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Patent Searching and Data


Title:
ISOLATION AMPLIFIER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024631
Kind Code:
A1
Abstract:
An isolation amplifier comprises – an input circuit (1) at high voltage potential having an input (6) for a measurement signal to be transmitted, an input circuit configuration (7) for providing a coupling section signal representing the measurement signal, and a high-voltage-side control unit (19) for driving the input circuit configuration (7), – a galvanically isolating coupling section (3) for the potential-free transmission of the coupling section signal, – an output circuit (2) at low voltage potential having an output circuit configuration (11) for generating an output signal from the transmitted coupling section signal, an output (15) for the output signal, and at least one low-voltage-side control unit (23, 48) for generating control signals, – inputting elements (28, 29) for inputting control commands and/or parameters into the high-voltage-side control unit (19), – a low-voltage-side arrangement of all the inputting elements (28, 29), including the inputting elements (28, 29) provided for the parameterization of the high-voltage-side control unit (19), exclusively in a low-voltage circuit (2, 41), and – a galvanically isolating control channel (SK; SK'; SK'') for transmitting the parameters for driving the input circuit configuration (7), said parameters being determined for the high-voltage-side control unit (19) and being input via the low-voltage-side inputting elements (28, 29), to the high-voltage-side control unit (19), which control channel can be embodied as a second coupling section (30).

Inventors:
BACHUS, Klaus (Ahornstrasse 25, Berlin, 12163, DE)
ZANK, Harald (Sundgauer Str. 100, Berlin, 14169, DE)
Application Number:
EP2017/069160
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
July 28, 2017
Export Citation:
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Assignee:
KNICK ELEKTRONISCHE MESSGERÄTE GMBH & CO. KG (Beuckestrasse 22, Berlin, 14163, DE)
International Classes:
H03F3/38; G01R15/14; G01R19/00
Foreign References:
JPH11108967A1999-04-23
DE102014108497A12014-12-18
DE102010044180A12012-05-24
DE29613185U11996-11-14
Other References:
ANONYMOUS: "Trennverstärker - Wikipedia", 6 July 2016 (2016-07-06), XP055412107, Retrieved from the Internet [retrieved on 20171003]
None
Attorney, Agent or Firm:
RAU, SCHNECK & HÜBNER PATENTANWÄLTE RECHTSANWÄLTE PARTGMBB (Königstrasse 2, Nürnberg, 90402, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Trennverstärker umfassend

- einen Eingangskreis (1) auf Hochspannungspotenzial mit

= einem Eingang (6) für ein zu übertragendes Messsignal,

= einer Eingangsschaltung (7) zur Bereitstellung eines das Messsignal repräsentierenden Koppelstreckensignals, und = einer hochspannungsseitigen Steuereinheit (19) zur Ansteuerung der Eingangsschaltung (7),

- eine galvanisch trennende Koppelstrecke (3) zur potenzialfreien Übertragung des Koppelstreckensignals auf

- einen Ausgangskreis (2) auf Niederspannungspotenzial mit

= einer Ausgangsschaltung (1 1) zur Erzeugung eines das Messsignal repräsentierenden Ausgangssignals aus dem übertragenen Koppelstreckensignal,

= einem Ausgang (15) für das Ausgangssignal, und

= mindestens einer niederspannungsseitigen Steuereinheit (23, 48) zur Erzeugung von Steuersignalen, sowie

- mechanische und/oder elektronische Eingabeelemente (28, 29) zur Eingabe von Steuerbefehlen und/oder -parametern in die hochspan- nungsseitige Steuereinheit (19),

gekennzeichnet durch

- eine niederspannungsseitige Anordnung aller Eingabeelemente (28, 29), einschließlich der für die Parametrierung der hochspannungs- seitige Steuereinheit (19) vorgesehenen Eingabeelemente (28, 29), ausschließlich in einem auf Niederspannungspotenzial liegenden Schaltungskreis (2, 41), sowie

- einen galvanisch getrennten Steuerkanal (SK; SK', SK") zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) be- stimmten, über die niederspannungsseitigen Eingabeelemente (28, 29) eingegebenen Parameter zur Ansteuerung der Eingangsschaltung (7) an die hochspannungsseitige Steuereinheit (19).

Trennverstärker nach Anspruch 1 , gekennzeichnet, durch eine hochspannungsisolierende Vollkapselung (33) des Eingangskreises (1).

Trennverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Vollkapselung (33) durch einen Verguss der Eingangs Schaltung gebildet ist

Trennverstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch getrennte Steuerkanal (SK) zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) bestimmten, über ausgangsseitig angeordnete Eingabeelemente (28, 29) eingegebenen Parameter zur Ansteuerung der Eingangsschaltung (7) an die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) durch eine eigene galvanisch trennende Koppelstrecke (30) realisiert ist.

Trennverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch getrennte Steuerkanal (SK') zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) bestimmten, über ausgangsseitig angeordnete Eingabeelemente (28, 29) eingegebenen Parameter zur Ansteuerung der Eingangsschaltung (7) an die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) durch die bidirektional betreibbare Koppelstrecke (3) zur potenzialfreien Übertragung des Koppelstreckensignals auf den Ausgangskreis (2) realisiert ist.

6. Trennverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch getrennte Steuerkanal (SK") zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) bestimmten, über die in einem Primärstromversorgungskreis (41) angeordneten Ein- gabeelemente (28, 29) eingegebenen Parameter zur Ansteuerung der Eingangsschaltung (7) an die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) durch eine mehrfach nutzbare Koppelstrecke (42) zur potenzialfreien Übertragung elektrische Energie auf den Eingangskreis (1) realisiert ist. 7. Trennverstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, dass ausgangs seitig angeordnete Eingabeelemente durch manuell betätigbare Einstellelemente (28) zur Eingabe von Einstellparametern gebildet sind. 8. Trennverstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 5 sowie 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitig angeordneten Eingabeelemente durch mindestens eine Schnittstelle (29) zur Eingabe von Konfigurations- und/oder Abgleichparameter gebildet sind. 9. Trennverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch trennende Koppelstrecke (3, 30, 42) zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) bestimmten Parameter durch einen Transformator (31) oder einen Optokoppler (32) gebildet ist.

10. Trennverstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsschaltung (7) umfasst

- ein dem Eingang (6) nachgeschaltetes Eingangsnetzwerk (8), - einen dem Eingangsnetzwerk (8) nachgeschalteten Vorverstärker (9) für das zu übertragende Messsignal, und

- einen Modulator (10) zur Bereitstellung des Koppelstreckensignals für die Übertragung über die galvanisch trennende Koppelstrecke (3).

1 1. Trennverstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Steuereinheit (23) die Ausgangsschaltung (1 1) in ihrem Übertragungsverhalten durch über die Eingabeele- mente (28, 29) eingegebenen Parameter beeinflusst werden kann.

12. Trennverstärker nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsschaltung (1 1) umfasst

- einen Demodulator (12) zur Demodulation des übertragenen Kop- pelstreckensignals,

- eine dem Demodulator (12) nachgeschaltete Signalfiltereinheit (13) für das demodulierte Koppelstreckensignal, und

- eine der Signalfiltereinheit (13) nachgeschaltete Endstufe (14). 13. Trennverstärker mindestens nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hochspannungsseitige Steuereinheit (19) verbunden ist mit

- einem dem Eingangsnetzwerk (8) zugeordneten Stellglied (16) zur Umschaltung auf eingangsseitiges Strom-/Spannungssignal,

- einem dem Vorverstärker (9) zugeordneten Stellglied (17) zur Ver- Stärkungs-Einstellung, und/oder

- einem dem Vorverstärker (9) zugeordneten Stellglied (18) zur Off- set-Einstellung.

14. Trennverstärker mindestens nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mederspannungsseitige Steuereinheit (23) verbunden ist mit

- einem der Signalfiltereinheit (13) zugeordneten Stellglied (26) zur Umschaltung dessen Grenzfrequenz, und/oder

- einem der Endstufe (14) zugeordneten Stellglied (27) zur Umschaltung auf ausgangsseitiges Strom-/Spannungssignal.

Description:
Trennverstärker

Die vorliegende Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 214 263.1 in Anspruch, deren Inhalt durch Be- zugnahme hierin aufgenommen wird.

Die Erfindung betrifft einen Trennverstärker mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Derartige Trennverstärker werden unter anderem auch als Messumformer oder Messwandler bezeich- net.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass Trennverstärker unter anderem der Erfassung und Konditionierung von analogen Messsignalen mit hinsichtlich Körperströmen bei Berührung gefährlichen Potenzialen, insbesondere von Messsignalen mit Hochspannungspotenzial, dienen. Trennverstärker wandeln daher das Messsignal, ggf. unter Umsetzung in Hilfsgrößen, galvanisch trennend in das Messsignal repräsentierende Ausgangssignale in analoger oder digitaler Form, wobei die Ausgangssignale in der Regel auf erdnahem Potenzial liegen und bei Berührung ungefähr- lieh sind.

In den folgenden Beschreibungen umfasst der Begriff„Hochspannung" bzw.„Hochspannungspotenzial" hier alle Spannungen und Potenziale, die berührgefährlich sind, der Begriff„Niederspannung" bzw.„Niederspan- nungspotenzial" umfasst hier alle Spannungen und Potenziale, die ungefährlich bei Berührung sind. In den folgenden Beschreibungen umfasst demzufolge der Begriff„Hochspannungstrennverstärker" alle Trennverstärker, die zur Messsignalübertragung und -Wandlung von berührgefährli- chen Messsignalen in bezüglich Berührung ungefährliche Ausgangssignale geeignet sind.

