DE102007027415A1

DE102007027415A1 - Schaltgerät, Kommunikationssystem und Verfahren

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Publication number: DE102007027415A1
Application number: DE102007027415A
Authority: DE
Inventors: Heinz Walter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-06-14
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: DE102007027415B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Schaltgerät mit einem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss zur Ankopplung des Schaltgeräts an eine Eindrahtleitung mit einem in einem Schaltpfad angeordneten steuerbaren Schaltausgang, der ausgangsseitig mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist, mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, über den Schaltpfad den Schaltausgang zu schalten und über einen Datenpfad eingekoppelte Datensignale zu empfangen, mit einer in einem Datenpfad angeordneten Überspannungsschutzeinrichtung, welche eingangsseitig mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss und ausgangsseitig mit der Steuereinrichtung verbunden ist und welche einen selbsttätigen Überspannungsschutz bereitstellt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Kommunikationssystem mit einem solchen Schaltgerät, ein Verfahren zum Betreiben des Kommunikationssystems sowie ein Verfahren zum Betreiben des Schaltgeräts.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltgerät, ein Kommunikationssystem mit einem solchen Schaltgerät, ein Verfahren zum Betreiben der Kommunikationssystems sowie ein Verfahren zum Betreiben des Schaltgeräts.
Die vorliegende Erfindung befindet sich im Umfeld der elektrischen Schalttechnik und hier insbesondere im Bereich elektrischer oder elektronischer Schaltgeräte. Solche Schaltgeräte sind in einer Vielzahl verschiedener Ausgestaltungen und Varianten allgemein bekannt, sodass nachfolgend auf deren Aufbau und Funktionsweise nicht näher eingegangen wird. Lediglich zum allgemeinen Hintergrund sei hier auf die Patentschrift DE 19906342 C2 verwiesen, die sowohl hinsichtlich der Funktion und des Aufbaus von Zweileiterschaltgeräten und Dreileiterschaltgeräten als technischer Hintergrund anzusehen ist.
Schaltgeräte existieren in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen und Varianten. So existieren beispielsweise berührungslos arbeitende Schaltgeräte, wie zum Beispiel induktive, kapazitive oder optische Schaltgeräte. Daneben existieren auch drahtgebundene Schaltgeräte, bei denen die Schaltsignale über eine Drahtleitung übermittelt werden. Daneben unterscheiden sich viele Schaltgeräte auch in der Anzahl der Ausgangsanschlüsse und Versorgungsanschlüsse. Eine Minimalvariante stellen so genannte Zweileiterschaltgeräte dar. Bei solchen Zweileiterschaltgeräten wird an einem ersten Schaltgeräteanschluss ein Versorgungspotenzial angeschlossen, während an dem anderen Schaltgeräteanschluss eine Last anzuschließen ist, an die dann ein zweites Versorgungspotenzial anschließbar ist. Daneben existieren auch Dreileiterschaltgeräte, die zwei Versorgungsanschlüsse für zwei unterschiedli che Versorgungspotenziale sowie einen Schaltausgang aufweisen. Über diesen Schaltausgang können Schaltsignale des Schaltgerätes übertragen werden.
Schaltgeräte werden für die verschiedensten Anwendungen verwendet. Eine solche Anwendung bezieht sich auf einen intelligenten Sensor. Ein solcher Sensor ist dazu ausgelegt, einen physikalischen Wert aufzunehmen und zu messen. Mittels einer Auswerteeinrichtung wird der von dem Sensor aufgenommene Wert ausgewertet. Überschreitet der so ermittelte Messwert eine definierte, beispielsweise vorher vorgegebene Schwelle, dann wird dieses Ereignis herangezogen, um einen Schaltausgang zu schalten. Dieser Schaltausgang weist typischerweise einen steuerbaren Schalter auf, der über das Steuersignal ein- und ausgeschaltet wird. Bei Überschreiten der definierten Schwelle wird ein Steuersignal erzeugt, welches diesen steuerbaren Schalter schließt oder öffnet und somit den Ausgangsanschluss des Schaltgerätes mit dem Versorgungspotenzial beaufschlagt.
