CN104009743B - 光电耦合器装置和输入和/或输出部件 - Google Patents

光电耦合器装置和输入和/或输出部件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在电流阻断时用于信号传输的光电耦合器,包括带有第一输入和输出路径的第一光电耦合器,带有第二输入和输出路径的第二光电耦合器以及第一和第二信号输入端,其中第一和第二输入路径利用连接开关装置布置在串联电路内,使得连接开关装置使第一和第二输入路径连接,其中操控电路作为输入端具有第一和第二信号输入端,并且作为输出端具有第一、第二和第三输出端,操控电路设计为,使得根据关于第一和第二信号输入端的第一开关状态操控连接开关装置,以及关于第二或第三开关状态操控配属于第一光电耦合器的第一输入路径的第一开关装置或配属于第二光电耦合器的第二输入路径的第二开关装置。

Description

光电耦合器装置和输入和/或输出部件
技术领域
本发明涉及一种在电流阻断(galvanische Trennung)时用于信号传输的光电耦合器装置。本发明还涉及一种工业自动化技术的输入和/或输出部件,带有输入和/或输出信道,其中该信道具有光电耦合器部件。
背景技术
光电耦合器装置是一种电子构件,并用于两个电流阻断的电路之间的信号传输。光电耦合器优选地具有光传感器,例如发光二极管,以及光接收器,例如光电晶体管,它们优选地安置在不透光的壳体内。
从EP 1 770 457 B1中已知一种用于信号的电流阻断的光电耦合器装置。在EP 1770 457 B1中也描述了一种外围设备部件,例如输入和/或输出部件,用于具有光电耦合器装置的自动化设备。
在使用用于信号的电流阻断的光电耦合器的电子部件中,与光电耦合器的操控有关的损耗功率线性地随着所操控的光电耦合器的数量而增加。
为了减少这种损耗,到目前为止使用例如磁耦合器和/或电容耦合器,然而该耦合器具有缺点,即它们通常比光电耦合器更加昂贵,并且需要额外的电路用于为次级侧供电。
基于过程自动化,在工业设备中可能存在10000个待控制的、或待检测的输入/输出端。输入/输出端的较大的数量必须为了检测划分为输入/输出部件。该输入/输出部件对此通常是多信道的,每条信道配置有一个光电耦合器。
发明内容
本发明的目的是提供一种光电耦合器装置和输入/输出部件,其中可以减少由光电耦合器引起的损耗功率。
该目的通过根据本发明的光电耦合器装置来实现。在电流阻断时用于信号传输的光电耦合器装置包括带有第一输入路径和第一输出路径的第一光电耦合器,带有第二输入路径和第二输出路径的第二光电耦合器,第一信号输入端,第二信号输入端,其中第一输入路径和第二输入路径利用连接开关装置布置在串联电路内,使得该连接开关装置使第一输入路径和第二输入路径连接,其中操控电路作为输入端具有第一信号输入端和第二信号输入端,并且作为输出端具有第一输出端、第二输出端和第三输出端,操控电路设计为,使得根据关于第一和第二信号输入端的第一开关状态来操控连接开关装置,以及关于第二开关状态或第三开关状态来操控第一开关装置或第二开关装置,该第一开关装置配属于第一光电耦合器的第一输入路径,该第二开关装置配属于第二光电耦合器的第二输入路径。在这种布置中,实现带有节能优点的光电耦合器装置,其中根据开关状态执行第一和第二光电耦合器的串联。光电耦合器通常使用红外线二极管用于例如光电晶体管的操控。这种类型的红外线二极管具有一个相当低的、最大为1.2伏的磁通电压(Flussspannung)。在这个1.2伏的磁通电压中、例如在例如3.3伏的系统电压中可以串联两个光电耦合器。在两个串联的光电耦合器的操控中如同在光电耦合器的操控中一样发生相同的损耗功率。在同时操控光电耦合器装置的两个信号输入端的情况下,即两个光电耦合器必须输出一个信号时,这两个光电耦合器在同时操控情况下以电路学的形式(schaltungstechnisch)被串联。为此所需的组件优选地是一个电源,它独立于输入电压提供所需的红外线二极管电流、逻辑的门电路,例如NAND门电路,以及例如双极晶体管。