Um eine galvanische Trennung zwischen Hochspannungs- und Nieder- spannungsseite zu ermöglichen, ist eine durchgängige Isolationsbarriere notwendig, die bekanntermaßen durch potenzialtrennende Koppelstrecken zur Übertragung eines das Messsignal repräsentierenden Signals und ggf. von Hilfsgrößen und elektrischer Energie realisiert wird. Trennverstärker nach dem Stand der Technik sind häufig gemäß der in Figur 3 dargestellten Struktur aufgebaut. Es lassen sich drei verschiedene elektrische Schaltungskreise, nämlich ein Eingangskreis 1 , ein Ausgangskreis 2 sowie ein Primärstromversorgungskreis 41 unterscheiden, die durch galvanisch trennende Koppelstrecken 3, 42, 43 gegeneinander isoliert sind. Jeder Schaltungskreis 1, 2, 41 hat mindestens einen Anschluss in Form des Eingangs 6, des Ausgangs 15 und des Primärstromversorgungsanschlusses 44, die mit dem dazugehörigen Schaltungskreis im Allgemeinen leitend verbunden ist. Die Potenziale, auf denen die Schaltungskreise 1, 2, 41 liegen, werden durch die Potenziale der an den dazugehörigen Anschlüssen 6, 15 und 44 angeschlossenen externen Signalkreise bzw. externen Stromkreise bestimmt. Die Anschlüsse 6, 15 und 44 werden auch als Ports bezeichnet, demzufolge gibt Figur 3 einen Trennverstärker mit drei voneinander galvanisch getrennten Ports an. Im Detail zeigt die Struktur einen Eingangskreis 1 mit mindestens dem Eingang 6 für Messsignale mit Ein- gangskreispotenzial, wobei im Eingangskreis 1 ein das Messsignal repräsentierendes Koppelstreckensignal erzeugt wird und dieses Koppelstreckensignal über eine galvanisch trennende Koppelstrecke 3 auf den auf Ausgangskreispotenzial liegenden Ausgangskreis 2 übertragen wird. Im Ausgangskreis 2 wird das Koppelstreckensignal in ein Signal zurückge- wandelt, welches das Messsignal repräsentiert und das über den mindestens einen Ausgang 15 ausgegeben werden kann. Die für den Betrieb aller elektronischen Elemente im Eingangskreis 1 , Ausgangskreis 2 und der Koppelstrecke 3 erforderliche elektrische Energie wird dem mindestens einen Primärstromversorgungsanschluss 44 entnommen. Der auf Primärstromkreispotenzial liegende Primärstromversorgungsanschluss 44 liefert dabei die elektrische Energie an einen Primärstromversorgungskreis 41 , der geeignete elektronische Mittel enthält, um elektrische Energie über die galvanisch trennenden Koppelstrecken 42 und 43 jeweils passend an die se- kundären Netzteilschaltungen 45 und 46 des Ein- und Ausgangskreises 1 und 2 zu liefern.

Gemäß dem Stand der Technik sind Trennverstärkerstrukturen bekannt, bei denen die Anzahl der Koppelstrecken reduziert ist. Dies kann beispielswei- se dadurch erfolgen, dass auf eine galvanische Trennung zwischen Primärstromversorgungskreis 41 und Ausgangskreis 2 verzichtet wird. Es entfällt dann die Koppelstrecke 43 und stattdessen besteht eine direkte, galvanisch leitende Verbindung zwischen diesen Kreisen. Ein solcher Trennverstärker hat dann nur noch zwei galvanisch voneinander getrennte Ports.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduktion von Koppelstrecken ergibt sich wie folgt: Die Koppelstrecke 42 kann entfallen, wenn über eine geeignete Koppelstrecke 3, z.B. ein Transformator, sowohl elektrische Energie vom Ausgangskreis 2 zum Eingangskreis 1 , als auch über die gleiche Koppel- strecke 3 ein das Messsignal repräsentierendes Koppelstreckensignal vom Eingangskreis 1 zum Ausgangskreis 2 übertragen werden, beispielsweise abgebildet durch die elektrische Stromstärke. Der Wegfall der Koppelstrecke 42 reduziert in diesem Fall nicht die Anzahl galvanisch voneinander getrennter Ports. Neben den erwähnten Koppelstrecken ist eine durchgängige Isolationsbarriere im allgemeinen durch eine möglichst vollständige Kapselung, beispielsweise durch ein für diesen Zweck geeignetes Trennverstärkergehäuse und/oder ggf. durch einen Verguss eines gesamten Trennverstärkers oder zumindest durch einen Verguss solcher Schaltungsabschnitte, die mit dem Hochspannungspotenzial galvanisch verbunden sind, zu realisieren. Ein Verguss kommt insbesondere dann zum Einsatz, wenn die Messsignale besonders hohe Spannungen bzw. Potenziale aufweisen. Neben einem Verguss sind auch andere Formen von Isolationsüberzügen, wie geeignete Lacke, Harze oder spritztechnische Überzüge und Kapselungen möglich.

Eine potenzialtrennende Koppelstrecke kann mittels induktiver, kapazitiver, optischer, elektromechanischer oder elektromagnetischer Kopplung oder einer Kombination daraus arbeiten, je nach gewähltem Typ der Koppelstrecke. Unter elektromechanisch arbeitende Koppelstrecken fallen z.B. auch solche, die den piezoelektrischen Effekt nutzen. Das über die Koppelstrecke zu übertragende Signal oder auch die zu übertragende elektrische Energie wird dabei ggf. in ein im Folgenden allgemein als Koppelstrecken- signal bezeichnetes Signal umgewandelt.