Daneben kann ein solches elektronisches Schaltgerät auch zusätzliche Funktionen aufweisen. Eine solche zusätzliche Funktion kann beispielsweise die Implementierung eines Kommunikationsmoduls sein. Mittels dieses Kommunikationsmoduls, welches mit zumindest einem eigens dafür vorgesehenen Ausgangsanschluss verbunden ist, ist das Schaltgerät in der Lage, mit anderen Kommunikationsteilnehmern, Steuergeräten oder entsprechend ausgebildeten Schaltgeräten zu kommunizieren. Die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik wird nachfolgend mit Bezug auf ein als Dreileiterschaltgerät ausgebildeten Kommunikationsteilnehmer erläutert, jedoch ohne die Erfindung dahingehend zu beschränken.
Bei solchen Schaltgeräten ist somit neben den zwei Versorgungsanschlüssen und dem Ausgangsanschluss des Schaltausgangs zumindest ein weiterer Ausgangsanschluss erforderlich, über den die Datenkommunikation erfolgen kann.
Vor diesem Hintergrund ergibt sich allerdings die allgemeine Anforderung, die Anzahl der zum Betrieb eines solchen Schaltgerätes im Besonderen und eines Kommunikationsteilnehmers im Allgemeinen erforderlichen externen Anschlüsse auf ein Mindestmaß zu reduzieren.
Eine Möglichkeit, dieser Anforderung ergibt sich zum Beispiel dadurch, dass der Ausgangsanschluss für den Schaltausgang gleichermaßen auch den Ausgangsanschluss für die Datenkommunikation bildet, sodass über diesen Schaltausgang einerseits eine Datenkommunikation erfolgen kann und andererseits Schaltsignale des Schaltgerätes übermittelt werden. Das sich hierbei ergebende technische Problem besteht allerdings darin, dass sich die Schaltsignale des Schaltgerätes typischerweise signifikant von den Kommunikationssignalen für die Datenkommunikation unterscheiden, insbesondere was deren Signalpegel angeht. Damit ergibt sich das konkrete Problem, dass ein Schaltgerät, welches über eine Eindrahtleitung mit einem anderen Schaltgerät oder Kommunikationsteilnehmer verbunden ist, in der Lage sein muss, zwei völlig unterschiedliche Signale bzw. deren Signalpegel, die über dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss ein- bzw. ausgekoppelt werden, verarbeiten zu können.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Schaltgerät, welches zudem zur Datenkommunikation ausgebildet ist, einen einfachen, jedoch nichts desto trotz sehr effektiven Überspannungsschutz bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird zumindest eine der oben genannten Aufgaben durch ein Schaltgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Kommunikationssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 28 und/oder durch Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 33, 35 gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

– Elektronisches Schaltgerät, mit einem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss zur Ankopplung des Schaltgeräts an eine Eindrahtleitung, mit einem in einem Schaltpfad angeordneten steuerbaren Schaltausgang, der ausgangsseitig mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist, mit einer Steuereinrichtung, die dazu ausgelegt ist, über den Schaltpfad den Schaltausgang zu schalten und über einen Datenpfad zu kommunizieren, mit einer in einem Datenpfad angeordneten Überspannungsschutzeinrichtung, welche einerseits mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss und andererseits mit der Steuereinrichtung verbunden ist und welche sowohl im Schaltbetrieb als auch im Empfangsbetrieb einen selbsttätigen überspannungsschutz bereitstellt.
– Ein Kommunikationssystem, welches mindestens zwei Teilnehmer aufweist, wobei die Teilnehmer zur Datenkommunikation über deren jeweilige Eingangs-/Ausgangsanschlüsse an einer gemeinsamen Eindraht-Datenleitung angeschlossen sind, wobei mindestens ein Teilnehmer als erfindungsgemäßes Schaltgerät ausgebildet ist.
– Ein Verfahren zur bidirektionalen Datenkommunikation zwischen mindestens zwei Teilnehmern eines Kommunikationssystems, bei dem die Datenkommunikation nur dann stattfindet, wenn richtungsabhängig bezogen auf die Richtung der gesendeten Datensignale jeweils einer der beiden Koppeltransistoren zweier an der Datenkommunikation beteiligten Teilnehmer invers betrieben wird.
– Ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes, mit einem ersten Betriebsmodus, bei welchem das Schaltgerät im Kommunikationsbetrieb betrieben wird und bei dem eine Datenkommunikation über den Datenpfad bei gleichzeitig hochohmig geschaltetem Schaltausgang erfolgt, und mit einem zweiten Betriebsmodus, bei welchen das Schaltgerät im Schaltbetrieb betrieben wird, wobei ein Überspannungsschutz im Datenpfad im ersten und im zweiten Betriebsmodus selbstständig aktiviert wird.

Das erfindungsgemäße Schaltgerät weist einen Schaltausgang auf, über welchen in einem Schaltbetrieb Schaltsignale gesendet werden können. Zudem weist das Schaltgerät auch ein Kommunikationsmodul auf, über welches Daten von anderen Kommunikationsteilnehmern, Schaltgeräten oder Steuergeräten empfangen werden können und/oder über welches auch Daten gesendet werden können. Die Besonderheit bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät besteht darin, dass dieses Kommunikationsmodul sowie der Schaltausgang einen gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss des Schaltgerätes nutzen. Um die Steuereinrichtung des Schaltgerätes vor zu hohen Spannungspegeln, die über den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsan schluss eingekoppelt werden können, zu schützen, weist das erfindungsgemäße Schaltgerät ferner eine Überspannungsschutzeinrichtung auf.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dass diese Überspannungsschutzeinrichtung eine automatisierte Pegelanpassung des eingekoppelten Signals auf eine innerhalb des Schaltgerät zulässige Versorgungsspannung vornimmt. Diese Überspannungsschutzeinrichtung ist dazu ausgelegt, im Schaltbetrieb, bei dem über den Schaltausgang Signale gesendet werden, den Empfangspfad zum Empfangen von Datensignalen zu sperren und damit zu schützen. Im Kommunikationsbetrieb, bei dem Daten von einem externen Teilnehmer oder Steuergerät empfangen werden (oder etwa auch an diesen gesendet werden), nimmt diese Überspannungsschutzeinrichtung eine automatisierte Pegelanpassung des eingekoppelten Signals vor. Diese Pegelanpassung wird nur dann durchgeführt, wenn das über den gemeinsamen Eingang-/Ausgangsanschluss empfangene Signal einen kritischen Signalpegel überschreitet. Ein solcher kritischer Signalpegel kann so ausgelegt sein, dass bei deren Überschreiten die Gefahr besteht, dass der digitale Schaltungsteil des Schaltgerätes dadurch beeinträchtigt wird und im Extremfall sogar ausfällt. Diese Überspannungsschutzeinrichtung des Schaltgerätes nimmt somit eine Pegelanpassung auf der Basis einer Geräte-internen Versorgungsspannung vor. Die Pegelanpassung ist dann nicht mehr an die jeweilige Versorgungsspannung der verschiedenen externen Teilnehmer gebunden.
Der Überspannungsschutz ist als für beide Betriebsmodi aktiviert, fungiert jedoch bei dem einen Betrieb (Kommunikationsbetrieb) als Pegelwandler oder auch Pegelbegrenzer und in dem anderen Betrieb (Schaltbetrieb) als Sperrschaltung.
