DE2726705A1

DE2726705A1 - Schaltungsanordnung zur isolation einer zu messenden elektrischen groesse mittels optokopplern

Info

Publication number: DE2726705A1
Application number: DE19772726705
Authority: DE
Inventors: Richard Sidney Loucks
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1976-06-21
Filing date: 1977-06-14
Publication date: 1977-12-22
Also published as: FR2356147A1; FR2356147B3; CA1077141A; SE441139B; BE855899A; US4032843A; GB1533072A; SE7706475L

Description

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Schaltungsanordnung zur Isolation einer zu messenden elektrischen Größe mittels Optokopplern

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Auskopplung einer elektrischen Größe aus einer Schaltung

mit erdfreiem Potential mittels eines Meßfühlers, der ein erstes elektrisches Signal abgibt.

Stand der Technik

Das Problem des Messens oder Auskoppeins eines Signals mit niedrigem Pegel über eine große Potentialdifferenz ist ein altes Problem, das auf verschiedene Arten angegangen worden ist. Grundsätzlich ist es dabei immer notwendig, eine isolierende Signalkopplung der einen oder der anderen Art zu verwenden.

Ein typischer Anwendungsfall für bekannte Schaltungsanordnungen (für den auch die vorliegende Erfindung anwendbar ist) ist der, daß ein Strom in einem Leiter überwacht werden muß, wobei sich der Leiter selbst auf einer relativ hohen und möglicherweise veränderlichen erdfreien Spannung befindet.

Diese erdfreie oder schwebende Spannung wird manchmal auch als Gleichtaktspannung (englisch: common-node voltage) bezeichnet.

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Zu den bekannten Schaltungsanordnungen zur Unterdrückung dieser Gleichtaktspannungen gehört der magnetisch gekoppelte Stromübertrager, der Differenzverstärker und verschiedene Systeme, die die zu messende schwebende GrUBe in eine andere Form eines drahtlos oder drahtgebunden übertragbaren Signals umwandeln, das dann an einem abgesetzten Ort überwacht werden kann.

Die wahrscheinlich einfachste Anordnung für diese Zwecke und eine Anordnung, die besonders für eine Strommessung bei einer mäßig hohen Gleichtaktspannung geeignet ist, stellt ein Stromübertrager dar, der einen magnetischen Kern (meistens Ringkern) hat, durch den der den zu messenden Strom führende Leiter als eine einzige Primärwindung hindurchgeht. Eine Sekundärwindung auf dem Magnetkern erzeugt ein Signal, das eine Funktion des zu überwachenden Stromes ist.

Die Primär-Sekundär-Isolation des Übertragers, die häufig einen Luftspalt um den auf hoher Spannung liegenden Leiter enthält/sorgt für die notwendige Isolation. Leider schränkt die bei niedrigen Frequenzen eigentümlicherweise begrenzte Ansprechgeschwindigkeit dieser Art der Übertragerkopplung ihre Verwendungsfähigkeit für breite Stromimpulse stark ein, ebenso für Fälle, bei denen die Gleichstromkomponente (Dauerwert) in die Messung einbezogen werden muß.

Die Differenzverstärkeranordnung hat die Eigenschaft, die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen verstärken

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zu können und dabei die vorhandene Gleichtaktspannung gegen Erde außer Betracht zu lassen. In typischer Weise können die Eingänge eines solchen Differenzverstärkers mit den beiden Enden eines Meß-Nebenwiderstandes oder eines normalen Widerstandes verbunden sein, der zur Stromüberwachung in Reihe mit dem erwähnten Leiter geschaltet ist. Wo die Gleichtaktspannung verhältnismäßig gering ist (beispielsweise 50 Volt oder weniger) oder wo die Signaldifferenz über dem Meßelement relativ groß ist/ ka"nn die Differenzverstärkertechnik oft mit befriedigenden Ergebnissen verwendet werden. Ansonsten muß diese Technik dem jeweiligen Anwendungsfall besonders angepaßt werden, und auch dann haben die üblichen Differenzverstärker eine begrenzte Genauigkeit aufgrund eines Driftens und aufgrund von Nullpunktsfehlern, die besondere Schwierigkeiten machen, wenn die kleinen Signale aus einer relativ hohen Gleichtaktspannung "aussortiert" werden müssen. Bei hohen Gleichtaktspannungen (Hunderte oder Tausende von Volt) kommen außerdem Probleme der

Verstärkerisolation auf.