Das Koppelstreckensignal beinhaltet also den Begriff„Signal" unabhängig davon, ob es sich hierbei um ein Signal beispielsweise zur Abbildung eines Messsignals und/oder um ein Signal zur Übertragung elektrischer Energie handelt. Das Koppelstreckensignal ist geeignet, über den jeweiligen Typ der galvanisch trennenden Koppelstrecke übertragen und ggf. in ein solches Signal zurückgewandelt zu werden, mit dem die gewünschte weitere Verarbeitung möglich ist. Die Wandlung eines Messsignals in ein Koppelstreckensignal und die ggf. ückwandlung des Koppelstreckensignals in ein weiterverarbeitbares, das Messsignal repräsentierendes Signal, kann z.B. durch einen Modulator und Demodulator erfolgen. Es versteht sich von selbst, dass für Koppelstrecken, die (auch) zur Übertragung von elektrischer Energie vorgesehen sind, insbesondere Transformatoren be- vorzugt verwendet werden. Im Gegensatz dazu sind handelsübliche sogenannte Optokoppler für die Übertragung elektrischer Energie eher ungeeignet. Entsprechend kann die elektrische Energie eines Primärstromversorgungkreises durch allgemein bekannte Netzteiltopologien in ein passendes Wechselsignal gewandelt und beispielsweise mit einer als Transforma- tor ausgebildeten Koppelstrecke galvanisch getrennt übertragen und dann z.B. mittels einer Gleichrichterschaltung in ein Gleichsignal zur Stromversorgung des Eingangskreises und des Ausgangskreises umgewandelt werden. Die nun folgenden Erläuterungen zu möglichen Koppelstreckensignalen, welche auch Messsignale abbilden können, gelten unabhängig vom zeitlichen Verlauf und der Polarität eines am Eingang des Trennverstärkers anliegenden Eingangssignals (Messsignals). Ein Koppelstreckensignal kann ein Wechselsignal sein, welches z.B. besonders für kapazitive und indukti- ve Koppelstrecken geeignet ist. Es kann aber auch ein analog abbildendes Gleichsignal (Gleichspannung bzw. Gleichstrom) sein, welches z.B. mit optischen Koppelstrecken übertragbar ist. Ein Wechselsignal kann eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom oder aber auch eine pulsierende Gleichspannung oder ein pulsierender Gleichstrom sein.

Wechselsignale können analog abbildend sein und/oder digitale Codierungen enthalten, sie können puls-, pulsweiten-, frequenz-, phasen-, amplitu- den- und digitalmodulierte Signale oder Kombinationen daraus sein, weitere Modulationsarten sind möglich. Bei sogenannten Einbereichsgeräten werden hochspannungsseitige Elemente zur Geräte-Konditionierung, wie für die Einstellung von Verstärkung, Offset und Frequenzbandbreite vor einer Kapselung, beispielsweise einer Kapselung durch Verguss, abgeglichen. Eine Umstellung im Betrieb oder ein nachträglicher Abgleich eines voll gekapselten Gerätes ist dann ohne eine Schwächung der Isolation oder unter Umständen sogar ohne eine Schädigung der Isolation nicht mehr möglich. Eine Schwächung der Isolation kann bereits das Öffnen einer die Eingabeelemente abdeckenden Klappe oder das Entfernen einer Abdeckung oder eines für die Abdeckung solcher Eingabeelemente geeigneten Gehäuseteils eines entsprechend ausgestalteten Gehäuses sein. Das trifft insbesondere auch für Mehrbereichsgeräte nach dem Stand der Technik zu. Eingabeelemente können dabei sowohl Bedienelemente als auch eine Abgleich-/Konfigurations-/Program- mierschnittstelle oder eine sonstige Schnittstelle zur Beeinflussung von Trennverstärkerfunktionen bzw. Trennverstärkerparametern umfassen.

Um eine hochspannungsseitige Einstellbarkeit und Bedienbarkeit des Trennverstärkers zu ermöglichen, können Bereiche des Eingangskreises von einer Kapselung ausgeschlossen werden, z.B. um mechanisch zu betätigende Bedienelemente von einem Verguss freihalten zu können.

Dies ist beispielsweise bei dem den nächstkommenden Stand der Technik darstellenden Hochspannungstrennverstärker VariTrans® P 42000 der Anmelderin

- siehe www.knick-intemational.com/de/products/proline/hiqh-voltaqe- transducers/varitrans-p-42000/index.html# - der Fall. Bei diesem Stand der Technik ist ein Eingangskreis auf Hochspannungspotenzial mit einem Eingang für ein zu übertragendes Messsig- nal, einer Eingangsschaltung zur Bereitstellung eines das Messsignal repräsentierenden Koppelstreckensignals und einer eingangskreisseitigen Steuereinheit zur Beeinflussung der Eingangsschaltung vorgesehen. Das Messsignal wird als Koppelstreckensignal über eine galvanisch trennende Kop- pelstrecke potenzialgetrennt auf einen Ausgangskreis auf Niederspannungspotenzial übertragen. Letzterer weist eine Ausgangsschaltung zur Erzeugung eines das Messsignal repräsentierenden Ausgangssignals aus dem übertragenen Koppelstreckensignal, einen Ausgang für das Ausgangssignal und eine niederspannungsseitige Einheit zur Ansteuerung der Aus- gangsschaltung auf.

