen 13 und 14, wobei die Verstärker 11, 12 und Impedanzen
13, 14 zwischen der Last 12 und jedem der Verbindungsdrähte 15, 16 eingefügt sind.
Diese Anordnung stellt einen Schutz gegen parasitäre Signale sicher.
Eine Analoginformation wird nämlich in Form einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Drähten 15 und 16 übertragen, die
jeweils die gleiche Impedanz gegenüber Masse bzw. Erde aufweisen. Unter diesen Bedingungen führt ein störendes Medium in die Span-
-it 6
-4-
nungen e.. und e2 dieser Drähte 15, 16 im wesentlichen identische
Fehler ein, die sich bei der Berechnung der Differenz e-i-e2 gegenseitig
aufheben= Bezüglich der kontinuierlichen Ferhversorgung
wird diese durch Gleichstrom überreicht, der durch die Zweidraht-Verbindung gefördert wird.
In der Praxis ist der Transformator die häufigst verwendete Komponente
dieser Anordnung gemäß dem Schaltbild gemäß Fig. 2. In Fig. 2 weist der Transformator 22 eine Primärwicklung 22/1 auf,
die mit der Quelle 10 verbunden XSt7 und eine Sekundärwicklung
22/2 auf, die durch zwei Halbwicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn gebildet ist, die einerseits mit einer Spannungsquelle 30 von Gleichspannung E verbunden sind, die die kontinuierliche
Fernversorgung oder Gleichfernversorgung erreicht, und andererseits mit den Drähten 15 bzw. 16.
Der Transformator ist eine Komponente ,die bei dieser Anwendung
zahlreiche Vorteile besitzt:
- es handelt sich um eine einzige Komponente und nicht um eine Anordnung,
- er ist sehr robust bezüglich Überlastungen,
- der reine oder Ohmsche Widerstand dieser Wicklungen kann verringert
werden,
- er erreicht eine gute galvanische Isolierung.
Im Gegensatz dazu weist er jedoch folgende Nachteile auf:
- sein Volumen nimmt mit steigendem Fernversorgungsstrom zu
(der Magnetkreis darf nicht gesättigt sein),
- damit die beiden Sekundär-Halbwicklungen so gleiche Impedanzen wie möglich besitzen, müssen sie gleichzeitig gewickelt werden
(eine Wicklungsweise, bei der zwei Drähte von Hand gleichzeitig gewickelt werden),
- sein Volumen nimmt mit der unteren Grenzfrequenz zu (je tiefer diese ist, umso höher müssen die Induktivitäten sein),
- sein Volumen ist weiter umso größer, wie der Wicklungswiderstand
kleiner ist, und
- schließlich ist sein Preis hoch.
Somit überwiegen diese Nachteile über den Vorteilen derart, daß bereits vollständig elektronische Anordnungen untersucht worden
sind, um die Verwendung' des Transformators zu vermeiden. Unter
diesen möglichen Schaltungen wird die galvanische Isolierung mittels Optokopplern erreicht oder auch mittels Kondensatoren. In
bestimmten Fällen wird diese Isolierung nicht sichergestellt, wenn die extremen Spannungen, die an der Drähteleitung anliegen können,
bekannt sind.Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Drähte der
Leitung Schutzeinrichtungen aufweisen wie Z-Dioden, Entladestrekken
u.dgl.
Fig. 3 zeigt eine Lösung dieser Art. Die dargestellte Schaltung weist zwei Verstärker 31 und 32, zwei Widerstände 33, 34 mit
Widerstandswert R- auf, wobei die Widerstände der Leitung durch
zwei Widerstände 35, 36 mit Widerstandswert R2 symbolisiert sind.
