• Knick | Über uns

Übertragungseigenschaften

Die von einem Gerät zur Signalübertragung geforderten Übertragungseigenschaften werden durch verschiedene Faktoren bestimmt. Neben den Anforderungen an Genauigkeit und Geschwindigkeit der Signalübertragung sind die Eingangsdaten nachfolgender Geräte, die Eigenschaften des zu übertragenden Signals, aber ggf. auch die Umgebungsbedingungen zu beachten.

3.1 Strom- oder Spannungsübertragung

Die ersten Kriterien für die Auswahl eines Trennverstärkers oder Messumformers sind das zu verarbeitende Eingangssignal und das benötigte Ausgangssignal. Das Ausgangssignal wird im Allgemeinen durch nachfolgende Geräte wie Regler, Anzeiger, SPS, PLS usw. bestimmt, wobei viele dieser Geräte alternativ über Strom- und Spannungseingänge verfügen.

Stehen beide Möglichkeiten zur Verfügung, sind insbesondere für längere Übertragungsstrecken Stromsignale vorzuziehen (siehe Abb. 14). Eingeprägte Stromsignale sind gegen die Einkopplung von Störungen deutlich unempfindlicher als Spannungssignale.

Übertragung eines Messsignales über größere Entfernungen

Abbildung 14: Übertragung eines Messsignales über größere Entfernungen

3.2 Eingangswiderstand

Die Eingangswiderstände moderner Trennverstärker sind im Allgemeinen so bemessen, dass sie für Spannungseingänge ausreichend hochohmig und für Stromeingänge ausreichend niederohmig sind, so dass das zu verarbeitende Signal praktisch nicht belastet wird. Nur in wenigen Fällen (sehr kleine Spannungssignale mit hohem Quellwiderstand oder gering belastbare Stromsignale) könnte der Eingangswiderstand ein Auswahlkriterium für Trennverstärker darstellen. Der Eingangswiderstand des speziell für Shuntanwendungen entwickelten Trennverstärkers VariTrans P 41000 ist im Vergleich zu anderen Trennverstärkern mit ca. 100 kΩ relativ niederohmig. Für die Anwendung an Shunts, deren Widerstände im mΩ-Bereich liegen, ist dieser Wert jedoch immer noch um mehrere Zehnerpotenzen höher als erforderlich.

3.2.1 Eingangsspannungsabfall

Bei verschiedenen Trennverstärkern mit Stromeingang sowie bei Trennern ohne Hilfsenergie wird die Belastung des Eingangssignals nicht als Eingangswiderstand, sondern als Spannungsabfall angegeben. Dieser Spannungsabfall ist im normalen Betriebszustand konstant und beträgt bei aktiven Trennverstärkern je nach Typ max. 500 mV. Bei passiven Trennern ergibt sich ein Spannungsabfall am Eingang, der aus dem Eigenspannungsbedarf des Gerätes zuzüglich der Bürdenspannung am Ausgang resultiert. Vor dem Einsatz passiver Trenner sollten daher sowohl die Belastbarkeit des Messsignals als auch die am Ausgang des Trenners angeschlossene Bürde bekannt sein. Eine Ausnahme bilden die passiven Trenner von Knick mit Bürdenstop®-Funktion: Der primärseitig eingespeiste Strom wird unabhängig von der Ausgangsbürde rückwirkungsfrei aufrechterhalten.

3.3 Belastbarkeit des Ausgangs

Die Belastbarkeit von Spannungsausgängen wird im allgemeinen durch den maximalen Strom gekennzeichnet. Bei Stromausgängen wird für die Belastbarkeit von fast allen Herstellern ein Widerstandswert angegeben. Diese Angabe beschreibt die Belastbarkeit der Ausgangsströme von Knick-Trennverstärkern nicht völlig korrekt. Daher wird hier die Ausgangsbelastbarkeit „traditionell“ als Spannungswert angegeben.

Ein 20-mA-Stromausgang, dessen Belastbarkeit 10 V beträgt, ist
z. B. bei 5 mA mit 2 kΩ oder bei 10 mA mit 1 kΩ belastbar.

Die Angabe der maximal zulässigen Bürdenspannung 10 V gilt also für jeden Stromwert, während die Angabe 500 Ω ausschließlich für 20 mA gelten würde.

3.4 Übertragungsgenauigkeit

Viele Knick-Trenner zeichnen sich durch außergewöhnlich geringe Übertragungsfehler aus, so dass die Genauigkeitsanforderungen praktisch aller in der industriellen Messtechnik vorkommenden Messaufgaben übertroffen werden. Die Langzeitstabilität von Knick-Potentialtrennern stellt höchste Übertragungsgenauigkeit auch über die für Knick-Trennverstärker und Messumformer geltende Garantie von fünf Jahren hinaus sicher.