Dieses bekannte Mehrbereichsgerät misst und wandelt Messspannungen bis 3600 V DC, wobei seine Isolation für Arbeitsspannungen in AC/DC bis in diese Höhe ausgelegt ist. Die Messbereiche des Gerätes werden mittels eines Drehcodierschalters gewählt, der sich elektrisch auf der Hochspannungsseite des Trennverstärkers befindet. Daher sind besondere konstruktive Maßnahmen, wie beispielsweise eine Verlängerung der Kunststoffachse des Drehcodierschalters notwendig, damit der Betätigungsknopf des Drehcodierschalters berührsicher im Sinne des Schutzes vor gefährlichen Körperströmen ist. Ein Abgleich eines solchen Trennverstärkers bei hohen Eingangsspannungen ist wegen der eingangsseitig angeordneten Konfigu- rations- und Abgleichschnittstelle sehr aufwendig. Es bestehen hohe Anforderungen an die Isolation zu Prüf- und Abgleichgeräten. Generell ist also erkennbar, dass durch die nicht vollständige Kapselung eines Trennverstärkers nach oben dargestelltem Stand der Technik die Isolation der Hochspannungs-Eingangsseite geschwächt wird. Im Gegensatz dazu ist ebenso erkennbar, dass durch die Übertragung von Messsignal repräsentierenden Signalen und ggf. Hilfsgrößen von der Eingangskreisseite auf die Ausgangskreisseite und gegebenenfalls elektrischer Energie innerhalb des Gerätes über galvanisch trennende Koppelstrecken sowie eine Anordnung von Eingabeelementen innerhalb eines Schaltungskreises mit erdnahem Potenzial, beispielsweise im Ausgangskreis, keine Schwächung der Hochspannungsisolation erfolgt. Dabei ist festzuhalten, dass es für einen Berührschutz eines Anwenders besonders relevant ist, dass Eingabeelemente innerhalb eines Schaltungskreises auf einem solchen, im Allgemeinen erdnahen Potenzial liegen, welches bei Berührung nicht zu gefährlichen Körperströmen führt, also auf einem Niederspannungspotenzial. Ein für die Anordnung von Eingabeelementen geeigneter Schaltungskreis kann bei einem Trennverstärker gemäß Figur 3 daher nicht nur der Ausgangskreis 2 sondern auch der Primärstromversorgungskreis 41 sein, sofern der Primärstromversorgungsanschluss 44 nur geeignete, im allgemeinen erdnahe Potenziale besitzt, also ausschließlich Niederspannungspotenzial auf- weist.

Ausgehend von der geschilderten Problematik des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungstrennverstärker so weiterzubilden, dass ohne Einbußen an Isolationseigenschaften, also insbesondere unter Beibehaltung einer möglichen Vollkapselung des Gerätes auf der Hochspannungsseite, eine Umschaltung/V erstellung ein- gangsseitiger Stellelemente zur Signalkonditionierung, wie Verstärkung, Offset, Frequenzbandbreite und dergleichen, und/oder ein nachträgliches Kalibrieren/ Abgleichen ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst, wonach alle Eingabeelemente, einschließlich derjenigen Eingabeelemente, die der Parametrierung der hochspan- nungsseitigen Steuereinheit dienen, ausschließlich in einem Schaltungs- kreis des Trennverstärkers angeordnet sind, der auf Niederspannungspotenzial liegt.

Darüber hinaus wird ein galvanisch getrennter Steuerkanal zur Übertra- gung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit bestimmten, über die niederspannungsseitigen Eingabeelemente eingebbaren Parameter zur Beeinflussung der Eingangsschaltung vorgesehen.

Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird der Aufbau von voll gekapselten Mehrbereichsgeräten möglich, die auch nachträglich, also beispielsweise bei einer bereits vergossenen Hochspannungsseite, abgeglichen und kalibriert werden können. Ein solcher nachträglicher Abgleich kann z.B. im Rahmen wiederkehrender Eichungen erforderlich sein, insbesondere wenn der Hochspannungstrennverstärker in energiezählenden Ein- richtungen eingesetzt wird.

Neben der unbeeinträchtigten Hochspannungsisolierung sind weitere Vorteile dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Hochspannungstrennverstärkers zu nennen:

- Die durch mechanische, elektrische und thermische Einflüsse beim Einbringen und Aushärten des zur Kapselung verwendeten Vergussmaterials entstehenden Veränderungen der Übertragungseigenschaften infolge der Änderungen der Eigenschaften der elektronischen Bauteile und deren dielektrischer Umgebung sowie durch Al- terungseffekte können durch die nachträgliche Abgleichbarkeit eliminiert werden.