在优选的改进方案中得到带有电源的光电耦合器装置,所述电源连接在第一输入路径的第一侧上,其中第一输入路径的第二侧连接在连接开关装置的第一接口上,并且第二输入路径的第一侧连接在连接开关装置的第二接口上,并且第二输入路径的第二侧连接在一个点上,所述点实现电源的电流经过第一输入路径、连接开关装置、第二输入路径再流回到电源。该点可以设置为接地参考电位。所描述的电流路径现在描述了该情况,即两个光电耦合器同时激活。这种取决于开关状态的光电耦合器的串联在操控电路中实现,使得当第一信号输入端为“1”并且第二信号输入端同样是为“1”时,操控连接开关装置,使得相同的电流可以从电源流经两个光电耦合器,因此与现有技术下的光电耦合器装置相反,不是每个光电耦合器必须供给单独的电流。
在另一种设计方案中,第一开关装置利用第一接口连接在第二侧上,并且第一开关装置的第二接口连接在点M上。因为第一开关装置配属于第一光电耦合器,并且应该确保电流在相应的操控中通过第一输入路径产生,带有第一开关装置的操控电路设计用于,对于只有第一信号输入端为“1”的这种情况时,操控第一开关装置,这样电流可以从电源流过第一耦合器的第一输入路径,电流经过第一开关装置再流回接地参考点,这样激活第一光电耦合器。
为了单独激活第二光电耦合器,第二开关装置利用第一接口连接在第二输入路径的第一侧上,而第二开关装置的第二接口连接在电源上。对于这种情况,即只有第二信号输入端为“1”时,电流从电源通过第二开关装置经过第二输入路径流到接地参考电位,这样可以单独激活第二光电耦合器。
在一个优选的设计方案中,为了具有相应地操控电路装置的可能性,第一输出端连接在第一开关装置的第三接口上,第二输出端连接在第二开关装置的第三接口上,而第三输出端连接在连接开关装置的第三接口上。
在光电耦合器装置中,用于第一信号输入端和第二信号输入端的逻辑连接的操控电路设计为,使得在信号在第一信号输入端上的情况下,激活第一光电耦合器,在信号在第二信号输入端上的情况下,激活第二光电耦合器,而在各有一个信号在第一和第二信号输入端上的情况下,激活第一和第二光电耦合器,以在串联电路内节电。
上述目的同样通过一种带有至少四个信道的、工业自动化技术的输入和/或输出部件来实现,其中第一信道和第二信道配置有根据本发明的第一光电耦合器装置,而第三信道和第四信道配置有根据本发明的第二光电耦合器装置。
在使用光电耦合器装置的系统中,例如在带有输入/输出部件的模块化控制系统中,有助于遵循节能的系统要求,例如关系到最大的可能的系统扩展,其由总损耗功率来限定。
在使用光电耦合器装置的自动化组件中有助于,例如降低废热增长,这会减轻在自动化组件中所使用的电子部件的热负荷,从而提高它的使用寿命。同样还能节省能源,这会降低生产费用,也可以提供使用更小供电件的可能性,这再次降低了系统成本。
如果在开关柜中使用光电耦合器装置,降低了的热增长有助于设备生产者在开关柜的冷却时节省成本和能源。
附图说明
附图示出了实施例。图中示出:
图1为光电耦合器装置,
图2为信号输出端的开关状态的状态表,以及
图3为自动化组件,特别是输入/输出部件,带有两个光电耦合器装置。
具体实施方式
根据图1示出了在电流阻断时用于信号传输的光电耦合器装置10。可施加第一信号输入端11和第二信号输入端12上的信号应该通过第一光电耦合器1和第二光电耦合器2电流阻断地被转递。对此,第一光电耦合器1具有第一输入路径1a和第一输出路径1b,而第二光电耦合器2具有第二输入路径2a和第二输出路径2b。
如果电流流经第一输入路径1a,则激活第一光电耦合器1,在第一输出路径1b内同样可以有电流流过,如果电流流经第二光电耦合器2的第二输入路径2a,则激活第二光电耦合器2,而在第二输出路径2b内同样可以有电流流过。
第一输入路径1a和第二输入路径2a通过连接开关装置T3布置在串联电路内,连接开关装置T3使第一输入路径1a与第二输入路径2a连接。
操控电路30具有作为输入端的第一信号输入端11和第二信号输入端12,并且作为输出端具有第一输出端31、第二输出端32和第三输出端33。
操控装置30配置有第一与元件(Und-Glied)21、第二与元件22和第三与元件23。与元件21、22、23的各个输出端配置为非。
因此配置操控装置30,使得根据关于第一和第二信号输入端11、12的第一开关状态S1来操控连接开关装置T3,以及关于第二开关状态S2和第三开关状态S3来操控第一开关装置T1和第二开关装置T2,第一开关装置配属于第一光电耦合器1的第一输入路径1a,第二开关装置配属于第二光电耦合器2的第二输入路径2a。