Der Überspannungsschutz dient unter anderem dem Zweck, eine digitale Steuereinrichtung innerhalb des Schaltgerätes und hier insbesondere einen Eingangs-/Ausgangsanschluss der Steuereinrichtung vor einem zu hohen Signalpegel eines eingekoppelten Signal zu schützen, vor allem wenn der Spannungspegel dieses eingekoppelten Signals den Spannungspegel, bei dem die Steuereinrichtung intern betrieben wird, übersteigt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass erfindungsgemäß ein Schaltgerät bereitgestellt werden kann, das dazu ausgelegt ist, im Normalbetrieb einen hochohmigen so genannten Tristate-Zustand (Z-Ausgang) über den gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluss zu ermöglichen, sofern das Schaltgerät gerade nicht im Schaltbetrieb oder Kommunikationsbetrieb betrieben wird.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass vorzugsweise ein Verpolschutz bereitgestellt wird, der einen Verpolschutz für den Fall von negativen Betriebsspannungen am gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluss, wie sie beispielsweise durch versehentliches Verpolen auftreten können, ermöglicht. Ein solches versehentliches Verpolen würde meist zu einem Zerstören des gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschlusses führen, wodurch die Funktionsweise des Schaltgerätes unwiderruflich verloren ginge. Erfindungsgemäß wird dies mit dem Verpolschutz verhindert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße überspannungsschutz nicht nur vor einer positiven, sondern auch vor einer negativen Überspannung schützen kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Die Überspannungsschutzeinrichtung ist als Trennschaltung ausgebildet, die im Uberspanungsfall eine physikalische Trennung des Datenpfades im Bereich zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluss und der Steuereinrichtung vornimmt. Es ist hier vorteilhafterweise, im Unterschied zu herkömmlicherweise verwendeten Überspannungsschutzeinrichtungen, ein im Datenpfad vorgesehener (typischerweise nahezu widerstandsloser) Überspannungsschutz vorgesehen, der vergleichsweise mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln realisiert werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Datenpfad als bidirektionaler Kommunikationspfad ausgebildet, über den sowohl Daten über den Eingangs-/Ausgangsanschluss und von der Steuereinrichtung empfangen werden können, als auch Daten von der Steuereinrichtung über die Eingangs-/Ausgangsanschluss gesendet werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind ein erster Versorgungsanschluss für ein erstes Versorgungspotenzial und ein zweiter Versorgungsanschluss für ein zweites Versorgungspotenzial, insbesondere für ein Bezugspotenzial, vorgesehen, wobei der Schaltausgang versorgungsseitig mit einem der Versorgungsanschlüsse verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein dritter Versorgungsanschluss für ein drittes Versorgungspotenzial vorgesehen, wobei dieses dritte Versorgungspotenzial der Schaltgerät-internen Versorgung der Steuereinrichtung und der Überspannungsschutzeinrichtung dient.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Überspannungsschutzeinrichtung einen automatisch gesteuerten Schalter als Überspannungsschutz auf, dessen gesteuerte Strecke im Datenpfad angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Überspannungsschutzeinrichtung als selbsttätiger Trennschalter ausgebildet, der bezogen auf das dritte Versorgungspotenzial und das versorgungsseitig am Schaltausgang anliegende erste oder zweite Versorgungspotenzial eine automatische Pegelanpassung und hier insbesondere in vorteilhafter Weise eine Trennung eines am Eingangs-/Ausgangsanschluss anliegenden Signals vornimmt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Pegelwandler einen als Pegelbegrenzer arbeitenden Koppeltransistor auf, der steuerseitig mit dem dritten Versorgungsanschluss verbunden ist und der mit seiner gesteuerten Strecke in dem Datenpfad angeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Koppeltransistor einen Steueranschluss sowie einen ersten und einen zweiten Lastausgang auf, wobei der Steueranschluss über einen ersten Steuerwiderstand mit dem dritten Versorgungsanschluss verbunden ist und der erste Lastausgang direkt mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein zweiter Lastausgang des Koppeltransistors über einen zweiten Steuerwiderstand mit dem dritten Versorgungsanschluss verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist/sind der erste und/oder der zweite Steuerwiderstand als Pull-up-Widerstand ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Koppeltransistor als Bipolartransistor ausgebildet, dessen Steueranschluss die Basis, dessen erster Lastausgang den Emitter und dessen zweiter Lastausgang den Kollektor des Bipolartransistors bildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Lastausgänge des Bipolartransistors so im Datenpfad angeordnet, dass für einen Überspannungsschutz der Bipolartransistor invers betrieben ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Koppeltransistor als MOSFET ausgebildet, dessen Steueranschluss den Gateanschluss, dessen erster Lastausgang den Drainanschluss und dessen zweiter Lastausgang den Sourceanschluss des MOS-FETs bildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Einrichtung zur Unterdrückung eines Reststromes vorgesehen, die in einem inaktiven Betriebsmodus des Schaltgerätes den Eingangs-/Ausgangsanschluss und/oder den Koppeltransistor in einen hochohmigen Zustand versetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Einrichtung zur Unterdrückung eines Reststromes einen durch ein erstes Steuersignal steuerbaren Schalter auf, der ausgangsseitig mit dem Steueranschluss des Koppeltransistors verbunden ist, um den Koppeltransistor, bei Vorhandensein eines geeigneten ersten Steuersignals aufzuschalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Schutzeinrichtung zum Schutz des Koppeltransistors gegen geringe negative und/oder große positive Spannungen vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzeinrichtung einen Abschnürtransistor auf, der