Schaltungsanordnung zur elektrischen Anzeige der Stellung eines Kontaktes
Die Erfindung betrifft eine Schaftungsanordnung zur elektrischen Anzeige der Stellung eines Kontaktes mit galvanischer Trennung des Kontaktkreises und des Anzeigekreises mittels eines Transformators.
Bei den zentralisierten Datenverarbeitungssystemen besteht häufig die Notwendigkeit, die Stellung eines Kontaktes für die Auswertung in einer elektronischen
Einrichtung anzuzeigen. Befindet sich dieser Kontakt in grösserer Entfernung von der zentralen Einrichtung und sind die Verbindungsleitungen in der Nahe von Leistungsanlagen verlegt, so ist eine direkte Verbindung mit den elektronischen Schaltkreisen nachteilig, weil die in den Verbindungsleitungen induzierten Störsignale das einwandfreie Funktionieren dieser Schaltkreise beeinträchtigen können.
Deshalb ist eine galvanische Trennung des Kontaktkreises von der elektronischen Einrichtung wünschenswert. Die zur Verwirklichung dieser Trennung dienende Schaltung muss gegenüber Störsi- gnalen wie auch gegenüber einem Kontaktprellen unempfindlich sein, muss aber trotzdem imstande sein, schnellen Zustandsänderungen zu folgen.
Das bisher am häufigsten ftir diese Zwecke beniitzte Schaltelement ist ein durch den entsprechenden äusseren Kontakt gesteuertes Relais, dessen Eigenkontaktbzw. Eigenkontakte - direkt die elektronischen Schaltkreise bedinenen können. Das Relais hat den Vorzug, mehrere Ausgänge zu besitzen, doch hat es eine begrenzte Lebensdauer, verursacht Stbrungen, erfordert verhält- nismässig grosse Leistungen, und überdies weisen die Relaiskontakte ihrerseits Prellschwingungen auf, die bei den elektronischen Schaltkreisen nicht unbericksichtigt bleiben dürfen.
Ferner gibt es heute fotoelektrische Einrichtungen, die eine Kopplung von zwei Schaltkreisen mittens eines Lichtbündels erlauben. Doch sind diese Einrichtungen entweder zu langsam oder zu kostspielig und haben eine sehr geringe Leistungsausbeute.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die durch den Kontakt gesteuerte Gleichspannung einem Oszillator zuzuftihren, dessen Ausgang auf einen die galvanische Trennung gewährleistenden Transformator geschaltet ist. Diese Lösung wire jedoch kostspielig, weil man für jeden Eingangskreis einen Oszillator und für die Kontaktkreise galvanisch getrennte Stromversorgungsquellen benötigen würde.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die den Kontaktkreis von dem Anzeige- bzw. Auswertekreis galvanisch entkoppelt, eine derart einstellbare Ansprechgeschwindigkeit besitzt, dass sie einerseits gegeniiber in diesem Kreis induzierten Störsignalen und dem Prellen von Kontakten unempfindlich gemacht werden kann, jedoch anderseits der maximalen Kontaktgeschwindigkeit folgen kann, und die schliesslich im Kontaktkreis keinerlei Speisungsquelle benötigt und für mehrere Eingangskreise einen einzigen Oszillator verwendet.
Erfindungsgemiss wird dies dadurch erreicht, dass der Kontakt im Sekundärkreis des Transformators liegt und beim Schliessen seine Sekundärwicklung kurzschliesst, dass die Primärwicklung des Transformators im Anzeigekreis liegt und iiber einen Widerstand von einem Oszillator gespeist wird und das an der Primär- wicklung erzeugte elektrische Signal, lessen Amplitude von der durch die sekundärseitige Kontaktstellung beeinflusste Impedanz der Primärwicklung abhingig ist, zur elektrischen Anzeige der Kontaktstellung dient.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Lösung macht sich also den Umstand zunutze, dass die primirseitig gesehene Impedanz eines Transformators sehr klein wird, wenn seine Sekundärwicklung kurzgeschlossen wird.
Zweckmissigerweise wird dabei das an der Primär- wicklung gewonnene ausgangsseitige Signal gleichgerichtet, in einem Siebkreis geglittet und auf den Eingang einer nachgeschalteten Schwellwertanordnung gegeben; diese Anordnung (z. B. ein Schmitt-Trigger) besitzt einen derartigen Schwellspannungswert, dass z.B. bei offenem Kontakt -- bei welcher Kontaktstellung die Impedanz der Primärwicklung relativ hoch ist - die Amplitude des gleichgerichteten und gelätteten Signals weit tiber der Schwellspannung liegt, so dass die Schwellwertanordnung gesetzt wird und in diesem Zustand bis zur Schliessung des Kontaktes verharrt.