Eine verhältnismäßig neue Schaltungsanordnung für eine entkoppelte ,Signalübertragung ist als eine Untergruppe erhältlich und -ist in der vorliegenden Erfindung verwendet. Diese Schaltungsanordnung ist der sogenannte "optisch gekoppelte Isolator" oder Optokoppler. In seiner Grundform enthalte er eine Leuchtdiode (LED) oder einen ähnlichen elektro-optischen Wandler, der eine Lichtquelle mit einer Intensität darstellt, die dem zu überwachenden Signal proportional- ist. Das von dieser Lichtquelle ausgesendete Licht wird über einen optischen Weg, häufig ein Lichtleit-

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kabel aus wenigstens einer einzigen Glasfaser, zu einer Lichtdetektoranordnung übertragen. Da der Lichtweg ein lädierendes Medium mit sehr großem Widerstand darstellt, hat eine solche Anordnung die Fähigkeit, die hohe Gleichtaktspannung zu isolieren. Es lassen sich leicht

12 Isolationswiderstände In der Größenordnung von 10 Ohm oder mehr mit sehr geringen Kapazitäten (ein picofarad oder weniger) erreichen, so zum Beispiel bei Gleichtaktspannungen In der Größenordnung von 2 500 Volt Gleichspannung mit übergängen von 1 000 Volt pro Mikrosekunde.

Ein im Handel erhältlicher Optokoppler enthält die Leuchtdiode und einen Phototransistor oder eine Photodiode mit einem verstärkenden Transistor, die an die beiden Enden einer Glasfaserverbindung angekoppelt sind. Eine solche handelsübliche Anordnung ist z.B. erhältlich unter der Bezeichnung HP 5082-4354, Hersteller: Hewlett-Packard Company, Palo Alto, California.

Der Optokoppler selbst hat jedoch einen wichtigen Nachteil, wenn er allein verwendet wird. Dies ist die Nichtlinearität der verwendeten Halbleiterelemente, d.h. der Leuchtdiode und des Phototransistors oder der Photodiode, die als Eingangs- und Ausgangswandler der Glasfaser vorgesehen sind.

Wenn eine streng lineare Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal gelten soll, so muß der Dynamikbereich,in dem die Einheit arbeitet, eng begrenzt werden. Dies führt unvermeidlich zu sehr niedrigen Ausgangspegeln und komplexen Netzwerken zur Kompensation von Wärmeeffekten und sonstigen Effekten, die die gewünschte Messung anderweitig beeinfiussen. ₇₀9851 /1157

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Aufgabe

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Optokoppleranordnung anzugeben, die die Vorteile einer bis zur Frequenz null reichenden Ansprechempfindlichkeit und einer sehr guten Isolation gegenüber der Gleichtaktspannung aufweist und dabei die aufgeführten Nachteile vermeidet.

Lösung

Die Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Das zu messende Signal wird an die am Eingang einer Glasfaserstrecke befindliche Leuchtdiode angelegt. An diesem sendeseitigen Ende schweben alle Komponenten des Eingangssignals auf dem Pegel der Gleichtaktspannung. Der Phototransistor oder ein anderer optoelektrischer Wandler am empfangsseitigen Ende der Glasfaserstrecke ist wegen der isolierenden Eigenschaften der Glasfaserstrecke sehr gut von der Gleichtaktspannung entkoppelt. Daher lassen sich diese "Empfangskomponenten" am Empfangsort unabhängig auf Erdpotential beziehen.