Die Verstärker 31, 32 geben Signale folgender Form ab:
E1 = E10 + e/2 '
E2 = E20 - e/2 *
E2 = E20 - e/2 *
Die Differenz EQ = E10 - E30 gibt die Fernversorgungs-Gleichspannung
an, während e das übertragene Analogsignal wiedergibt. Im übrigen ergeben sich mit dem Gleichstrom IQ und der Gleichspannung
üQ/die für die fernversorgte Einrichtung 20 erforderlich
sind und mit dem veränderbaren Strom i und der veränderbaren Spannung u, die den Träger der zur gleichen Einrichtung 20 übertragenen
Analoginformation bilden:
Ü = U0 + u j I = I0 + i .
Unter diesen Bedingungen ergibt sich:
- E2 = U + 2R2I +
und daraus: ■
EQ + e = U0 + 2R2I0 + 2R1I0 + u + 2R1i +
Diese Gleichung kann in zwei Gleichungen aufgetrennt werden, nämlich
eine Fernversorgungsgieichung:
E0 = U0 + 2R2I0 + 2R1I0 (1)
und eine Übertragungsgleichung:
e = u + 2R1X + 2R2i (2) .
Die Fernversorgungsgieichung läßt den Nachteil erkennen, den die Anordnung gemäß Fig. 3 besitzt: Der Spannungsabfall 2R1I0
beschneidet als reiner Verlust die Fernversorgungsspannung Iq.
Zum Verringern dieser Wirkung muß der Fernversorgungsstrom verringert
werden, was nicht immer möglich ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Angeben einer ebenfalls elektronischen
Schaltung der in Fig. 3 angegebenen Art, den dabei auftretenden Nachteil zu vermeiden, d.h. sicherzustellen, daß
die Fernversorgungsspannung nicht beeinträchtigt wird.
Die Erfindung geht von der Grundidee aus, die Schaltung gemäß Fig. 3 dadurch zu modifizieren, daß zwei zusätzliche Stromquellen
hinzugefügt werden, wie gemäß Fig. 4, mit den Bezugszeichen 37 und 38, die Ströme entgegengesetzter Richtung mit Stromstärke
I1 abgeben.
Mit den gleichen Bezeichnungen wie zuvor ergeben sich die Gleichungen dieser Anordnung zu:
η —' Un τ ZK0X- τ ZK1 (Xn-X..; w/.
U U ZU IUi .
'
e = u + 2R1X + 2R2i (4) .
Die Gleichung (3) zeigt, daß dann ,wenn I1=I0 die Fernversorgungsspannung
E- nicht beschnitten wird, wie zuvor, und den Wert I-+2R0I-einnimmt.
' ■
Die Anwendung dieses Prinzips stellt in der Praxis Ausgleich- bzw.
Abgleichprobleme, Steuerprobleme und Stabilitätsprobleme, die durch
die erfindungsgemäße Anordnung überwunden werden. Zunächst erlaubt
* Λ Α
ή * »a
-7-
es eine sog. Thevenin-Norton-Transformation von dem Schaltbild
gemäß Fig. 4 zu dem Schaltbild gemäß Fig. 5 überzugehen. Die dort dargestellte Schaltung weist zwei Stromquellen 41, 42 mit
jeweiligen Werten E^q/R^ bzw. E20ZR1/ zwei Stromquellen 43, 44
mit Wert e/2R^, zwei Widerstände 33, 34 mit Wert R1 und zwei
Stromquellen 45, 46 mit Wert EQ auf. Ein Strom I fließt in den
Drähten 15 und 16, wobei die Richtung der verschiedenen Ströme
in Fig. 5 dargestellt ist.
Wenn das Vorliegen einer niederen Grenzfrequenz bei der Übertragungsgleichung
angenommen wird, kann eine viel einfachere Anordnung verwendet werden, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, nämlich
in Reihe mit den Widerständen 33 und 34 zwei Kondensatoren 47, 48, wodurch die beiden Stromquellen 41 und 42 beseitigt werden
können, deren Werte mit dem Leitungswiderstand R2 verbunden
sind (Folge der Gleichung (3)). Auf diese Weise wird eine Versorgung mit Strom (IQ) und nicht mit Spannung (EQ) wie bisher
erreicht.