Dabei liefert sie an ihrem Ausgang das eine der beiden möglichen Signalniveaus. ei geschlossenem Kontakt wird die Impedanz der Primärwicklung infolge der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung jedoch drastisch verringert; das Signal am Eingang der Schwellwertanordnung fällt somit weit unter die Schwelle, die Schwellwertanordnung wird zuriickgestellt und liefert an ihrem Ausgang das zweite binäre Signalniveau. Der Siebkreis dient gleichzeitig zum Ausgleich von durch Kontaktprellen bewirkten Schwankungen des an der Primärwicklung erzeugten elektrischen Signals.
Anhand der Figuren sei die Erfindung naclistehend beispielsweise erläutert; Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer vorgeschlagenen Schaltungsanordnung.
Fig. 2 eine Verhesserung, die einen Betrieb bei höheren Frequenzen ermöglicht.
Fig. 3 ein detailliertes Ausführungsbeispiel.
Gemäss Fig. 1 liegt der Kontakt 4 direkt an der Sekundärwicklung des Transformators 3 und schliesst diese in der geschlossenen Stellung kurz, während die Sekundärwicklung bei offenem Kontakt nicht belastet wird. Diese Kurzschlussbelastung bzw. Nichtbelastung wirkt sich in bekannter Weise auf die Impedanz der Primärwicklung aus; bei offenem Kontakt ist diese Impedanz relativ hoch und wird beim Schliessen des Kontaktes durch den Kurzschluss im Sekundärkreis drastisch herabgesetzt. Über einen Widerstand 2 wird der Primärwicklung die Ausgangs-Wechselspannung eines Oszillators mit relativ holler Frequenz ausgeftihrt (sie kann z. B. ca. 100 klllz betragen).
Die Grösse des Widerstands 2 ist so bemessen, dass im Falle der durch Kurzschluss herabgesetzten Primärwicklungsimpedanz das an der Primärwicklung erzeugte HiF-Signal eine kleine Amplitude U1 aufweist, die praktisch gleich Null ist; bei offenem Kontakt 4 und somit unbelasteter Sekundärwicklung ist die Primärwicklungs-Impedanz dagegen viel grosser als der Widerstand 2, so dass an der Primärwicklung ein HF-Signal mit beträchtlicher Amplitude U1 erzeugt wird. Das HF-Signal mit den zwei möglichen Amplitudenwerten (von denen der eine nahezu Null ist) wird nun durch ein Gleiclincliterele- ment 5 gleichgerichtet und über einen Widerstand 6 einem Sieb- bzw. Glättungskreis zugeführt, der aus dem Kondensator 8 und dem Widerstand 7 besteht.
Am Kondensator entsteht somit die geglättete Gleichspan- nung U2, die der Amplitude des HF-Signals U, proportional ist. Die durch die Schaltungselemente 6, 7 und 8 bestimmte Zeitkonstante muss gegenüber dem Reziprokwert der Oszillatorfrequenz gross sein. Der Siebkreis dient dabei nicht zur Glättung der ihm zugeführten pulsierenden Gleichspannung, sondern überbrückt dank seiner Trigheit gleichzeitig auch durch Kontaktprellen bedingte Schwankungen dieser Gleichspannung.
Die geglättete, bivalente Gleichspannung U, wird nun dem Eingang einer Schwellwertanordnung 9 zugeführt, die z. B. ein Schmitt-Trigger sein kann oder eine sonstige, mit einer kritischen Eingangsspannungsschwelle behaftete bistabile Kippstufe. Die Schwellspannung ist dabei so gewählt, dass hei dem einem offenen Kontakt entsprechenden, reliativ grossen Wert von U1 die Schwellspannung weit überschritten, bei dem zweiten, nahezu verschwindenden Wert hingegen bei weitem nicht erreicht wird, so dass - unbeschadet des Hystereseefektes der Schwellwertanordnung - diese Anordnung 9 je nach Kontaktstellung in ihren ersten bzw.
zweiten stabilen Zustand geschaltet wird und an ihrem Ausgang das gewünschte binäre Signal liefert ( O bzw.
L ).
Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit einer eigenen Speisungsquelle für die sich auf der Transformator-Sekundärseite befindenden Kontakte, und die Kontaktstellung wird am Ausgang der Schwellwertanordnung 9 exakt und störungssicher angezeigt.
In Fig. 1 ist durch den Widerstand 2' angedeutet, dass eine Anzahl weiterer Kontakt-Anzeigevorrichtungen der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Art an eine Sammelleitung angeschlossen werden können, die von einem einzigen HF-Oszillator 1 bedient wird.