3.4.1 Abbildungsqualität von Messsignalen

Nicht nur für Anwendungen in der Messtechnik ist eine möglichst abbildungsgetreue Übertragung des Eingangssignals erforderlich. Signalverzerrungen beim Polaritätswechsel, Überschwingen bei Signaländerungen, extreme Dachschrägen bei Rechteckübertragung sind bei etlichen am Markt erhältlichen Trennverstärkern die Regel. Diese unerwünschten Eigenschaften sind vom Anwender zunächst nicht erkennbar. Erst im Betrieb werden häufig zunächst unerklärbare Messfehler bemerkt. Bei zyklischer, digitaler Abtastung von Messwerten können Signalverzerrungen z. B. durch Überschwingen erhebliche Messfehler verursachen. Deshalb wird bei der Entwicklung von Knick-Trennverstärkern auch der abbildungsgetreuen Übertragung von Signalen traditionell hohe Bedeutung zugemessen.

3.4.2 Restwelligkeit

Das Ausgangssignal von Trennverstärkern und Messumformern ist prinzipbedingt von geringen Störspannungen überlagert. Diese Störspannungen werden z. B. durch die Chopperfrequenz sowie durch Netzdurchgriff verursacht. Die Amplitude dieser als Restwelligkeit bezeichneten Störspannung sollte möglichst gering sein, weil anderenfalls – insbesondere bei geringer Aussteuerung – Messwertverfälschungen nicht ausgeschlossen werden können.

3.5 Temperaturkoeffizient (Verstärkungsdrift)

Der Temperaturkoeffizient bzw. die Verstärkungsdrift ist eine Angabe für durch Temperaturänderungen hervorgerufene Verstärkungsänderungen. Driftraten werden als relative Größe in %/K, oder als Absolutwert z. B. in nA/K oder μA/K angegeben. Bei Absolutwertangaben muss darauf geachtet werden, ob sich der TK auf den Eingang oder den Ausgang bezieht.

Beispiele:

– Der Temperaturkoeffizient am Ausgang eines Trennverstärkers beträgt max. 10 nA/K. Eine Temperaturänderung von 20 K bewirkt eine Ausgangsstromänderung von 20 · 10 nA = 200 nA.

– Der TK eines Meßumformers beträgt 0,0025 %/K. Eine Temperaturänderung von 20 K bewirkt eine Verstärkungsänderung von 20 · 0,0025%= 0,05 %.

3.6 Offsetspannung, Offsetstrom

Bei realen Verstärkern ist die Ausgangsgröße auch dann nicht exakt Null, wenn das Eingangssignal Null ist. Die Eingangs-Offsetspannung eines Verstärkers ist definitionsgemäß die Spannung, die an den Eingang angelegt werden müsste, damit die Ausgangsgröße zu Null wird. Sie wirkt also wie eine Eingangsspannung bzw. wie eine in Reihe zum Eingangssignal wirkende zusätzliche Spannung (siehe Abb. 15).

Offset-Spannung

Abbildung 15: Offset-Spannung

Der Eingangs-Offsetstrom eines Verstärkers wirkt ebenfalls wie ein zusätzliches Eingangssignal (siehe Abb. 16). Bei Verstärkern mit Spannungseingang erzeugt der Offsetstrom am Innenwiderstand einer Signalspannungsquelle einen Spannungsabfall, der sich zu dem Eingangssignal addiert. Offsetspannung und Offsetstrom sind bei Knick-Trennverstärkern sehr gering, so dass sie für übliche Anwendungen vernachlässigt werden können. Nur bei sehr speziellen Anwendungen, z. B. der 1:1-Übertragung sehr kleiner Messsignale oder der Übertragung bzw. Verstärkung sehr hochohmiger Signale, sollten Offseteinflüsse berücksichtigt werden. Die Polarität von Offsetgrößen ist exemplarabhängig und wird daher ohne Vorzeichen als Betragsgröße angegeben.

Offset-Strom

Abbildung 16: Offset-Strom

3.7 Grenzfrequenz

Trennverstärker und Messumformer sind grundsätzlich für die Übertragung oder Verstärkung von Gleichspannungssignalen vorgesehen. Um auch schnelle Messwertänderungen nahezu verzögerungsfrei übertragen zu können, sind Knick-Bausteine auch begrenzt zur Übertragung von Wechselgrößen geeignet. Die obere Grenzfrequenz beträgt für sinusförmige Signale je nach Typ bis zu  12 kHz. Wie in der Elektronik und Nachrichtentechnik üblich, ist als obere Grenzfrequenz fg die Frequenz definiert, bei der die Verstärkung gegenüber der DC-Verstärkung um 3 dB gedämpft ist, also ca. 71 % der DC-Verstärkung entspricht (siehe Abb. 17).