den Koppeltransistor bei geringen negativen Spannungen des ersten Koppeltransistors, insbesondere bei Spannungen kleiner als dessen Basis-Emitter-Sperrspannung, sperrt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schutzeinrichtung einen als Pegelbegrenzer arbeitenden weiteren Koppeltransistor sowie einen Abschnürtransistor auf, die den Eingangs-/Ausgangsanschluss des Mikrokontrollerts bei die Basis-Emitter Sperrspannung des Koppeltransistors übersteigenden negativen Spannungen schützen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schaltgerät zur Programmierung von verschiedenen Betriebszuständen und/oder Bedienelementen programmierbar ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige der programmierten Betriebszustände und/oder Bedienelemente vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schaltgerät als mobiles Handgerät ausgebildet, welches durch eine lokale Energieversorgung, insbesondere durch eine Batterie oder einen Akkumulator, mit Energie versorgbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Steuereinrichtung eine als Transceiverschaltung ausgebildete Schnittstellenschaltung auf, die einen Sendepfad zum Senden von Sendesignalen und einen Empfangspfad zum Empfangen von Empfangssignalen aufweist, wobei ein gemeinsamer Sende-/Empfangsanschluss für den Sendepfad und den Empfangspfad vorgesehen sind und der gemeinsame Sende-/Empfangsanschluss über einen gemeinsamen Sende-/Empfangspfad, in welchem die Überspannungsschutzeinrichtung angeordnet ist, mit dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist/sind die Steuereinrichtung und/oder die Transceiverschaltung Bestandteil einer programmgesteuerten Einrichtung, insbesondere eines Mikrocontroller oder eines Mikroprozessor, oder als solche ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schaltgerät im Kommunikationsbetrieb als Slave ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Schaltausgang einen steuerbaren Schalter auf, der steuerseitig mit einem ersten Steuerausgang der Steuereinrichtung verbunden ist, der versorgungsseitig mit dem ersten oder zweiten Versorgungsanschluss verbunden ist und der lastseitig direkt mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Schaltgerät eine Auswerteschaltung und/oder eine Parametrisierschaltung auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Messsensor, insbesondere ein kapazitiver oder induktiver Sensor, vorgesehen, der ausgangsseitig mit der Steuereinrichtung verbunden ist und der dazu ausgelegt ist, einen physikalischen Messgröße aufzunehmen und abhängig davon ein Messsignal an die Steuereinrichtung weiterzuleiten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Steuereinrichtung eine Auswerte- und Vergleichseinrichtung auf, die das von dem Messsensor empfangene Messsignal auswertet und mit einer vorgegebenen Messschwelle vergleicht und die bei Über- oder Unterschreiten der Messschwelle an einem Steuerausgang ein Steuersignal zur Ansteuerung des Schaltausgangs erzeugt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystem ist mindestens ein weiterer Teilnehmer als Steuergerät, insbesondere als Paramet riergerät, ausgebildet und über die Eindrahtdatenleitungen mit dem Schaltgerät verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystem arbeiten das Schaltgerät und das Steuergerät im Betrieb mit unterschiedlichen internen Versorgungspotenzialen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kommunikationssystem arbeiten das Schaltgerät und das Steuergerät bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotenzial, insbesondere bezogen auf eine gemeinsame Bezugsmasse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Datenkommunikation zwischen zwei an der Datenkommunikation beteiligten Teilnehmer der Schaltausgang des oder der Teilnehmers hochohmig geschaltet wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Betriebsmodi programmierbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Schaltausgang so beeinflusst, dass der Schaltausgang und der Koppeltransistor nie gleichzeitig niederohmig sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im zweiten Betriebsmodus der Schaltausgang aktiviert und über den Schaltausgang werden Schaltsignale gesendet und im ersten Betriebmodus werden über den Datenpfad Daten gesendet und/oder empfangen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Überspannungsschutz im Datenpfad sowohl im ersten Betriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist im zweiten Betriebsmodus der Datenpfad durch den Überspannungsschutz gesperrt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt im ersten Betriebsmodus für den Fall, dass ein Signal empfangen wird und dessen Signalpegel eine vorgegebene Schwelle überschreitet, der Überspannungsschutz eine Pegelbegrenzung des empfangenen Signals vor.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Bipolartransistor über dessen Basis-Kollektor-Ansteuerung im Überspannungsfall im inversen Betrieb betrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele detailliert erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems;
2 ein allgemeines Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes zur Verwendung in dem Kommunikationssystem aus 1;
3 ein detailliertes Blockschaltbild zur Darstellung des erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
4 ein Schaltbild zur Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
4A ein Schaltbild zur Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
4B ein Schaltbild zur Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
5 ein Schaltbild zur Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
6 ein Schaltbild zur Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
6A ein Schaltbild zur Darstellung eines sechstes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
6B verschiedene Signal-Zeit-Diagramme zur Darstellung der Kopplung der Potenziale am Ausgang der steuerbaren Schaltung und des Eingangs-/Ausgangsanschlusses eines erfindungsgemäßes Schaltgerätes entsprechend 6A;
6C verschiedene Signal-Zeit-Diagramme zur Darstellung der Betriebszustände eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes.
