DE3130054A1

DE3130054A1 - Fernversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE3130054A1
Application number: DE19813130054
Authority: DE
Inventors: Marc 91310 Montlhery Bonis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-31
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1982-03-25
Also published as: US4398143A; CA1178353A; FR2488087B1; FR2488087A1

Description

Marc BONIS
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 *

Die Differenz E_Q = E₁₀ - E₃₀ gibt die Fernversorgungs-Gleichspannung an, während e das übertragene Analogsignal wiedergibt. Im übrigen ergeben sich mit dem Gleichstrom I_Q und der Gleichspannung ü_Q/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: ■

E_Q + 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:

TT J- 0¹D T 4-O^-D f Ύ ~ Ύ ■ \ ("3 \

η —' U_n τ ZK₀X- τ ZK₁ (X_n-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 E_Q 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 (I_Q) und nicht mit Spannung (E_Q) 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 I_Q 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

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* Λ i'

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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 A_ß 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

ANSPRÜCHE

Pernversorgungs schaltung für Analog-Zweidraht -Verbindung

mit

mindestens 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) zur

Übertragung 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 und

T₂) un

410-B7036-Mesf

Postscheck: München 533 58-804 · Dresdner Bank AG. München, Konto 3911603 ■ Bayer. Vereinsbank München Konto 563443

wobei 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. ■ ,