DE10125283A1 - Leistungsoptimierte Eingansschaltung - Google Patents

Leistungsoptimierte Eingansschaltung

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DE10125283A1
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Kassen Oldewurtel
Rainer Schuele
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes

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Abstract

Die erfindungsgemäße Eingangsschaltung beinhaltet zwei Stromquellen (ST¶1¶, ST¶2¶), einen ohmschen Zwischenwiderstand (R¶Z¶) und als Baugruppe zur galvanischen Trennung einen Opto-Koppler (O). Zwischenwiderstand (R¶Z¶) und Opto-Koppler (O) sind jeweils zwischen die beiden Stromquellen (ST¶1¶, ST¶2¶) geschaltet. Durch die Verwendung einer zweiten Stromquelle (ST¶2¶) anstelle eines ohmschen Vorwiderstands wird die Verlustleistung deutlich reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Eingangsschaltung.
Eingangsschaltungen werden in allen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt. Sie dienen beispielsweise der galvanischen Trennung. Dazu wird beispielsweise ein Opto-Koppler in der Eingangsschaltung verwendet.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Eingangschaltung beinhaltend einen Opto- Koppler O und eine Stromquelle ST1. Am Ausgang des Opto-Kopplers O liegt die Ausgangsspannung UA der Eingangsschaltung an. Die Stromquelle ST1 beinhaltet einen ohmschen Vorwiderstand RV, eine Zener-Diode S, einen Transistor T sowie einen ohmschen Serienwiderstand RS. Es ist beispielsweise gewählt der Wert des Vorwiderstands RV = 10 kOhm, der des Serienwiderstand RS = 2,2 kOhm, die Durchschaltspannung der Zener- Diode S = 4,7 Volt. Der Transistor T ist z. B. ein npn-Transistor, durch den ein 1,8 mAmpère Strom eingestellt ist. Vorwiderstands RV und Zener-Diode S sind in Reihe geschaltet. Serienwiderstand RS, Transistor T und Opto- Koppler O sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Basis des Transistors T ist mit Vorwiderstands RV und Zener-Diode S verbunden. Der positive Eingang der Eingangsschaltung ist mit Vorwiderstand RV und Opto-Koppler O verbunden, der negative Eingang mit Zener-Diode S und Serienwiderstand RS. Zwischen positivem und negativem Eingang liegt die Eingangsspannung UE.
Die Eingangsschaltung ist für einen Eingangsspannungsbereich von 10 Volt bis 72 Volt ausgelegt. Solch relativ hohe Schwankungen der Eingangsspannung kommen beispielsweise vor im Eisenbahnsignaltechnikbereich und dort in einer Baugruppe für die parallele Ein-/Ausgabe. Für die Verlustleistung PV am Vorwiderstand RV gilt PV = R × I2 = U2/R. Mit R = RV = 10 kOhm ergibt sich für eine Eingangsspannung UE = 10 Volt eine Verlustleistung PV = 2,8 mWatt und für eine Eingangsspannung UE = 72 Volt eine Verlustleistung PV = 453 mWatt. Geringe Eingangsspannungen führen zu einer geringen Verlustleistung, hohe Eingangsspannungen führen zu einer hohen Verlustleistung. Eine hohe Verlustleistung führt zu einer hohen Eigenerwärmung der Eingangsschaltung. Bei hohen Eingangsspannungen erzeugt der Vorwiderstands RV sehr viel Wärme, woraus zum einem ein hoher Stromverbrauch resultiert und zum anderen zusätzliches Equipment zur Kühlung erfordert, um einem Überhitzen entgegenzuwirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine leistungsoptimierte Eingangsschaltung bereitzustellen.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Eingangsschaltung gemäß Patentanspruch 1.
Durch die Verwendung einer zweiten Stromquelle anstelle des ohmschen Vorwiderstands kann die Verlustleistung bei hohen Eingangsspannungen deutlich reduziert werden.
Verglichen mit dem Stand der Technik nach Fig. 1 können deutlich mehr Eingänge realisiert werden, wodurch mehr Informationen verarbeitet werden können. Durch die Verringerung der Verlustleistung, z. B. um den Faktor 11, kann z. B. die 11fache Anzahl an Eingängen realisiert werden. Alternativ kann die Verlustleistung (Wärmeentwicklung) bei gleichbleibender Anzahl der Eingänge um den Faktor 11 reduziert werden. Alternativ kann auch die Anzahl der Eingänge um den Faktor 4 erhöht und gleichzeitig die Verlustleistung (Wärmeentwicklung) ca. um den Faktor 3 reduziert werden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Zuhilfenahme von Fig. 2 erläutert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Eingangsschaltung.
Die erfindungsgemäße Eingangsschaltung beinhaltet zwei Stromquellen ST1, ST2, ein Bauelement zur galvanischen Trennung sowie einen ohmschen Zwischenwiderstand RZ. Das Bauelement zur galvanischen Trennung ist als Opto-Koppler O ausgeführt. Am Ausgang des Opto- Kopplers O liegt die Ausgangsspannung UA der Eingangsschaltung an.
Die Anordnung der beiden Stromquellen ST1, ST2 kann als antiseriell bezeichnet werden. Zwischenwiderstand (RZ) und Opto-Koppler (O) sind jeweils zwischen die beiden Stromquellen (ST1, ST2) geschaltet.
Stromquelle ST1 beinhaltet Transistor T1, Zener-Diode S1 und ohmschen Serienwiderstand RS1. Stromquelle ST2 beinhaltet Transistor T2, Zener-Diode S2 und ohmschen Serienwiderstand RS2. Es ist beispielsweise gewählt der Wert des Serienwiderstand RS1 = 2,2 kOhm, die Durchschaltspannung der Zener-Diode S1 = 4,7 Volt. Der Transistor T1 ist z. B. ein npn-Transistor, durch den ein 1,8 mAmpère Strom eingestellt ist. Es ist beispielsweise gewählt der Wert des Serienwiderstand RS2 = 6,8 kOhm, die Durchschaltspannung der Zener-Diode S1 = 4,7 Volt. Der Transistor T2 ist z. B. ein pnp-Transistor, durch den ein 0,59 mAmpère Strom eingestellt ist. Der Wert des Zwischenwiderstands RZ ist beispielsweise 220 kOhm.
Serienwiderstands RS2, Transistor T2 und Zener-Diode S1 sind in Reihe geschaltet. Zener-Diode S2, Opto-Koppler O, Transistor T1 und Serienwiderstand RS1 sind ebenfalls in Reihe geschaltet. Die Basis des Transistors T2 ist mit Zwischenwiderstand RZ, Zener-Diode S2 und Opto- Koppler O verbunden. Die Basis des Transistors T1 ist mit Zwischenwiderstand RZ, Zener-Diode S1 und Transistor T2 verbunden. Der positive Eingang der Eingangsschaltung ist mit Serienwiderstand RS2 und Zener-Diode S2 verbunden, der negative Eingang mit Zener-Diode S1 und Serienwiderstand RS1. Zwischen positivem und negativem Eingang liegt die Eingangsspannung UE.
Für die Verlustleistung P an der zweiten Stromquelle ST2 ergibt sich ein Wert von 3,1 mWatt für eine Eingangsspannung von 10 Volt und ein Wert von 39 mWatt für eine Eingangsspannung von 72 Volt. Damit liegt die Verlustleistung bei der Eingangsspannung 72 Volt um mehr als den Faktor 11 unterhalb der Verlustleistung in der Eingangsschaltung des Standes der Technik in Fig. 1. Es liegt somit eine deutlich Reduktion der Verlustleistung vor, die zu einer substantiellen Reduktion der Erwärmung der Eingangsschaltung führt.
Beim Ausführungsbeispiel enthält eine Stromquelle einen Transistor, eine Zener-Diode und einen Widerstand. Alternativ kann die Stromquelle auch einen selbstleitenden Feldeffekt-Transistor mit oder ohne Widerstand aufweisen.

