CH663302A5 - Schaltung zum anpassen von eingangssignalen an einen logischen signalpegel. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Eingangsschaltung für logische und Prozessdaten-Schaltungen zur Anpassung eines Eingangssignals (Uvh) an den logischen Signalpegel, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Eingangsklemme (VH) der Eingangsschaltung und einem ersten Eingang (A) einer Vergleicherschaltung (IC) eine Diode (Dl) und ein Widerstand (Rl) in Reihe geschaltet sind, wobei zwischen ihrem gemeinsamen Punkt und der Masse ein Widerstand (R2) liegt, dass an den erwähnten ersten Eingang (A) der Vergleicherschaltung (IC) eine Diode (D2) geschaltet ist, die mit ihrem anderen Ende an eine Speisespannung (+V) angeschlossen ist, dass zwischen dem erwähnten ersten Eingang (A) und einem Ausgang (C) der Vergleicherschaltung (IC), der seinerseits mit einer Ausgangsklemme (IZ) verbunden ist, ein Kondensator (Cl) geschaltet ist, dass die Vergleicherschaltung (IC) über einen Punkt (E) mit der Speisespannung ( +V) und über einen weiteren Punkt (D) mit der Masse verbunden ist, dass ein Widerstand (R7) zwischen den erwähnten Ausgang (C) der Vergleicherschaltung (IC) und die Speisespannung (+V) geschaltet ist, dass eine mit der Masse verbundene Leuchtdiode (LD) in Serie mit einem Widerstand (R6) geschaltet ist, welcher seinerseits mit dem erwähnten Ausgang (C) der Vergleicherschaltung (IC) verbunden ist, dass zwischen der Masse und einem zweiten Eingang (B) der Vergleicherschaltung (IC) einerseits zwei parallelgeschaltete Widerstände (R3, R4) und andererseits ein Kondensator (C2) vorgesehen sind, und dass der erwähnte zweite Eingang (B) der Vergleicherschaltung (IC) über einen Widerstand (R5) mit der Speisespannung (+V) verbunden ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Eingangsschaltung für logische und Prozessdaten-Schaltungen zur Anpassung eines Eingangssignals an den logischen Signalpegel.

Da in der Industrieumgebung Störungen auftreten, soll eine Eingangsschaltung unempfindlich gegen diese Störungen und eventuelle höhere Spannungen an den Eingangsklemmen sein. Es ist auch wünschenswert, dass eine Zustandsanzeige des Eingangssignals eingebaut ist.

Bei dem bestehenden Stand der Technik kann man die bekannten Lösungen in drei Gruppen aufgliedern, deren Merkmale sind:

1) Galvanisch getrennte Eingänge

2) Keine galvanisch getrennten Eingänge

3) Spannungsform und -grosse:

— Wechselspannung

— Gleichspannung

— Spannungswerte: 12, 24, 48, 110 und 220 V.

Man gelangt schnell zum Schluss, dass es schwierig ist,

eine Universalschaltung zu bauen, die allen Anforderungen genügt und nur minimale Änderungen von Schaltelementen erfordert.

Zur Vermeidung von Störeinflüssen auf die logischen oder Prozessdaten-Schaltungen werden Lösungswege benutzt, die auf folgenden Merkmalen basieren:

a) Hystereseeigenschaften des Eingangs b) störungsfiltrierende Zeitkonstante am Eingang c) Kombination von a und b c) Strombelastung des signalerzeugenden Generators, was eine «Filtrierung» der aus dem Netz stammenden Störungen zur Folge hat.

Die bekannten Lösungen mit den obenangeführten Lösungswegen haben einige Vorteile und Nachteile, die beste darunter ist diejenige, welche die Firma Siemens in ihr freiprogrammierbares System S5-030 eingebaut hat. Der Schaltplan ist in Fig. 1 dargestellt.

Das Eingangssignal wird am Spannungsteiler R9-R10 so geteilt, dass am Eingang des ersten Verstärkers OJ1 eine ein-gangsspannungsabhängige Spannung erhalten wird (s. Fig. 1). Diese Spannung wird auf den Ausgang des Verstärkers übertragen und stellt die logische Eins («l»).dar, mit einem Wert von + 5 V. Das RC Filter filtriert die beim Umschalten erzeugten Störungen (Spannungssprung) und hält gleichzeitig den Ausgang des Verstärkers OJ1 vom Einschwingen ab.

Der Eingang hat einige wichtige Nachteile. Die Toleranz der Eingangsspannung beträgt 20-30 V. Falls das Eingangssignal ausserhalb dieser Toleranz liegt, sollte die Eingangsstufe nicht zerstört werden. Bei dieser Schaltung kann das passieren, wenn das Eingangssignal etwa 8 V beträgt, denn dann ist die Spannung am Eingang des Verstärkers OJ1 ca. 2,5 V, wodurch der erste Verstärker im linearen Bereich arbeitet und er wegen der grossen Verlustleistung zerstört werden kann. Steigt aber die Eingangsspannung über 58 V, so ist die Spannung am Eingang des Verstärkers OJ1 grösser als 18 V, was genügt, um ihn zu zerstören. Die Spannung über 58 V am Eingang der Eingangsschaltung liegt ausserhalb der Toleranz, kann aber in Industrie-Verhältnissen sehr schnell auftreten, z.B. bei der Abschaltung einer induktiven Last. Ausser diesem wesentlichen Nachteil ist auch die Filterschaltung so ausgeführt, dass die Verzögerungszeit tz (s. Fig. 2) sehr stark variiert in Abhängigkeit von der Nominalumschaltspannung des Verstärkers OJ2, die von Fall zu Fall (bei Integrierschaltungen) sehr verschieden ist. Diese Spannung kann von 33 bis 67% der Speisespannung betragen, wodurch die Verzögerung von 1,58 bis 4,39 ms variiert. Eine kürzere Zeit bedeutet zu schlechte Filtrierung des Eingangssignals, die längste Zeit aber einen unerwünschten Zeitverzögerungseffekt des Systems.