Grenzfrequenz

Abbildung 17: Grenzfrequenz

3.8 Gleichtaktverhalten

Legt man an beide Eingänge eines symmetrischen Verstärkers dieselbe Spannung Ugl gegen Erde, bleibt die Eingangsspannung UE = 0. Diese Betriebsart nennt man Gleichtaktaussteuerung. Bei einem ideal symmetrischen Verstärker müsste die Ausgangsspannung UA ebenfalls 0 bleiben. Bei realen Verstärkern ist dies jedoch nicht der Fall, d. h., am Ausgang wird eine von 0 abweichende Spannung auftreten (siehe Abb. 18). Eine Gleichtaktaussteuerung ist immer dann gegeben, wenn die Signalspannung nicht auf Erdpotential liegt, d. h., wenn zwischen den (beiden) Eingangsleitungen und der Erde eine Potentialdifferenz vorhanden ist, z. B. bei der Spannungsmessung an einem gegen Erdpotential hochliegenden Shunt.

Gleichtaktaussteuerung

Abbildung 18: Gleichtaktaussteuerung

Gleichtaktspannungen können auch als Gleichtaktstörspannungen, z. B. bei Schaltvorgängen, durch Einstreuungen in die Signalleitungen oder durch Ausgleichsströme auftreten. Das Verhältnis zwischen einer anliegenden Gleichtaktspannung und der daraus resultierenden Ausgangsspannung nennt man Gleichtaktverstärkung. In der Praxis interessiert jedoch mehr die Abweichung vom idealen Gleichtaktverhalten eines Verstärkers, die als Gleichtaktunterdrückung angegeben wird. Die Gleichtaktunterdrückung G wird definiert als Quotient zwischen Gegentakt- und Gleichtaktverstärkung oder als logarithmisches Verhältnis zwischen einer anliegenden Gleichtaktspannung Ugl und einer Signalspannung Ud, die das gleiche Ausgangssignal hervorrufen würde: G = 20 · log (Ugl/Ud) [dB].

Beispiel:
Die Gleichtaktaussteuerung eines Trennverstärkers mit Ugl = 800 V verursacht bei einer Gleichtaktunterdrückung von 120 dB einen Gleichtaktfehler am Eingang von Ud = 800 V/10120/20 = 0,8 mV. Bei einem Trennverstärker mit einer Eingangsempfindlichkeit von
60 mV ergibt das einen Gleichtaktfehler von ca. 1,3% vom Bereichsendwert. Für Gleichtaktspannungen im DC- und niederfrequenten AC-Bereich (50 Hz) ist eine hohe Gleichtaktunterdrückung meist problemlos zu realisieren. Der Gleichtaktfehler in diesem Bereich ist bei Trennverstärkern von Knick vernachlässigbar. Die Gleichtaktunterdrückung von Verstärkern ist jedoch frequenzabhängig und wird mit höherer Frequenz deutlich geringer. Dazu trägt wesentlich die Koppelkapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung des verwendeten Übertragers bei, die mit vertretbarem Aufwand nicht beliebig verringert werden kann. Daher ist die Gleichtaktunterdrückung bei impulsförmig auftretenden Gleichtaktspannungen oder schnellen Gleichtaktspannungsänderungen deutlich geringer.

Transiente Gleichtaktspannungen können sowohl durch singuläre als auch durch periodisch wiederkehrende Schaltvorgänge, z. B. in thyristorgesteuerten Stromrichtern, verursacht werden. Bei den Trennverstärkern der Reihe VariTrans P 40000 wurde zur Unterdrückung derartiger Gleichtaktimpulse die TransShield-Technologie eingesetzt. Sie ermöglicht gegenüber herkömmlichen Konstruktionen kompakte und streuarme Hochspannungstransformatoren. Durch den daraus resultierenden Platzvorteil konnten die Shunttrenner VariTrans P 41000 in einem nur 22,5 mm breiten Anreihgehäuse realisiert werden. Gleichtaktstörungen wie hohe transiente Überspannungen werden sicher abgetrennt und verursachen praktisch keine Messfehler am Ausgang. Für die entsprechende Datenangabe wird der Begriff T-CMRR (Transient Common Mode Rejection Ratio) definiert. Er beschreibt den Quotienten zwischen Differenz-Gleichspannungsverstärkung und Gleichtaktverstärkung eines transienten Störsignals mit einer Anstiegsgeschwindigkeit von    1000 V/μs (siehe Abb. 19).

Testschaltung zur Messung der T-CMRR

Abbildung 19: Testschaltung zur Messung der T-CMRR

Die Geräte der Reihe VariTrans P 40000 sind daher besonders für Messungen an Shunts geeignet, bei denen mit Gleichtaktimpulsspannungen bzw. sich schnell ändernden Gleichtaktspannungen zu rechnen ist. Die Trennverstärker erreichen eine T-CMRR von 115 dB, die Gleichtaktunterdrückung für 50-Hz-Störungen beträgt 150 dB.

Kontaktieren Sie uns
Tel.: +49 30 80191-0
Fax: +49 30 80191-200
Vertrieb
Wir verwenden Cookies, um Inhalte und Anzeigen zu personalisieren, Funktionen für soziale Medien anbieten zu können und die Zugriffe auf unsere Website zu analysieren. Durch die Nutzung dieser Website erklären Sie sich mit unserer Verwendung von Cookies einverstanden.