图2示出了状态表40,其中在第一列内是开关状态S1,…,S4。信号输入端41的状态以“0”“1”来表示。不同的开关状态T1、T2、T3的状态42同样以“0”“1”来表示。单独的光电耦合器的状态43同样以“0”“1”来表示。
第一开关状态S1,其中第一信号输入端11和第二信号输入端12传导信号,参照图1进行说明。在第一信号输入端11和第二信号输入端12上分别施加“1”信号。因为第一与元件21设置为NAND门电路,在第二与元件22的一个输入端上是“0”。第二与元件22的另一个输入端上显示“1”,因为第一信号输入端11连接到第二与元件22的另一个输入端上。还因为第二与元件22设置为NAND门电路,它的输出端现在具有“1”。该信号“1”经由作为第一输出端31的第一串联电阻R1施加在第一开关装置T1上。
因为开关装置T1、T2、T3设置为PNP晶体管,在基极上以电平“0”进行操控。因此如前面所描述的,“1”信号被施加在第一开关装置T1的基极上,第一开关装置T1没有被操控。
类似的技术布线适用于第二信号输入端12直至第二开关装置T2的支路,这里第二开关装置T2也没有被操控。
对于这种情况,即两个信号输入端11、12为“1”,第一开关装置T1和第二开关装置T2截止。然而,操控连接开关装置T3,使得它是导电的。电流可以从电源20通过供给电压Vcc接口被限定经过第一输入路径1a,经过第三开关装置T3,经过第二输入路径2a流到点M。电流流过两个光电耦合器1、2,同时激活第一光电耦合器1和第二光电耦合器2。因此在第一开关状态S1中,由于第一光电耦合器1和第二光电耦合器2的取决于开关状态的串联而节省能源。
根据图3,示出了带有至少四个信道51、52、53、54的工业自动化技术的输入和/或输出部件50,其中第一信道51和第二信道52配置有第一光电耦合器装置10,而第三信道53和第四信道54配置有第二光电耦合器装置10。对于电压供给,输入和/或输出部件50具有供给电压接口Vcc。为了与更高级别的自动化设备通信,输入和/或输出部件50具有总线接口55。
自动化系统包括通信模块,所述通信模块在中央控制器和实际的输入和/或输出部件,例如分散的外围设备部件之间建立联系,因此在大的工业性进程中,具有连接在通信模块上的多个输入和/或输出部件。因为输入和/或输出部件的分散的外围设备部件的能源供应通常由通信模块接收,在通信模块上可操作的输入和输出部件的数量取决于配属于通信模块的电源件的功率。为了能够遵循关于可操作的输入/输出部件的数量的系统要求,为每个输入/输出部件限制最大的电流消耗。
在一个示例情况下,输入/输出部件的功能性部分的电流消耗限制在8mA。待开发的部件应该光分离地操控四个三端双向可控硅开关元件,对此不需耗费超过8mA。光分离的三端双向可控硅开关元件具有功能限制的相当高的4mA的电流需求。如果四个三端双向可控硅开关元件现在以传统的方式被并行地操控,在操控所有四个信道时同时产生16mA的电流需求。这个电流需求超过了最大允许值,因而系统要求与最大的系统结构有关。因此,对于这种自动化系统不可能的是,构建含有四个三端双向可控硅开关元件信道、并且可以同时操控它们的输入/输出部件。
为了实现输入/输出部件,所述部件具有最大的电流要求,需要用于三端双向可控硅开关元件的节电的操控电路。操控三端双向可控硅开关元件所需的电流基于物理限制不会下降到4mA的界限以下。为了能够遵循系统要求,使用光电耦合器装置10。所使用的系统电压为例如3.5V,经过第一光电耦合器1和第二光电耦合器2的电压下降分别最大为1.1V。
根据第一信号输入端11和第二信号输入端12的逻辑状态,操控电路装置T1、T2、T3,例如晶体管。开关装置T1、T2、T3的布线确保第一光电耦合器1和第二光电耦合器2要么单独地要么串联地以4mA被供电,并由此被操控。
由于这种电路,用于两个信道的操控电流独立于开关状态限定为总计最大4mA。通过由此限定为最大8mA的用于四个信道的电流消耗可能的是,构建遵循系统要求的四信道的三端双向可控硅开关元件。

Claims (8)

1.一种在电流阻断时用于信号传输的光电耦合器装置(10),包括