Jedoch ist ein Nachteil dieser Anordnung deren Instabilität. Die Leitungsspannungen U1 und U- sind nämlich unbestimmt, was sich
in der Praxis durch die Sättigung von Stufen niederschlägt, die die Stromquellen bilden. Zum Fixieren des mittleren Potentials
der Drähte der Leitung ist es notwendig, eine Steuer- oder Regeleinrichtung vorzusehen, die in der Lage ist, das mittlere Potential
der Drähte der Leitung auf Massepotential zu fixieren. Dies ist schließlich die Schaltung, die mittels der Erfindung erreicht
wird.
Die Erfindung gibt also eine Fernversorgungsschaltung zur analogen
Zweidraht-Verbindung an, die mindestens eine Stromquelle aufweist, die zwischen Masse und jedem der beiden Drähte der Verbindung
eingefügt ist und die sich dadurch auszeichnet, daß diese Quelle eine Gleichstromquelle für Fernversorgung und eine veränderbare
Stromquelle für übertragung aufweist und daß zwei RC-Reihen-Zweipole
jeweils zwischen Masse und den beiden Drähten ein-
gefügt sind und daß eine Schaltung vorgesehen ist, die das mittlere
Potential der Drähte auf Masse fixieren kann.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 bis 3 Schaltbilder herkömmlicher Fernversorgungsschaltungen,
Fig. 4 bis 6 Schaltbilder zur Erläuterung der der Erfindung
zugrunde liegenden Probleme,
Fig. 7 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Fernversorgungsschaltung,
Fig. 8 ein besonderes Ausführungsbeispiel der erfiridungsgemäßen
Schaltung,
Fig. 9 eine andere .. Aus führungs form der Schaltung zum Festlegen
des mittleren Potentials der Leitungen.
Die Fig. 1 bis 6 wurden bereits erläutert.
Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung weist eine doppelte Stromquelle
50 auf, die durch eine Quelle 51 für Gleichstrom zur Fernversorgung IQ und eine Quelle 52 für veränderbaren Strom zur
übertragung i gebildet ist, sowie zwei RC-Reihen-Zweipole 61 bzw.
62 und eine Schaltung 70 zum Festlegen des mittleren Potentials der Drähte 15 und 16 der Verbindung auf Masse bzw. auf Massepotential.
Dies ist die allgemeine Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltung. Besondere Ausführungsbeispiele der verschiedenen ,
Funktionsblöcke, die verwendet sind, ergeben sich aus der Erläuterung
der folgenden Fig. 8 und 9.
Bei der in Fig. 8 dargestellten Schaltung ist die Schaltung 50
durch eine Spannungsquelle 53 mit Gleichwert E und eine Spannungsquelle 54 mit veränderbarem Wert e gebildet. E ist die Steuerspannung
des Fernversorgungsstroms und e ist diejenige des Übertragungsstroms.
Diese Quelloi53, 54 sind mit Basen von zwei Transistoren
T- und T2 verbunden, deren Emitter durch einen Widerstand
Rg verbunden sind und deren Kollektoren mit zwei Verstärkerschaltungen
verbunden sind, die durch. Differenzverstärker A1,
A2 gebildet sind, deren Ausgang auf die Basis eines Transistors
• *
* Λ i'
♦ *>
•·\.: .:. 3 13005A
-9-
T3 bzw. T4 einwirkt, dessen Kollektor jeweils mit einem der beiden
Drähte 15, 16 der Verbindung verbunden ist.
Die Versorgung der Transistoren T1, T3 und T2, T4 und der Verstärker
A^, A2 erfolgt über zwei Leitungen 55, 56, die an Gleichspannungen
+V und -V liegen. Diese Leitungen 55, 56 sind mit den Transistoren T-, T2 über Widerstände R7, mit den Verstärkern A1,
A2 mittels Z-Dioden Z1, Z2 und mit den Transistoren T3, T4 mittels
Widerständen Rg verbunden. Im übrigen sind die Dioden Z1, Z2 untereinander
über einen Widerstand R„ verbunden.