- Die Geräte können mechanisch und elektrisch einschließlich Isolationsvergusses vollständig vorproduziert und auf Abruf gemäß variabler Spezifikationen, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Kundenanforderungen, abgeglichen und parametriert werden.

Dadurch lassen sich erheblich kürzere Lieferzeiten gegenüber einem Produktionsverfahren mit Vergießen nach Ab- gleich/Parametrisierung erzielen.

In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes angegeben. So ist es aufgrund der erfindungsgemäßen Konzeption - wie oben angedeutet - möglich, den Eingangskreis des Trennverstärkers mit einer hochspannungsisolierenden Vollkapselung zu versehen, die beispielsweise durch einen Verguss des Eingangskreises gebildet wird. Damit sind die Isolationseigenschaften des Gerätes zu optimieren.

Der galvanisch getrennte Steuerkanal zur Übertragung der für die hoch- spannungsseitige Steuereinheit bestimmten Parameter kann in bevorzugter Weise durch eine eigene, galvanisch trennende Koppelstrecke gebildet sein, welche also zusätzlich zu einer das Messsignal übertragenden galvanisch trennenden Koppelstrecke oder zusätzlich zu einer Energie übertragenden Koppelstrecke vorgesehen ist.

Eine Alternative für den galvanisch getrennten Steuerkanal zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit bestimmten Parameter zur Ansteuerung der Eingangsschaltung kann auch die Verwendung einer bidirektional betreibbaren Koppelstrecke sein.

Schließlich kann der galvanisch getrennte Steuerkanal zur Übertragung der für die hochspannungsseitige Steuereinheit bestimmten Parameter zur AnSteuerung der Eingangsschaltung auch durch eine mehrfach nutzbare Kop- pelstrecke zur potenzialfreien Übertragung elektrischer Energie vom Pri- märstromversorgungskreis auf den Eingangskreis realisiert werden.

Als galvanisch trennende Koppelstrecke lassen sich auch hier insbesondere Transformatoren oder Optokoppler in bewährter Weise zuverlässig einsetzen.

Verschiedene Alternativen für die niederspannungsseitigen Eingabeelemente können zum einen manuell betätigte Bedienelemente, wie beispiels- weise Drehcodier-, DIP-Schalter, Potentiometer usw. sein, mit deren Hilfe Einstellparameter sowohl für die eingangs- als auch ausgangsseitigen Komponenten des Gerätes eingegeben werden können.

Zum anderen können diese niederspannungsseitigen Eingabeelemente auch durch entsprechende Schnittstellen, also beispielsweise digitale Anschlüsse, zur Eingabe von Konfigurations- und/oder Abgleichparametern gebildet sein.

Weitere abhängige Ansprüche betreffen den bevorzugten Aufbau der Ein- gangs- und Ausgangsschaltung, zu deren Beschreibung und Schilderung der Vorteile zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels verwiesen werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann die hochspannungsseitige Steuereinheit mit verschiedenen Stellgliedern verbunden sein, wie etwa einem dem Eingangsnetzwerk zugeordneten Stellglied zur Umschaltung auf eingangsseitiges Strom- oder Spannungssignal und/oder dem Vorverstärker zugeordneten Stellgliedern zur Einstellung von dessen Verstärkung und/oder Offset. Analog dazu kann in vorteilhafter Weise die ausgangsseitige Steuereinheit mit einem der Signalfiltereinheit zugeordneten Stellglied zur Umschaltung der Filter-Grenzfrequenz und/oder einem der Endstufe zugeordneten Stell- glied zur Umschaltung auf ausgangsseitiges Strom- oder Spannungssignal verbunden sein. Außerdem kann eine gewisse Beeinflussung von Verstärkung und Offset und dergleichen auch auf der Ausgangsseite des erfindungsgemäßen Trennverstärkers erfolgen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den nachfolgenden Beschreibungen der Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnungen entnehmbar. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Hochspannungs- trennverstärkers in einer ersten bevorzugten Ausführungsform, wobei die gesamte Energieversorgung hier nicht dargestellt ist,

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Hochspannungstrennverstärkers in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform mit einem Primärstromversorgungskreis, sowie

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Hochspannungstrennverstärkers nach dem Stand der Technik Figur 1 zeigt einen Hochspannungstrennverstärker mit einem Eingangskreis 1 auf Hochspannungspotenzial und einem Ausgangskreis 2 auf Niederspannungspotenzial, wobei die beiden Schaltungskreise durch eine galvanisch trennende Koppelstrecke 3 zur potenzialfreien Übertragung eines Koppelstreckensignals (welches das Messsignal repräsentiert) verbunden sind. Beispielhaft für die Koppelstrecke 3 sind in der Zeichnung nur zwei mögliche Alternativen, nämlich ein induktiv koppelnder Transformator 4 und ein Opto-Koppler 5 gezeigt. Der Eingangskreis 1 weist einen Eingang 6 auf Hochspannungspotenzial auf, auf den beispielsweise ein Spannungssignal Ui im Hochvolt-Bereich als zu messende Größe gegeben werden kann. Dem Eingang 6 nachgeschaltet ist eine als Ganzes mit 7 bezeichnete Eingangsschaltung, die ein Eingangsnetzwerk 8 mit einem umschaltbaren Strom- und Spannungsein- gang, einen Vorverstärker 9 für das zu übertragende, im Eingangsnetzwerk 8 aufbereitete Messsignal Ui sowie einen Modulator 10 zur Bereitstellung des zu übertragenden Koppelstreckensignals, beispielsweise in Form einer das Messsignal Ui repräsentierenden Wechselspannung bzw. Wechselstroms oder einer pulsierenden Gleichspannung bzw. pulsierenden Gleich- Stroms, aufweist. Gemäß den am Anfang angegebenen Erläuterungen zu Koppelstreckensignalen sind weitere Signalarten möglich.