Im allgemeinen befinden sich die Kontakte in grösse- rer Entfernung von den Anzeigevorrichtungen und sind mit dies yen durch Obertragungsleitungen verbunden, wie in den Figuren durch unterbrochene Linienzüge angedeutet. Es muss aber dafür gesorgt werden, dass der ohmsche Oesamtwiderstand einer Ubertragungsleitung gegenüber dem Widerstand 2 klein ist.
Ferner muss sichergestellt werden, dass für die verwendete Frequenz des HF-Oszillators die durch die Gegeninduktivität bestimmte Transformator-Impedanz im Vergleich zum Widerstand 2 gross ist, dass aber die durch die Transfor mator-Streuinduktivitäten und durch die Induktivität der Übertragungsleitung bestimmten Impedanzen im Vergleich zum Widerstand 2 klein sind.
Die Wahl einer höheren Frequenz ermbglicht die Verwendung kleinerer Schaltungselemente. Andererseits kann die Kapazität der Übertragungsleitung eine zu hohe Frequenz kurzschliessen. Zur Behebung dieses Nachteils kann man den Kontaktkreis mit einer durch Gleichrichtung gewonnenen Gleichspannung beaufschlagen (Fig. 2). Der Kondensator (11) dämpft die Welligkeit, die von der Dbertragungsleitung ausgestrahit werden könnte.
Fig. 3 zeigt im Detail ein praktisches Ausführungs- beispiel. Der HF-Oszillator 1 ist ein astabiler Multivibrator mit einer Schwingfrequenz von ca. 100 kHz. Mit nachgeschaltetem Transistorverstärker 2 kann der Oszillator bis zu 20 Anzeigevorrichtungen bedienen. Die Ankopplung der einzelnen Anzeigevorrichtungen erfolgt iiber Entkopplungsdioden, die jeweils dem bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten, zwischen Oszillator und Transformator-Primärwicklung liegenden Anspeisungswiderstand vorgeschaltet sind.
Um für das primärseitig erzeugte Wechseispannungssignal eine Zweiweg-Gleichrichtung anwenden zu können, ist primärseitig noch eine weitere, mit ihrer Mittelanzapfung an Masse gelegte Wicklung vorgesehen; selbstverständ- lich folgt die Amplitude des in dieser Wicklung induzierten Signals genau der Amplitude des Signals in der galvanisch mit dem Verstärker 2 verbundenen Primär- wicklung, so dass beim Schliessen des Kontaktes auch die Signalamplitude in der zur Zweiweggleichrichtung dienenden Wicklung einen sehr kleinen, nahezu verschwindenden Wert annimmt.
Die Verwendung der Doppelweggleichrichtung ermöglicht eine grbssere Freizügigkeit bei der Wahl des Glättungskondensators 4, der dabei eine kleinere Kapazität aufweisen kann als bei der gemäss Fig. 1 angenommenen Einweggleichrichtung.
Die eigentliche Anzeigevorrichtung, also die Schwellwertanordnung 5, ist eine wohlbekannte bistabile Schaltung mit zwei komplementären Transistoren; diese Schaltung, die ein thyristorartiges Verhalten aufweist, wird bei Uberschreitung einer durch einen zwischen einer festen Speisespannung (z.B. +5V) und Masse liegenden Spannungsteiler definierten Schwellspannung durch das dem pnp-Transistor zugeführte Gleichspannungssignal stromführend, wobei eine Stromleitung in beiden Transistoren erfolgt und der leitende npn-Transistor mit dem nahezu verschwindenden Widerstand seiner Kollektor-Emitter-Strecke den an Masse liegenden Widerstand des Spannungsteilers kurzschliesst.
Mithin wird beim stromfiihrenden Zustand der bistabilen Schaltung, der bei gebffentem Kontakt angenommen wird, am Ausgang dieser Schaltung ein sehr kleines Signal abgeben, das dem O-Niveau entspricht. Beim Schliessen des Kontaktes wird das dem Emitter des pnp-Transistors zugeführte Gleichspannungssignal infolge des Kurzschlusses im Transformator-Sekundärkreis so klein, dass beide Transistoren der bistabilen Schaltung spontan stromlos werden; dies hat zur Folge, dass der an Masse liegende Widerstand des Spannungsteilers wieder voll wirksam wird und am Ausgang das durch das Verhältnis der beiden Spannungsteilerwiderstände definierte Signalniveau abgegeben wird, das dem L-Niveau entspricht.
Der den Ausgang tiberbrilckende Kondensator dient zur Gliittung von Spannungsspitzen, die von der Spannungsteiler-Speisespannung herrühren könnten.