Die RC-Zweipole 61,62 sind durch . zwei Widerstände R1 und R5,
die über einen Verstärker A4 bzw. A5 verbunden sind,und einen Kondensator
C1 gebildet. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß
der Wert und damit die Größe des Kondensators C1 verringert wird
für eine gegebene Zeitkonstante. Eine Berechnung zeigt nämlich, daß ein derart gebildeter Zweipol einem Widerstand R5/R.1 in Reihe
mit .einem Kondensator mit Wert (1+R5ZR1)C1 äquivalent ist.
Die Steuerschaltung 70, die es erlaubt, das mittlere Potential der Drähte der Leitung an Masse zu fixieren, weist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel einen Differenzverstärker A3 auf, dessen positiver Eingang mit dem Mittelpunkt von zwei Widerständen
mit Wert R3 verbunden ist, dessen negativer Eingang mit Masse
verbunden ist und dessen Ausgang mit dem Mittelpunkt zweier Widerstände
R4 verbunden ist, wobei die Widerstände im übrigen mit
den beiden Drähten 15 und 16 der Verbindung verbunden sind. Diese
Schaltung hält die Impedanz bei gemeinsamer Betriebsart der Drähte der Leitung bezüglich Masse niedrig und wirkt nicht auf die symmetrische
differentielle Betriebsart (Modus) ein. Eine andere Ausführungsform
dieser Anordnung ist in Fig. 9 dargestellt, die zwei Transistoren Tg, T- verwendet. Die Einführung von Steuerströmen
kann im übrigen nicht auf die Drähte der Leitung sondern auch direkt stromauf parallel zu den Stromquellen erfolgen.
Die Schaltung gemäß Fig. 8 zeigt weitere Bauelemente, deren Arbeitsweise
im folgenden erläutert wird.
Eine Schaltung 80 enthält einen Verstärker Ag und zwei Kondensatoren
C2/ die mit den Drähten der Leitung verbunden sind. Der
Verstärker Aß ist differentiell angeschlossen und soll das Differenzsignal
der Verbindung herausführen. Die beiden Kondensatoren C2 dienen zum Sperren bzw. Unterdrücken der Gleichkomponente des
Differenzsignals.
Eine Schaltung 82 weist im wesentlichen einen Verstärker A7 auf,
der als Summierer geschaltet ist und der von dem Differenzsignal
der Verbindung das abgegebene Differenzsignal abziehen soll, da-"
mit die Spannung s, die abgegeben wird/ nur ein Abbild des Differenzsignals
ist, das von der fernversorgten Einrichtung 20 empfangen ist. Zu diesem Zweck weist die dargestellte Schaltung
eine Kompensationsschaltung 84 des abgegebenen Signals auf, die
einem Verstärker Ag zugeordnet ist, der die notwendige übertragungsfunktion
synthetisiert, die von der Impedanz Z der fernversorgten Einrichtung 20 in dem Nutz-Band abhängt.
Eine Berechnung zeigt nämlich, daß die Übertragungsgleichung in
erster Annäherung lautet:
u = e
wobei R7 und Rg die Widerstandswerte der Stromquellen der Schaltung
50 sind,. R1 der Widerstand der Zweipole 61 und 62 ist, und
R~ der Widerstand der Verbindung ist.
Wenn Z reell ist, ist es auch die zugeordnete Übertragungsfunktion.
Schließlich bestimmen ein als Vergleicher geschalteter Verstärker
Ag. und ein Ausgangstransistor Tg, ob der Transistor T-. gesättigt
ist oder nicht. Damit ist es möglich, zu erfassen, ob die fernversorgte Einrichtung 20 unter guten Betriebsbedingungen arbeitet
oder nicht, und ist es weiter möglich, zu erfassen, ob die Einrichtung
20 vorliegt oder nicht (wenn die Verbindung offen ist, ist nämlich der Transistor T4 gesättigt).
