CN105981299A - 宽范围输入电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽范围输入电路，其用于在≤120V的特低电压信号的范围内以及在＜1500V的低电压信号的范围内的数字信号，该宽范围输入电路具有串联接通的、反偏的齐纳二极管(3,4)，这些齐纳二极管分别限定至少一个在特低电压信号的范围内或在低电压信号的范围内的开关阈值并且这些齐纳二极管能够通过不桥接的方式而选为有效，其中，各个没有起效的齐纳二极管的桥接通过辅助光耦合器(50)实现，该光耦合器能够通过微处理器(8)控制。

Description

宽范围输入电路
技术领域
本发明涉及一种用于处理和传递数字信号的宽范围输入电路，这些数字信号既可以以在≤120V的特低电压信号的范围内的又可以以在＜1500V的低电压信号的范围内的数值而施加在输入端子上。
背景技术
在工业设施中，数字的控制系统通常经接口系统与传感器连接。传感器信号的类型和电压值覆盖较宽的范围。在传感器和各个设备的数字控制系统之间的接口系统因此必须能够使各个输入信号适配于相应设备的控制系统的数字输入。
DE 10 2010 030 656A1中已知一种用于电子设备的数字输入的电路布设，其中，一个齐纳二极管设置作为用于阻断一个开关阈值以下的电流的阻塞元件。缺点在于只能够实现一个开关阈值。
US 4,275,307中已知一种用于数字系统的输入电路，其包括：具有两个交流电输入端子和两个输出端子的整流电路，其具有连接在整流电路的输出端子上的串联电路，该串联电路具有以下元件：用于将串联电路中的电流限制在预选的最大数值上的限流电路；多个串联接通的齐纳二极管，其具有用于使齐纳二极管选择性地短路从而改变在串联电路上的电压降的端子；以及作为光耦合器的一部分、发射光的元件，该光耦合器的一部分用于在电流在串联电路中流过时在光耦合器的感光部分中产生电信号；其中，输出驱动电路与感光元件连接，从而将产生的信号转换为在输出端子上的具有逻辑电平的信号，该信号适合施加到数字系统的数据总线上。具体而言，使用具有数值为3伏、7伏和20伏的齐纳电压的三个齐纳二极管，这些齐纳二极管能够通过旁路导线桥接，从而能够设置0、3、7、10、20、23、27和30伏的电压降。以这种方式可以使在逻辑电平上的初始信号适合于施加在数字控制系统的数据总线上。通过已知的输入电路仅可以在特低电压信号的范围内实施开关阈值的固定的调整。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于数字信号的宽范围输入电路，该数字信号可以属于≤120V的特低电压信号范围内和/或属于＜1500V的低电压信号范围而且该数字信号在处理之后应传递给用户电路。开关阈值应既能够在小于120V的特低电压信号的范围内也能够在小于1500V的低电压信号的范围内灵活地、即以软件的方式调整。特别是应能够快速地调整标准开关阈值。
按照本发明的宽范围输入电路包括具有以下元件的串联电路：一个输入侧的整流器或者输入侧的整流电路，以便于将以交流电形式输入的数字信号转换为直流电形式并且实现通过两个输入端子之间的串联电路的直流电流；一个用于调整直流电流的电流调节器；；两个或多个(n个)串联接通的、反偏(in Sperrichtung gepolten)的齐纳二极管；和用于确定宽范围输入电路的数字输出端子的状态的光耦合器，其中，额外地设置齐纳二极管的一个或多个桥接装置，这些桥接装置通过微处理器控制装置可以起效或失效，从而可以将串联接通的齐纳二极管单个地或以组的形式插入到电路中或者通过桥接而使其失效。
在该宽范围输入电路中，可以通过较小的花费实现用于不同的电压范围的多个开关阈值。该宽范围输入电路可以在特低电压范围内通过标准开关阈值运行也可以在低电压范围内通过在此适用的标准开关阈值运行。根据不同的应用领域来实施开关阈值的参数化。
附图说明
本发明的实施例借助附图描述。在此:
图1示出了宽范围输入电路的第一种实施方式，
图2示出了宽范围输入电路的第二种实施方式。
具体实施方式