Gemäß der Erfindung wird ein zweiter ebenfalls aus Leuchtdiode, Glasfaserstrecke und Phototransistor bestehender Optokoppler dazu verwendet, ein Ausgleichssignal zu erzeugen, das in einer Differenverstärkeranordnung (oder ähnlichem) mit dem am empfangsseitigen Ende der ersten Glasfaserstrecke erscheinenden Ausgangssignal des Phototransistors (oder eines anderen optoelektrischer! Wandlers) gemischt wird. 709851/1157

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Dies bewirkt eine Kompensation der erwähnten nachteiligen Eigenschaften der einzelnen Optokoppler, am "empfangsseitlgen" Ende, das tatsächlich jedoch In der unmittelbaren Nähe des Leiters oder einer anderen Einrichtung sein kann, an der die Messung durch geführt werden soll. Andererseits kann sich die Glasfaserstrecke auch über beträchtliche Entfernungen von dort aus erstrecken, so daß die Anordnung eine klassische "telemetrische" Funktion über eine vorbestlmmte Entfernung ober- oder unterhalb der End- oder Wasseroberfläche ausübt.

Figurenbeschreibung

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 ein Schaltbild eines elementaren Optokopplers;

Fig.2 eine zweite Optokoppler-Schaltung mit einem Differenzverstärker, dessen Ausgangsspannung eine Funktion des Wertes des Rückkopplungs-Widerstandes ist;

Fig.3 eine erfindungsgemäBe von Fig.2 ausgehende Schaltung mit einem zweiten Optokoppler im Rückkopplungsweg des Differenzverstärkers;

Fig.4 eine vollständige erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Signalentkopplung;

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Fig.5 die Kurven der Ubertragungsfunktionen des elementaren Optokopplers bei verschiedenen Temperaturen.

Die Fig.1 dient dazu, gewisse Grundeigenschaften eines Optokopplers zu beschreiben. Ein typischer Optokoppler wie der handelsübliche von Hewlett Packard, PaIo Alto, California hergestellte Optokoppler HP 5082-4 354 enthält neben einem Glasfaserleiter F eine Leuchtdiode D1 als Eingangswandler und eine Photodiode oder einen Photo transistor als Ausgangswandler. Die Leuchtdiode D1 wird von der elektrischen Größe E1 über einen nach bekannten Kriterien gewählten Reihenwiderstand RA angesteuert. Die Leuchtdiode sendet somit ein Lichtsignal über die Glasfaserstrecke F zum Phototransistor T1, das dem elektrischen Signal E1 entspricht. Ganz offensichtlich ist der Phototransistor T1 und alle Schaltkreise dahinter elektrisch vom Signal E1 isoliert, das mit einer relativ hohen Gleichtaktspannung behaftet sein kann. Bei der Schaltung nach Fig.1 ist dem Phototransistor T1 ein weiterer Transistor T2 nachgeschaltet, der als Stromverstärker wirkt, so daß ein Strom I₀ aus der Quelle V_ gezogen wird, und über eine Last oder Meßanordnung fließt, die bezüglich der Quelle V_Q eine Erdrückleitung hat. Die Quelle V_c kann beispielsweise eine kleine Batterie sein, da die benötigte Gesamtleistung sehr gering ist.

Im folgenden wird die Schaltung nach Fig.1 analysiert.

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Es wird angenommen, daß der Optokoppler eine übertragungsfunktion F(I) vom Eingangsstrom zum Ausgangsstrom hat, die im Bereich zwischen I₁ und I₂ monoton ist und keine Singularitäten aufweist. Die Fig.5 zeigt diese Funktion für den erwähnten Optokoppler HP 5082-4

Wenn dieser Optokoppler wie in Fig.1 gezeigt geschaltet

ist, so ist der Ausgangsstrom I gegeben durch: F(i) . E₁ °

¹O-—iq ' I₁WVi₂-

Dabei ist:

F(i) die übertragungsfunktion des Optokopplers, E₁ die Eingangsspannung,

R₁ der strombegrenzende Widerstand für die Leuchtdiode D₁,

1₁ ein Strom, der ausreicht, um eine stabile Leitung in der Leuchtdiode D₁ sicherzustellen (für HP 5082-4354 wird ein Strom I₁ von 100 yA gewählt),

1₂ der Maximalstrom der Leuchtdiode D₁ (im Beispiel I₂ = 5mA).