Die dargestellte Schaltung weist schließlich einige nicht wesentliche
Elemente auf wie zwei Dioden D1, D2, die zwischen den Versorgungsleitungen
55, 56 und den Drähten 15, 16 der Verbindung angeordnet sind/und zwei Z-Dioden Z3, Z. zwischen diesen Drähten
15, 16 und Masse.
Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße
Schaltung zahlreiche Vorteile besitzt:
- die Steuerungen für den Fernversorgungsstrom und den Übertragungsstrom
erfolgen getrennt,
- die Übertragungscharakteristiken und die Fernversorgungscharakteristiken
sind von den Versorgungen +V und -V unabhängig; die einzige Bedingung für +V und -V ist nämlich,
die Transistoren T, und T4 gesättigt sind, was es ermöglicht,
Versorgungen mit von Mikroprozessoren gesteuerter Abtrennung zu verwenden, die sich automatisch an den optimalen
Wert anpaß· sn unabhängig davon, wie der angeschlossene
Terminal und der Widerstand R2 der Verbindung ist;
- dadurch,daß kein Kondensator hohen Wertes vorliegt, kann
die Anordnung in Hybridtechnik realisiert werden;
- alle Verstärker (mit Ausnahme von A, und Ac) sind Niederspannungsund
Schwachstrom-Verstärker und sind daher kostengünstig,
- der Fernversorgungsstrom kann sehr leicht durch einen Mikro
prozessor gesteuert werden,
- die Übertragungsfunktion,die zur Kompensation dient, kann
ebenfalls mittels eines Mikroprozessors durch digitale Synthetisierung eingestellt werden.
Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen möglich.
Leerseite
Claims (4)
- ANSPRÜCHEPernversorgungs schaltung für Analog-Zweidraht -Verbindungmitmindestens einer Stromquelle zwischen Masse und jeder der beiden Drähte (15, 16) der Verbindung, dadurch gekennzeichnet,daß die Stromquelle (50) eine Gleichstromquelle (51) zur Fernversorgung und eine veränderbare Stromquelle (52) zurÜbertragung aufweist,daß zwei RC-Reihen-Zweipole (61, 62) jeweils zwischen Masse und den beiden Drähten (15, 16) angeordnet sind, und daß eine Schaltung (70) das mittlere Potential der Drähte (15, 16) auf Massepotential fixiert.
- 2. Fernversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß die Stromquelle (50) eine Fernversorgungs-sfjännungsquelle (53), die mit der Basis eines ersten Transistors (T1) verbunden ist, und eine Übertragungs-Spannungsquelle (54), die mit der Basis eines zweiten Transistors (T3) verbunden ist, aufweist, wobei die Emitter der beiden Transistoren (T1, tereinander über einen Widerstand (Rg) verbunden sind undT2) un410-B7036-MesfPostscheck: München 533 58-804 · Dresdner Bank AG. München, Konto 3911603 ■ Bayer. Vereinsbank München Konto 563443wobei die Kollektoren mit den beiden Leitungsdrähten (15, 16) über einen Verstärker (A1, A2) verbunden sind, die jeweils mit der Basis eines Transistors (T3, T») verbunden sind.
- 3. Fernversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Schaltung (70) zum Fixieren des mittleren Potentials der beiden Leitungsdrähte (15, 16) auf Massepotential einen Differenzverstärker (A.,) aufweist, dessen positiver Eingang mit den beiden Leitungsdrähten (15, 16) über zwei gleiche Widerstände (R.,) und dessen negativer Eingang mit Masse verbunden sind, wobei dessen Ausgang mit den beiden Leitungsdrähten (15, 16) über zwei gleiche Widerstände (R^) verbunden ist.
- 4. Fernversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,daß jeder RC-Zweipol (61, 62) mittels zweier Widerstände (R-, Rc), die über einen Verstärker (A., A,.) verbunden sind, wobei die Anordnung mit einem Kondensator (Cj) in Reihe ist, gebildet ist. ■ ,
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