图1示出了宽范围输入电路的原理图。信号输入具有两个输入端子11和12，而数字输出端子具有两个输出连接导线13,14。串联电路10在输入端子11，12之间延伸并且包括以下元件：整流器1，其也可以以整流电路的形式实现；电流调节器2，其作为电源起作用并且为串联电路10提供直流电流；反偏的第一齐纳二极管3，其为了在≤120V的特低电压信号的范围内的开关阈值而设；反偏的第二齐纳二极管4，其为了在＜1500V的低电压信号的范围内的开关阈值而设；用于齐纳二极管4的桥接电路5；和读出光耦合器6，其通过输出连接导线13,14与未示出的用户电路连接。
桥接电路5包含桥接导线51和辅助光耦合器50，该辅助光耦合器包含光电晶体管52和发光二极管53并且通过微处理器8控制，从将桥接导线51和设置在其中的光电晶体管调控为导电的或不导电的形式。
读出光耦合器6包含发光二极管61和光电晶体管62，从而将发光二极管61的发光状态，即“发光”或“不发光”转换为传给输出连接导线13,14的数字输出信号。
电流调节器2将流通经过串联电路10的电流调整到为了运行发光二极管61所必需的数值，并且在该示出的实施例中含有自导的n沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管(selbstleitendenn-Kanal-MOSFET)21以及在栅极端子和源极端子之间的750Ω的电阻22，从而将电流调整至大约0.75mA。最大允许的漏-源电压在此为500V，这确定了在输入端子11,12上的最大允许的电压。然而如果要完全利用＜1500V的低电压信号范围，电流调节器2也可以设置用于更高的电压。
假定宽范围输入电路应以数字的方式检测24V的额定电压(＝特低电压)和230V的额定电压(＝低电压)。整流器1设置用于，既可以检测交流电压信号也可以检测直流电压信号。在24VDC的额定电压下，由标准给定的、在逻辑值0和逻辑值1之间的过渡范围在5V和15V之间，而在230VAC的额定电压下在40V和164V之间。齐纳二极管3负责用于特低电压信号的范围的开关阈值的调整并且选择用于5.6V的齐纳电压。如果期望在≤120V的特低电压信号的范围内的信号,则激活桥接电路5，从而桥接齐纳二极管4，这借助通过微处理器8控制的辅助光耦合器50发生。低于5V的输入信号例如识别为数字信号“0”到而超过15V的输入信号则识别为数字信号“1”。
如果期望在＜1500V的低电压信号的范围内的输入信号,则使桥接电路5失效，从而使齐纳二极管3和4都被输入的电压电流脉冲所加载。如果期望输入信号的额定电压为230V，那么由标准预给定的、在逻辑值0和逻辑值1之间的过渡范围在40V和164V之间。在这种情况下，将齐纳二极管4的齐纳电压选择为56V。
例如可以使用西门子的SFH 6156作为光耦合器。特点在于，使用者例如可以通过微处理器8控制光耦合器，而在此可以在对使用者没有危险的条件下胜任230VAC的额定电压。尽管230VAC的电压是较高的且接触危险的仍可以确保电气安全性。
输入电压可以在＜120V的特低电压信号的范围内还具有另一个不同于24V的额定电压，例如为48VDC。在此还存在10至34V的过渡范围，在该过渡范围内开关阈值可能具有任意的电压值。齐纳二极管3的齐纳电压因此包含在该过渡范围内。
如果有多于两个的开关阈值可用，所示出的电路可以扩展以多于两个的齐纳二极管来扩展。于是将n个的串联的反偏的多个齐纳二极管3,4以及n或n-1个的多个桥接电路5纳入串联电路10中。
图2示出了宽范围输入电路的串联电路，在其他电路特征与图1一致的情况下，其具有：两个用于在≤120V的特低电压信号的范围内的两个开关阈值的反偏的齐纳二极管3a,3b和两个用于在＜1500V的低电压信号的范围内的两个开关阈值的反偏的齐纳二极管4a,4b。齐纳二极管3b能够与桥接电路7b桥接，该桥接电路借助辅助光耦合器70b而起效。由此除了齐纳二极管3a的开关阈值之外还额外地选出了另一个开关阈值。类似于图1的情况，通过微处理器控制装置以将光耦合器调控为“导电”或“不导电”的形式,该微处理器控制装置出于简要的原因在图2中没有示出。
还可能的是，齐纳二极管3a通过桥接电路(“7a”，未示出)短路，从而使齐纳二极管3a或齐纳二极管3b交替地作用，以便于提供特低电压信号的范围的开关阈值。
类似的构思也可以应用于低电压信号的范围。在此串联接通的齐纳二极管4a,4b也可以用于实现不同高的开关阈值。由于从属于各个桥接电路7b,5a,5b的辅助光耦合器70b,50a,50b能够通过与微处理器8相应的处理器(未示出)而控制，因此可以快速且简单地调整不同的开关阈值。