7 ein Schaltbild zur Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes;
8 ein Schaltbild zur Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes.
In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente, Merkmale und Signale – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Kommunikationssystems. Das Kommunikationssystem ist in 1 mit Bezugszeichen KS bezeichnet. Das Kommunikationssystem KS enthält einen ersten (Kommunikations-)Teilnehmer 1 und einen zweiten (Kommunikations-)Teilnehmer 2, die über einen gemeinsam genutzten Bus DB miteinander gekoppelt sind.
Es sei angenommen, dass der erste Teilnehmer 1 als Schaltgerät und der zweite Teilnehmer 2 als Steuergerät, beispielsweise als Parametrier- und Auswerteeinheit, ausgebildet sind. Es sei ferner angenommen, dass das Kommunikationssystem KS mit dem Schaltgerät 1 und dem Steuergerät 2 als BUS-System oder als Bestandteil eines solchen BUS-Systems ausgebildet sind. Der gemeinsam genutzte Bus DB sei hier als bidirektional betreibbare Eindraht-Busleitung DB1 ausgebildet. Es wäre aber auch denkbar, dass der Bus DB eine Vielzahl von Busleitungen aufweist, von denen die Busleitung DB1 eine davon ist. Über die Eindraht-Busleitung DB1 lassen sich bidirektional Signale DS, SS zwischen den beiden Teilnehmern 1, 2 austauschen. Bei diesen Signalen DS, SS kann es sich je nach Betrieb des jeweiligen Teilnehmers 1, 2 als Schaltgerät oder als Steuergerät um Schaltsignale SS oder Datensignale DS, also Sendesignale und Empfangssignale, handeln.
Der erste Teilnehmer 1 weist ferner einen einzelnen Ausgangs-/Eingangsanschluss I/O1 auf, der der Ankopplung des ersten Teilnehmers an die Eindraht-Busleitung DB1 dient. Der erste Teilnehmer 1 weist ferner einen ersten, einen zweiten und einen dritten Versorgungsanschluss 20, 21, 23 auf. An dem ersten Versorgungsanschluss 20 liegt ein erstes internes Versorgungspotenzial VCC1, beispielsweise ein positives Versorgungspotenzial VCC1, an, während an dem zweiten Versorgungsanschluss 21 ein zweites Versorgungspotenzial GND, beispielsweise ein Bezugspotenzial GND, anliegt. Am dritten Versorgungsanschluss 23 liegt ein drittes Versorgungspotenzial UB+, beispielsweise ein positives Batteriepotenzial UB+, an.
Der zweite Teilnehmer 2 weist einen einzelnen Eingangs/Ausgangsanschluss I/O2 auf, über den der zweite Teilnehmer 2 der Datenleitung DB1 mit dem ersten Teilnehmer 1 gekoppelt ist. Der zweite Teilnehmer 2 weist ferner zwei Versorgungsanschlüsse 21A, 23A auf, die mit dem zweiten bzw. dritten Versorgungspotenzial GND, UB+ beaufschlagt sind. Der zweite Teilnehmer 2 weist ferner ein viertes internes Versorgungspotenzial VCC2 an einem vierten Versorgungsanschluss 22 auf, welches einen gegenüber dem ersten Versorgungspotenzial VCC1 des ersten Teilnehmers 1 unterschiedlichen Spannungspegel aufweist. Die beiden Teilnehmer 1, 2 operieren somit mit unterschiedlichen internen Versorgungsspannungen.
