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Trenner mit und ohne Hilfsenergie

Funktionsweise:

Es ist naheliegend, dass die Übertragung und Potentialtrennung von Wechselgrößen vorzugsweise mit Hilfe von Transformatoren realisiert wird. Transformatoren sind zuverlässig, einfach herzustellen und für hohe Arbeitsspannungen bzw. Isolationsspannungen geeignet.

Für die Übertragung von Gleichspannungssignalen ist das transformatorische Prinzip zunächst nicht geeignet. Daher wird das Gleichspannungs-Messsignal mittels eines elektronischen Zerhackers (engl. Chopper) in eine Wechselspannung umgesetzt. Diese Wechselspannung wird über einen Transformator zum Sekundärkreis übertragen, dort synchron mit der Chopperfrequenz gleichgerichtet (siehe Abb. 3) und die resultierende Gleichspannung schließlich ggf. umgesetzt oder verstärkt.

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Abbildung 3: Prinzipschaltbild eines Trenners mit transformatorischer Trennung

Ein anderes Prinzip der Signalverarbeitung kommt in den modernen, umschaltbaren Trennverstärkern der Reihe VariTrans bzw. den neuen Messumformern der 6-mm-Klasse zur Anwendung. Das Eingangssignal wird in ein frequenzkonstantes Rechtecksignal umgesetzt. Abhängig von der Eingangsspannung wird das Tastverhältnis der Rechteckspannung verändert (Pulsweitenmodulation, PWM). Das pulsweitenmodulierte Rechtecksignal wird über einen Transformator potentialgetrennt zur Ausgangsseite übertragen und dort über ein Tiefpassfilter in eine Spannung oder einen Strom zurückgewandelt (siehe Abb. 4).

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Abbildung 4: PWM-Prinzip: Pulsweitenmodulation

Das Übertragungsverhältnis des Trennverstärkers oder Messumformers wird durch einen Microcontroller gesteuert. Die Parametrierung wird über DIP- und Drehkodierschalter vorgenommen. Da diese Schalter nicht wie üblich in die Gegenkopplung von Verstärkerschaltungen eingebunden sind, sondern ausschließlich digitale Signale schalten, sind sie nicht strombelastet und können keine Fehler durch Übergangswiderstände verursachen.

1.1 Trennverstärker mit Hilfsenergie (Aktive Trenner)

Trennverstärker sind die am häufigsten eingesetzte Variante von Geräten zur galvanischen Trennung von Messsignalen. Je nach Ausführung dienen sie häufig nicht nur als Potentialtrenner, sondern gleichzeitig auch als Messwertumformer zur Signalumsetzung von Spannungen oder Strömen in normierte 20-mA- oder 10-V-Signale. Bei der 1:1-Übertragung von Messsignalen werden sie auch zur Erhöhung der Signalbelastbarkeit eingesetzt. Die Belastung des Eingangssignals durch den Trennverstärker ist i. A. vernachlässigbar. Trennverstärker benötigen grundsätzlich eine externe Versorgungsspannung. Typische Vertreter sind die umschaltbaren Trennverstärker VariTrans P 27000 und P 15000.

Trennverstärker für unipolare Signalverarbeitung

Für viele Anwendungen – z. B. für die Verarbeitung der Normsignale 0/4 ... 20 mA und 0 ... 10 V – können Trennverstärker eingesetzt werden, die ausschließlich zur Übertragung unipolarer Messsignale geeignet sind. Zur exakten Übertragung auch im Bereich des Nullpunktes reicht der Aussteuerbereich aller unipolaren Trennverstärker von Knick jedoch bis einige Prozent in den negativen Bereich hinein (siehe Abb. 5).

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Abbildung 5: Prinzipschaltbild eines aktiven unipolaren Trennverstärkers

Trennverstärker für bipolare Signalverarbeitung

Häufig ist die Verarbeitung bipolarer Messsignale erforderlich, wenn z. B. Motorströme in beiden Drehrichtungen gemessen werden sollen. Auch für die Erfassung von Wegstrecken oder zur verbesserten Auflösung von Messsignalen werden bipolare Signale verarbeitet. Bipolare Trennverstärker bietet Knick ebenfalls in verschiedenen Ausführungen an, z. B. den Typ VariTrans A 26000 für bipolare Standardsignale (siehe Abb. 6).

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Abbildung 6: Prinzipschaltbild eines aktiven bipolaren Trennverstärkers

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