Durch das Hinzufügen eines Differenzverstärkers, wie in Fig.2 gezeigt, entsteht eine Ausgangsspannung, die im wesentlichen durch den Widerstand R2 bestimmt wird. Da der auf den invertierenden Eingang (-) des Differenzverstärkers zurüd^eführte Strom innerhalb des Arbeits- bereiches des Verstärkers entgegengesetzt gleich dem

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Strom sein muß, der in den nichtinvertierenden Eingang (+) fließt, gilt:

oder E ■ I · R_. oo 2

Dabei ist E die Ausgangsspannung I_Q der Ausgangsstrom und R, der Wert des Rückkopplungswiderstands R_

Wenn, wie in Fig.3 gezeigt, ein zweiter Optokoppler in Reihe mit R₂ geschaltet wird, so wird der Rück- kopplungsstrom I^ (der in Amplitude und Polarität gleich I_ sein muß) zu:

X_f R₂

Es ist also E

ο F(i)

FU)-E Andererseits ist I_f = I = -^ und daher

E R

_ _{1 2} ^Eo ⁼ T^ ' FTi)

Wenn R₁ gleich R- ist, so ist E = E₁.

\ Z Ol

Zur Frage, ob dieselbe übertragungsfunktion F(i) für beide Optokoppler gilt, wird bemerkt, daß es im Handel Optokoppler-Baugruppen gibt, die aus Optokopplern be stehen, die jeweils paarweise in einem einzigen Steck- gehäuse in "Dual-in-Line"-Ausführung angeordnet sind.

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Dadurch werden Temperaturdifferenzen herabgemindert, und, da beide Optokoppler mit denselben Eingangs-/ Ausgangspegeln arbeiten, ist ein Gleichlauf über den interessierenden Bereich hinreichend.

Die Fig.4 zeigt nun eine detaillierte Schaltunganordnung gemäß der Erfindung. Diese Schaltungsanordnung wurde zur Überwachung von Impulsströmen mit Spitzenwerten von 450 Ampere und Impulsbreiten von 20 bis 500 Mikrosekunden angelegt. Der Stromabtastpunkt war dabei schwebend auf einem durchschnittlichen Pegel von 250 Volt Gleichspannung mit Welligkeitsanteilen von 60 Hz und 360 Hz. Bei der Schaltung nach Fig.4 wurde keine Uberkopplung der Versorgungsspannung (Gleichtaktspannung) festgestellt.

Da eine sehr kleine Spannung wegen der großen Ströme im Meßfühler (Meß-Nebenwiderstand) abfallen konnte, war die Schaltungsanordnung auf 500 Millivolt begrenzt, die von einem Meßfühler von 1000 Mikroohm abgeleitet wurden. Um dieser Situation gerecht zu werden, ist ein Vorverstärker A~ zur Ansteuerung des Optokopplers (D₁, F., T_) vorgesehen. Die Gesamtverstärkung dieser Stufe A- bestimmt der Rückkopplungswiderstand R₃.

Eine zusätzliche Stromquelle (R₇ in Fig.4) ist hinzugefügt um sicherzustellen, daß der Strom durch die Diode D- immer über 100 Mikroampere liegt (I₁).

Ein ähnlicher Widerstand R₁₃ ist für den im Rückkopplungsweg liegenden Optokoppler (D₂, F₂, T₃) vorgesehen.

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Die Schaltungsanordnung nach Fig.4 ist schrittweise aus den Schaltungsanordnungen nach Fig.1, 2 und abgeleitet, wobei noch der erwähnte Vorverstärker hinzugefügt ist.