Der Ausgangskreis 2 wiederum weist eine der Koppelstrecke 3 nachgeschaltete Ausgangsschaltung 1 1 mit einem das übertragene Koppelstre- ckensignal aufnehmenden Demodulator 12 zur Rückwandlung des Koppelstreckensignals, einer dem Demodulator 12 nachgeschalteten Signalfiltereinheit 13, beispielsweise in Form eines Tiefpasses mit Grenzfrequenz- umschaltung, sowie einer der Signalfiltereinheit 13 nachgeschalteten Endstufe 14 auf. Von dieser wird je nach Einstellung auf Ausgangsstrom oder Ausgangsspannung an einem Ausgang 15 des Ausgangskreises 2 beispielsweise ein für das eingangsseitige Spannungssignal Ui repräsentatives 4...20 mA-Normsignal I a ausgegeben, weitere übliche Normsignale als auch kundenspezifische Signale sind als Ausgangs signal möglich. Die Ausgabe digitaler Signale, die das eingangsseitige Spannungssignal Ui repräsentieren, ist in einer weiteren Ausführungsform möglich.

Für die vorstehend erwähnten Einstellmöglichkeiten der diversen Kompo- nenten auf der Eingangs- und Ausgangsseite sind verschiedene Stellglieder vorgesehen, nämlich zum einen am Eingangsnetzwerk 8 ein Stellglied 16 zur Umschaltung zwischen einem Strom- oder Spannung-Eingangs signal und zum anderen am Vorverstärker 9 ein Stellglied 17 zur Einstellung der Verstärkung sowie ein Stellglied 18 zur Einstellung des Offsets des Vor- Verstärkers 9.

Für die Ansteuerung dieser Stellglieder 16, 17, 18 ist eine hochspannungs- seitige Steuereinheit 19 in Form eines logische Signale verarbeitenden integrierten Schaltkreises, beispielsweise eines Mikro-Controllers, vorgese- hen, die über Steuerleitungen 20, 21, 22 mit den Stellgliedern 16, 17, 18 verbunden ist. In an sich bekannter Weise werden von der Steuereinheit entsprechende analoge oder digitale Stellsignale auf die Stellglieder 16, 17, 18 gegeben, um die gewünschten Einstellungen am Eingangsnetzwerk 8 bzw. Vorverstärker 9 vorzunehmen.

Die entsprechenden Parameter zur Ansteuerung der Eingangsschaltung 7 über die Steuereinheit 19 werden gemäß Figur 1 nicht hochspannungssei- tig, sondern niederspannungsseitig im Ausgangskreis 2 eingegeben, wo im Ausgangskreis 2 ebenfalls eine Steuereinheit 23 in Form eines logische Signale verarbeitenden integrierten Schaltkreises, beispielsweise eines

Mikro-Controllers vorgesehen ist. Die Steuereinheit 23 ist insbesondere zur Erzeugung der Steuersignale für den Steuerkanal SK bzw. SK' erforderlich. Die Steuereinheit 23 kann aber zusätzlich auch zur Ansteuerung der Ausgangsschaltung 1 1 verwendet werden. Diese Steuereinheit 23 ist in die- sem Fall über Steuerleitungen 24, 25 mit entsprechenden Stellgliedern 26, 27 an der Signalfiltereinheit 13 bzw. an der Endstufe 14 verbunden. Das Stellglied 26 dient zur Umschaltung der Grenzfrequenz der Signalfilterein- heit 13, während das Stellglied 27 zur Umschaltung des Ausgangs zwi- sehen Strom- und Spannungssignal dient.

Zur Eingabe der entsprechenden Parameter in die ausgangsseitige Steuereinheit 23 dient zum Einen ein mechanisches, manuell betätigbares Einstellelement 28 in Form eines Drehcodierschalters z.B. für die Umschal- tung der eingangs- und ggf. ausgangsseitigen Signalcharakteristik. Zum Anderen ist eine Schnittstelle 29, etwa in Form einer digitalen Daten- Schnittstelle, vorgesehen, mit der Konfigurations- und Abgleichdaten z.B. für die Einstellung der Verstärkung und des Offsets am Vorverstärker 9 sowie ggf. die Einstellung der Grenzfrequenz an der Signalfiltereinheit 13 eingegeben werden können.