Claims (6)

1. Eingangsschaltung beinhaltend eine erste Stromquelle (ST1) und eine Baugruppe zur galvanischen Trennung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenwiderstand (RZ) und eine zweite Stromquelle (ST2) vorgesehen sind, und dass die Baugruppe zur galvanischen Trennung und der Zwischenwiderstand (RZ) jeweils zwischen die beiden Stromquellen (ST1, ST2) geschaltet sind.
2. Eingangsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stromquelle (ST1; ST2) einen Transistor (T1; T2), einen Widerstand (RS1; RS2) und eine Zener-Diode (S1; S2) aufweist.
3. Eingangsschaltung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstand (RS1) und Transistor (T1) der ersten Stromquelle (ST1), die Baugruppe zur galvanischen Trennung und die Zener-Diode (S2) der zweiten Stromquelle (ST2) in Reihe geschaltet sind, dass die Zener-Diode (S1) der ersten Stromquelle (ST1), und der Transistor (T2) und der Widerstand (RS2) der zweiten Stromquelle (ST2) in Reihe geschaltet sind, dass die Basis des Transistors (T1) der ersten Stromquelle (ST1) mit dem Zwischenwiderstand (RZ), dem Transistor (T2) der zweiten Stromquelle (ST2) sowie der Zener-Diode (S1) der ersten Stromquelle (ST1) verbunden ist, und dass die Basis des Transistors (T2) der zweiten Stromquelle (ST2) mit dem Zwischenwiderstand (RZ), der Zener-Diode (S2) der zweiten Stromquelle (ST2) und der Baugruppe zur galvanischen Trennung verbunden ist.
4. Eingangsschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe zur galvanischen Trennung als Opto-Koppler (O) ausgeführt ist.
5. Eingangsschaltung beinhaltend eine erste Stromquelle (ST1), eine Baugruppe zur galvanischen Trennung und einen Vorwiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwiderstand als zweite Stromquelle (ST2) ausgebildet ist, die antiseriell mit der ersten Stromquelle (ST1) verschaltet ist.
6. Parallele Ein-/Ausgabebaugruppe für die Eisenbahnsignaltechnik beinhaltend eine Eingangsschaltung nach Anspruch 1.
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