Es ist ersichtlich aus dem bisher Erwähnten, dass die Eingangsstufen sehr oft unentbehrlich sind in Industriesteuerungen. Die bisherigen Lösungen erfüllen einige an sie gestellte Forderungen, andere aber nicht; anders ausgedrückt — es gibt keine Lösung, die mehrere der erforderlichen Eigenschaften einschliessen würde.

Die Aufgabe und der Zweck der Erfindung ist es, eine Schaltung zu schaffen, die möglichst universell sein wird für alle Eingangsspannungen — Gleich- oder Wechselspannungen mit unterschiedlich grossen Amplituden, mit minimalen Änderungen der Elemente und mit der Möglichkeit, den augenblicklichen Stand des Eingangs zu signalisieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Eingangsschaltung wie sie im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches beschrieben ist.

Die Erfindung werden wir ausführlicher mittels des Ausführungsbeispiels und der Figuren erklären, die zeigen:

Fig. 3: ein Schaltbild;

Fig. 4: ein Zeitdiagramm.

Zwischen der Eingangsklemme VH und dem Punkt A der Schaltung IC sind die Diode Dl und der Widerstand Rl seriengeschaltet. Zwischen ihrem gemeinsamen Punkt und der Masse ist der Widerstand R2 angeschlossen. Mit dem Punkt A der Schaltung IC ist die Diode D2 gekoppelt, die mit ihrem anderen Ende an die Spannung + V angeschlossen ist. Zwischen den Punkten A und C der Schaltung IC ist der Kondensator Cl geschaltet. Der Punkt E der Schaltung IC ist an + V angeschlossen. Der gemeinsame Punkt des Widerstandes R7, des Widerstandes R6 und des Punktes C der Schaltung IC ist mit der Klemme IZ verbunden. Zwischen der Masse und dem Punkt B ist der Kondensator C2 geschaltet. Die Parallelschaltung der Widerstände R3 und R4 ist zwischen der Masse und dem Punkt B der Schaltung IC angeschlossen. Der Widerstand R5 ist zwischen dem Punkt + V und dem gemeinsamen Punkt der Widerstände R3 und R4 und des Punktes B angeschaltet. Der Widerstand R7 ist zwischen dem Punkt C und dem Punkt + V angeschlossen. Der Punkt D der Schaltung IC ist mit der Masse verbunden. Die Reihenschaltung des Widerstandes R6 und der

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LED-Diode LD ist zwischen dem Punkt C und der Masse angekoppelt.

Die erfindungsgemässe Schaltung ist für Eingangsgleichspannungen von 5 V, 12 V, 24 V sowie für Wechselspannungen im Bereiche zwischen 20 V und 50 V verwendbar. Bei der An- 5 passung an eine unter den angegebenen Spannungen wird nur der Wert des Widerstands R4 geändert, s. Fig. 3.

Bei der Beschreibung der Eingangsschaltung und ihrer Wirkungsweise wählen wir als Beispiel einen solchen Wert des Widerstands R4, dass die Nominaleingangsspannung 24 V beträgt 10 mit einem Toleranzbereich von 20 bis 30 V. Am negativen Eingang, dem Punkt B in der Schaltung IC, haben wird die zum Vergleich dienende Referenzspannung Ur, die in diesem Beispiel eine Hälfte der Speisespannung (+V) beträgt, wobei + V = Uvh- Die Schaltung IC übt nämlich die Funktion eines Ver- 15 gleichers aus mit den logischen Ausgangs werten «0» und «1». Wenn die Spannung am Punkt A, am positiven Eingang der Schaltung IC, gegen die Masse (Ua) der Referenzspannung Ur gleicht, beträgt der Signalwert am Ausgang der Schaltung IC,

am Punkt C, +5 V, was die logische Eins («1») darstellt, die um die Zeit t = Rl - Cl -ln2 (s. Fig. 4)

in Beziehung zum Eingangssignal verzögert wird. Die Verzögerung wird immer gleich sein, wenn Ur = Uvh/2. Diese Verzögerung stellt auch ein Filter zu etwaigen Störungen an der Klemme VH dar. Wenn am Punkt A ein Signal, das kleiner als das Referenzsignal ist, erscheint, hat man am Ausgangspunkt C die logische Null («0»),

Die Belastung des Eingangs der Aktivschaltung IC durch den Widerstand Rl bzw. durch einen Strom von etwa 5 mA ist eine weitere Massnahme zum Verhindern von Störungen; gleichzeitig wird der Eingang mit der Masse verbunden, falls an der Eingangsklemme kein Signal vorhanden ist. Die LED-Diode LD zeigt den Stand des Eingangssignals Uvh- Die Diode D2 schützt den Eingang der IC-Schaltung vor höheren Spannungen, die an der Eingangsklemme VH der Eingangsschaltung auftreten könnten.

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2 Blätter Zeichnungen