当然可以选择反偏的并且能够桥接的齐纳二极管的数量，以便于实现所期望数量的开关阈值。
因此，本发明涉及一种宽范围输入电路，其用于在≤120V的特低电压信号的范围内以及在＜1500V的低电压信号的范围内的数字信号，该宽范围输入电路具有串联接通的、反偏的多个齐纳二极管，这些齐纳二极管分别限定至少一个在特低电压信号的范围内或在低电压信号的范围内的开关阈值并且这些齐纳二极管能够通过非桥接的方式选择为起效，其中，各个没有起效的齐纳二极管的桥接通过辅助光耦合器实现，该辅助光耦合器能够通过微处理器控制。

Claims (8)

1.一种用于准备和传输数字信号的宽范围输入电路，所述数字信号既能够以在≤120V的特低电压信号的范围内的数值又能够以在＜1500V的低电压信号的范围内的数值施加在输出端子上，所述宽范围输入电路包括具有以下元件的串联电路：
-输入侧的整流器(1)或者输入侧的整流电路，以便于将以交流电形式输入的数字信号转换为直流电形式；
-电流调节器(2)，其既用于实现≤120V的特低电压信号又用于实现在＜1500V的低电压信号，以便于将流经所述串联电路的电流分别调整到预设的数值；
-串联接通的、反偏的第一齐纳二极管(3)，其为了在特低电压信号的范围内的≤120V的开关阈值而设，
-串联接通的、反偏的第二齐纳二极管(4)，其连同所述第一齐纳二极管(3)为了在低电压信号的范围内的＜1500V的开关阈值而设，
-用于桥接所述第二齐纳二极管(4)的桥接电路(5)，所述桥接电路包含辅助光耦合器(50)，以及
-读出光耦合器(6)，以便于将处理后的数字信号通过输出端子导线(13,14)传递到用户电路，
-其中，设置有用于控制所述辅助光耦合器(50)的微处理器8，从而根据期望输入信号在特低电压信号的范围内或者在低电压信号的范围内而将所述第二齐纳二极管(4)调控为桥接或非桥接的方式，
-其中，另外，如果施加数字的特低电压信号，则桥接所述第二齐纳二极管(4)并且所述第一齐纳二极管(3)通过其“导电的”或“阻断的”状态而确定，发出数字信号“1”或者“0”，而且
-如果施加数字的低电压信号，则至少不桥接所述第二齐纳二极管(4)或者所述第一齐纳二极管和所述第二齐纳二极管(3，4)保持串联接通，未桥接的所述第二齐纳二极管(4)或者由所述第一齐纳二极管和所述第二齐纳二极管(3，4)组成的齐纳二极管串联电路通过其“导电的”或“阻断的”状态而确定，发出数字信号“1”或者“0”。
2.根据权利要求1所述的宽范围输入电路，其中，设置n个串联接通的、反偏的多个齐纳二极管(3a,3b,4a,4b)和对应于这些齐纳二极管的n或n-1个的具有辅助光耦合器(70b；50a，50b)的多个桥接电路(7b,5a,5b)，所述辅助光耦合器能够通过微处理器控制装置控制，从而能够在特低电压信号的范围内和/或低电压信号的范围内分别实现更多的开关阈值。
3.根据权利要求2所述的宽范围输入电路，其中，n＝4并且为特低电压信号的范围设置两个反偏的齐纳二极管(3a,3b)以及为低电压信号的范围额外地设置两个另外的反偏的齐纳二极管(4a,4b)。
4.根据权利要求3所述的宽范围输入电路，其中，一个负责特低电压信号的范围内的齐纳二极管(3a)由一个桥接电路(7b)桥接，而且其中，负责低电压信号的范围的两个齐纳二极管(4a,4b)分别由一个桥接电路(5a,5b)桥接。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的宽范围输入电路，其中，在特低电压信号的范围内的24V的额定电压情况下，在逻辑值“0”和逻辑值“1”之间的过渡范围位于5至15V之间的第一齐纳二极管(3)的开关阈值中。
6.根据权利要求5所述的宽范围输入电路，其中，所述第一齐纳二极管(3)具有5.6V的开关阈值。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的宽范围输入电路，其中，在低电压信号的范围内的230V的额定电压情况下，在逻辑值“0”和逻辑值“1”之间的过渡范围位于40至164V之间的齐纳二极管串联电路的开关阈值中。
8.根据权利要求7所述的宽范围输入电路，其中，在所述齐纳二极管串联电路中的第二齐纳二极管(4)具有56V的开关阈值。
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