Damit nun die beiden Teilnehmer 1, 2 über die gemeinsam genutzte Eindraht-Leitung DB1 miteinander kommunizieren können, obgleich sie unterschiedliche Versorgungsspannungen aufweisen, muss zumindest eine der Schaltungen 1, 2 geeignet angepasst sein. Dies wird nachfolgend anhand der in den 2 bis 8 dargestellten Schaltungsanordnungen detailliert beschrieben.
2 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes zur Verwendung in dem Kommunikationssystem aus 1. Es sei davon ausgegangen, dass der erste Teilnehmer 1 aus 1 als elektronisches Schaltgerät 1 ausgebildet ist.
Das Schaltgerät 1 weist eine Steuereinrichtung SE, eine Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE und eine Schaltausgangsschaltung SA (oder kurz Schaltausgang) auf. Die Steuereinrichtung SE enthält beispielsweise eine programmgesteuerte Einrichtung, wie z. B. einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor, oder ist Bestandteil davon. Zwischen dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 und der Steuereinrichtung SE sind in einem Schaltpfad 126 die Schaltausgangsschaltung SA sowie in einem Sende-/Empfangspfad 12A die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE vorgesehen. Diese Schaltausgangsschaltung SA und die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE sind somit parallel zueinander angeordnet.
Mittels des Schaltgerätes 1 in 2 lassen sich zwei voneinander unterschiedliche Betriebsmodi einstellen:
Im ersten Betriebsmodus wird das Schaltgerät 1 in einem Schaltbetrieb betrieben. In diesem Schaltbetrieb steuert die Steuereinrichtung SE den Schaltausgang SA derart, dass abhängig von dieser Steuerung über den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 Analogsignale und/oder Schaltsignale SS gesendet werden können.
Im zweiten Betrieb wird das Schaltgerät 1 im Kommunikationsbetrieb betrieben und ist hier in der Lage, über den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 Datensignale, also Empfangssignale oder Sendesignale, von einem anderen Teilnehmer aufzunehmen bzw. an diesen zu senden. In diesem Betriebsmodus werden im Falle von empfangenen Datensignalen DS diese im Empfangspfad 12A zunächst der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE zugeführt, die einen automatischen, das heißt selbsttätigen Überspannungsschutz bereitstellt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die empfangenen Datensignale DS, sofern sie die Überspannungseinrichtung ÜSE passieren, die Steuereinrichtung SE und hier insbesondere deren digitale Schaltungsteile nicht negativ beeinträchtigen oder im Extremfall sogar zerstören. Aus diesem Grunde erfolgt dann, sofern der Signalpegel des empfangenen Datensignals DS eine vorgegebene Signalschwelle überschreitet, eine automatische Pegelwandlung dieses Signalpegels des empfangenen Datensignals, sodass das von der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE an die Steuereinrichtung SE weitergegebene Datensignal DS' nun einen für die Steuereinrichtung SE unkritischen Signalpegel aufweist.
Diese erfindungsgemäße Funktionalität der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE ist auch aktiv im ersten, so genannten Schaltbetrieb. Mittels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE wird hier sichergestellt, dass diese Schaltsignale SS, welche z. B. einen gegenüber der internen Versorgungsspannung (VCC1-GND) des Schaltgerätes 1 höheren Signalpegel aufweisen, bei einer Rückkopplung über den Datenpfad 12A eine Beeinträchtigung bis hin zu einer Zerstörung der Steuereinrichtung SE zur Folge hat. Mittels der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE wird auch in diesem Schaltbetrieb sichergestellt, dass das zu sendende Schaltsignal SS nicht über den Datenpfad 12A zur Steuereinrichtung SE gelangt. In diesem Falle blockt die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE gewissermaßen das Schaltsignal SS ab. Dies wird nachfolgend insbesondere anhand der 4–8 noch detailliert erläutert.