Einige typische Werte der Schaltungsparameter der Schaltungsanordnung nach Fig.4, die wie beschrieben zur Strommessung verwendet wird, werden wie folgt angegeben:

^R3 500 (Meß-Nebenwiderstand)

R 10 kA η

R₅ 10 k

R₆ 330 k

R₇ 10 k

R₈ 2,2 k

R_g 1OO Λ

R₁₀ 10 k

R₁₁' 11 k

R₁₂ 100Λ.

R₁₃ 10 k

R₁₄ 2,2 k

A₁ EIA Type 741 differential A₂ Verstärker (Festkörper) D₁ZF₁ZT₁ Hewlett-Packard HP 5082-4354 D₂ZF₂ZT₃ Hewlett-Packard HP 5082-4354

Der Wert des Meß-NebenwiderStandes R₃ in der betrachteten Schaltung ist gewöhnlich ganz klein, um den Einfluß auf den Hauptstromweg, in den er eingeschaltet ist, minimal

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zu halten. Dementsprechend ist der Spannungsabfall an R relativ klein, wie bereits erwähnt, und daher ist ein Verstärker A eingefügt, um ein größeres Steuersignal für die Leuchtdiode D₁ bereitzustellen, die den Eingangswandler eines ersten aus D-, F₁ und T₁ bestehenden Optokopplers bildet. Der Transistor T₂ spricht auf das Ausgangssignal des Phototransistors T₁ an und ist passend zu den Eigenschaften von T₁ gewählt. Er bewirkt eine weitere Verstärkung gegenüber dem Differenzverstärker A₁.

Wenn man die Arbeitsweise der kompensierenden Rückkopplung gemäß der Erfindung zusammenfassend betrachtet, so sollte man wiederholt betonen, daß die Übertragungsfunktion der aus D₁, F₁ und T₁ bestehenden Unterkombination im wesentlichen gleich der Übertragungsfunktion der aus D₂, F₂ und T₃ bestehenden Unterkombination ist. Die Schaltungsparameter und Versorgungsspannungen dieses zweiten Optokopplers sind dieselben wie die des ersten Optokopplers (D₁, F₁, T₁), jedoch empfängt der zweite Optokoppler als Eingangssignal nur das Ausgangssignal des Differenzverstärkers A₁. Die Ausgangssignale T₂ und T. werden dem Differenzverstärker über gleiche Widerstände R₁₀ und R₁₁ zugeführt, die im wesentlichen gleiche Eingangswiderstände für A₁ bilden.

Es ist festzustellen, daß aufgrund der Übereinstimmung zwischen den Ubertragungsfunktionen beider Optokoppler das Ausgangssignal von A₁ linearisiert und unabhängig von Änderungen der übertragungsfunktion des ersten Optokopplers ist, der das Nutzsignal vom Meßfühler R₃

30 erhält.

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Claims

Patentanwalt Kurze Str.8 7 Stuttgart 30

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Patentanspruch

Schaltungsanordnung zur Auskopplung einer elektrischen Größe aus einer Schaltung mit erdfreiem Potential mittels eines Messfühlers, der ein erstes elektrisches Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Optokoppler (D .j, F-j, Τ·|) vorgesehen ist, der aus diesem ersten elektrischen Signal ein zweites elektrisches Signal erzeugt, das unabhängig von der Gleichtaktspannung der Schaltung ist, daß dieses zweite elektrische Signal dem einen Eingang eines Differenzverstärkers (A-|) zugeführt wird, dessen anderer Eingang mit dem Ausgang eines weiten Optokopplers (D₂/ F₂ , T₃) verbunden ist, der sein Eingangssignal von» den Ausgang der Anordnung bildenden Ausgang des Differenzverstärkers (A₁) erhält (Fig.4).

CS/P-Kf/Scho
6.6.1977

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ORIGINAL INSPECTED