·带有第一输入路径(1a)和第一输出路径(1b)的第一光电耦合器(1),
·带有第二输入路径(2a)和第二输出路径(2b)的第二光电耦合器(2),
·第一信号输入端(11),
·第二信号输入端(12),
其中所述第一输入路径(1a)和所述第二输入路径(2a)利用连接开关装置(T3)布置在串联电路内,使得所述连接开关装置(T3)将所述第一输入路径(1a)与所述第二输入路径(2a)连接,
其中操控电路(30)作为输入端具有所述第一信号输入端(11)和所述第二信号输入端(12),并且作为输出端具有第一输出端(31)、第二输出端(32)和第三输出端(33),
在此,所述操控电路(30)设计为,使得根据关于所述第一信号输入端(11)和所述第二信号输入端(12)的第一开关状态(S1)操控所述连接开关装置(T3),以及关于第二开关状态(S2)或第三开关状态(S3)操控第一开关装置(T1)或第二开关装置(T2),所述第一开关装置配属于所述第一光电耦合器(1)的所述第一输入路径(1a),所述第二开关装置配属于所述第二光电耦合器(2)的所述第二输入路径(2a)。
2.根据权利要求1所述的光电耦合器装置(10),其中,所述光电耦合器装置带有电源(20),所述电源连接在所述第一输入路径(1a)的第一侧(1a′)上,其中所述第一输入路径(1a)的第二侧(1a″)连接在所述连接开关装置(T3)的第一接口上,并且所述第二输入路径(2a)的第一侧(2a′)连接在所述连接开关装置(T3)的第二接口上,并且所述第二输入路径(2a)的第二侧(2a″)连接在点(M)上,所述点允许所述电源(20)的电流经过所述第一输入路径(1a)、所述连接开关装置(T3)、所述第二输入路径(2a)再流回到所述电源(20)。
3.根据权利要求2所述的光电耦合器装置(10),其中,所述第一开关装置(T1)利用第一接口连接在所述第一输入路径(1a)的所述第二侧(1a″)上,所述第一开关装置(T1)的第二接口连接在所述点(M)上。
4.根据权利要求3所述的光电耦合器装置(10),其中,所述第二开关装置(T2)利用第一接口连接在所述第二输入路径(2a)的所述第一侧(2a′)上,而所述第二开关装置(T2)的第二接口连接在所述电源(20)上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光电耦合器装置(10),其中,所述第一输出端(31)连接在所述第一开关装置(T1)的第三接口上,所述第二输出端(32)连接在所述第二开关装置(T2)的第三接口上,而所述第三输出端(33)连接在所述连接开关装置(T3)的第三接口上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光电耦合器装置(10),其中,用于逻辑连接所述第一信号输入端(11)和所述第二信号输入端(12)的所述操控电路(30)设计为,使得在信号在所述第一信号输入端(11)上的情况下,激活所述第一光电耦合器(1),在信号在所述第二信号输入端(12)上的情况下,激活所述第二光电耦合器(2),而在所述第一信号输入端(11)和所述第二信号输入端(12)上各有一个信号情况下,激活所述第一光电耦合器(1)和第二光电耦合器(2),以在串联电路内节电。
7.根据权利要求5所述的光电耦合器装置(10),其中,用于逻辑连接所述第一信号输入端(11)和所述第二信号输入端(12)的所述操控电路(30)设计为,使得在信号在所述第一信号输入端(11)上的情况下,激活所述第一光电耦合器(1),在信号在所述第二信号输入端(12)上的情况下,激活所述第二光电耦合器(2),而在所述第一信号输入端(11)和所述第二信号输入端(12)上各有一个信号情况下,激活所述第一光电耦合器(1)和第二光电耦合器(2),以在串联电路内节电。
8.一种带有至少四个信道(51,52,53,54)的工业自动化技术的输入和/或输出部件(50),其中,第一信道(51)和第二信道(52)配置有第一个根据权利要求1至5任一项所述的光电耦合器装置(10),并且第三信道(53)和第四信道(54)配置有第二个根据权利要求1至5任一项所述的光电耦合器装置(10)。
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