Die für die Hochspannungsseite relevanten Einstell-Parameter werden gemäß Figur 1 in der ausgangsseitigen Steuereinheit 23 entsprechend aufbereitet und über einen galvanisch getrennten Steuerkanal SK in Form einer zwischen Ausgangskreis 2 und Eingangskreis 1 vorgesehenen, zweiten galvanisch trennenden Koppelstrecke 30 zur hochspannungsseitigen Steuereinheit 19 übertragen, wo sie entsprechend umgesetzt an die Stellglieder 16, 17, 18 weitergegeben werden. Die zweite Koppelstrecke 30 kann wiederum analog der ersten Koppelstrecke 3 durch einen Transformator 31 oder einen Opto-Koppler 32 oder auch beispielsweise durch einen kapazitiven Wandler oder weitere Typen von Koppelstrecken gebildet sein, wie bereits anfangs aufgezählt wurde. Erkennbar können derartige Einstellungen, Kalibrierungen und Offset- Abgleiche trotz einer kompletten, in der Zeichnung durch eine Schraffur angedeuteten Vollkapselung 33 des Hochspannungstrennverstärkers in Form eines Vergusses auf Seiten des Eingangskreises 1 jederzeit während der Lebensdauer des Gerätes vorgenommen werden.

Wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist, kann in einer alternativen Ausgestaltung ein galvanisch getrennter Steuerkanal SK' zur Übertragung der für die Hochspannungsseite relevanten Einstell-Parameter von der ausgangs- seitigen Steuereinheit 23 auf die eingangsseitige Steuereinheit 19 unter Weglassung der zweiten Koppelstrecke 30 auch durch die dann bidirektional arbeitende Koppelstrecke 3 gebildet sein.

Figur 2 zeigt eine weitere, in Spezialanwendungen sinnvolle Ausgestal- tung eines erfindungsgemäßen Trennverstärkers, wobei hier nur die Teile beschrieben werden, die sich gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Trennverstärker unterscheiden bzw. die in Figur 1 nicht dargestellt sind. Gegenüber der Figur 1 ist in Figur 2 die Energieversorgung des Trennverstärkers mit dargestellt, entsprechend der bereits bekannten und erläuterten Struktur der Figur 3. Der auf Niederspannungspotenzial liegende Primär- stromversorgungskreis 41 enthält eine Anpassschaltung 47 zur Anpassung der über den Primärstromversorgungsanschluss 44 gelangenden elektrischen Energie an die Primärnetzteilschaltung 49. Die Primärnetzteilschaltung 49 erzeugt die zur Energieübertragung geeigneten Koppelstreckensig- nale für die beiden galvanisch trennenden Koppelstrecken 42, 43 und ist außerdem geeignet ausgelegt, einen gestrichelt dargestellten Steuerkanal SK" in den Koppelstreckensignalen bereitzustellen. Die zur Steuerung der Steuereinheiten 19 und ggf. 23 erforderlichen Informationen des Steuerkanals SK" werden dabei von der im Primärstromversorgungskreis 41 ange- ordneten Steuereinrichtung 48 bereitgestellt, die ihrerseits Steuersignale über die Eingabeelemente 28, 29 erhält, welche ebenfalls im Primärstrom- versorgungskreis 41 angeordnet sind. Die Steuereinrichtung 48 kann in Form eines logische Signale verarbeitenden integrierten Schaltkreises, bei- spielsweise eines Mikro-Controllers realisiert sein.

Die elektrische Energie als auch der Steuerkanal SK" werden über die Koppelstrecken 42 und 43 an sekundäre Gleichrichterschaltungen 45, 46 und an Auskoppelschaltungen 50 und 51 zur Auskopplung des Steuerka- nals aus dem jeweiligen Koppelstreckensignal der Koppelstrecke 42 und 43 geleitet. Die Auskoppelschaltungen können dabei als Demodulator wirken und die zur Weiterverarbeitung in den Steuereinheiten 19 und 23 geeigneten Steuersignale erzeugen. Damit ist auch bei dieser möglichen Ausgestaltung eine Steuerung und Beeinflussung insbesondere der auf Hochspan- nungspotenzial liegenden Eingangsseite bzgl. der bereits beschriebenen Übertragungsparameter möglich, wobei die Eingabeelemente auch hier in einem auf Niederspannungspotenzial liegenden Schaltungskreis angeordnet sind, wodurch sich die bereits erwähnten Vorteile eines erfindungsgemäßen Trennverstärkers auch hier ergeben. Selbstverständlich ist auch hier an Stelle einer gemeinsamen Nutzung der Koppelstrecken 42 und 43 jeweils für die Übertragung elektrischer Energie und des Steuerkanals SK" eine jeweils eigene, nur für den Steuerkanal SK" arbeitende Koppelstrecke möglich. Außerdem kann in einer weiteren Ausführungsform ggf. die Steuereinheit 23 entfallen, falls keinerlei Beeinflussung von Parametern auf der Ausgangsseite aufgrund der Eingaben über die Eingabeelemente 28, 29 vorgesehen ist. In diesem Fall entfällt auch der zur Ausgangsseite führende Teil des Steuerkanals SK", der über die Koppelstrecke 43 führt sowie die Auskoppelschaltung 51.