3 zeigt ein detaillierteres Ausführungsbeispiel des Schaltgerätes 1 aus 2. Die Versorgungsanschlüsse 21, 23, die (wie in 1 dargestellt) zwei externe Versorgungspotenziale GND, UB+ aufweisen, sind hier als externe Versorgungsanschlüsse des Schaltgerätes 1 ausgebildet. Darüber hinaus weist das Schaltgerät 1 auch ein internes Versorgungspotenzial VCC1, welches an einem internen Versorgungsanschluss 20 anliegt, auf. Es sei nachfolgend davon ausgegangen, dass das erste Versorgungspotenzial VCC1 gegenüber dem dritten Versorgungspotenzial UB+ einen geringeren Pegel aufweist. Die interne Versorgungsspannung des Schaltgerätes 1 ergibt sich somit aus der Differenz des internen Versorgungspotenzials VCC1 und dem Bezugspotenzial GND.
Das Schaltgerät 1 ist hier als Dreileiterschaltgerät ausgebildet. Die beiden Versorgungsanschlüsse 21, 23 bilden zwei der drei Leiter des Schaltgerätes 1. Der dritte Leiter wird durch den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 gebildet.
In dem Ausführungsbeispiel in 3 enthält der Schaltausgang einen steuerbaren Schalter, beispielsweise einen MOSFET. Dieser steuerbare Schalter 11 ist versorgungsseitig mit dem Versorgungsanschluss 23, an dem das dritte Versorgungspotenzial UB+ anliegt, verbunden. Ausgangsseitig ist der steuerbare Schalter 11 mit dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 verbunden. Der steuerbare Schalter 11 wird über ein Steuersignal S1 angesteuert, wodurch der Schalter 11 auf- und zugesteuert wird. Dieses Steuersignal S1 wird von der Steuereinrichtung SE an einem Steuerausgang SP1 bereitgestellt und über eine im Steuerpfad vorgesehene Steuerleitung dem Steueranschluss des steuerbaren Schalters 11 zugeführt.
Die Überspannungseinrichtung ÜSE ist hier als Trennschalter ausgebildet. Sowohl die Überspannungseinrichtung ÜSE wie auch die Steuereinrichtung SE werden über den internen Versorgungsanschluss 20 mit dem ersten Versorgungspotenzial VCC1 versorgt.
Das Schaltgerät 1 weist ferner einen Sensor 30, beispielsweise einen induktiven oder kapazitiven berührungslosen Sensor, auf. Dieser Sensor 30 ist dazu ausgelegt, einen physikalischen Wert zu messen und abhängig von dem gemessenen physikalischen Wert ein Messsignal MS zu erzeugen. Der Sensor 30 ist mit der Steuereinrichtung SE über eine Verbindungsleitung gekoppelt, über welche der Sensoreinrichtung SE das Messsignal MS zugeführt wird. Die Steuereinrichtung SE weist ferner eine Auswerte- und Vergleichseinrichtung 31 auf, die das Messsignal MS auswertet. Bei dieser Auswertung wird beispielsweise das Messsignal MS, welches den gemessenen physikalischen Wert repräsentiert, mit einer vorgegebenen Schwelle, die einer Schwelle für den physikalischen Messwert entspricht, verglichen. Übersteigt das Messsignal diese vorgegebene Schwelle (oder unterschreitet sie), dann erzeugt die Auswerte- und Vergleichseinrichtung 31 ein Steuersignal S1, welches an einem Steuerausgang SP1 der Steuereinrichtung SE bereitgestellt wird. Mittels dieses Steuersignals S1 wird der steuerbare Schalter 11 des Schaltausgangs SA geschlossen, wodurch am Ausgangsanschluss I/O1 das Schaltsignal SS bereitgestellt wird.
Nachfolgend wird anhand der 4 ein erstes Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes in einem Kommunikationssystem beschrieben. Es sei angenommen, dass die Steuereinrichtung SE des Schaltgerätes 1 als Mikrocontroller ^μC1 ausgebildet ist.
Es sei ferner angenommen, dass der zweite Teilnehmer 2 als Steuergerät ausgebildet ist. Dieses Steuergerät 2 kann z. B. als Parametriergerät oder Auswertegerät ausgebildet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sei das Steuergerät 2 ein handbetreibbares Steuergerät, welches eine lokale Energieversorgung, beispielsweise eine Batterie oder einen Akkumulator, enthält. Dieses Steuergerät 2 ist über die Eindrahtbusleitung B1 mit dem Schaltgerät 1 gekoppelt. Es sei hier angenommen, dass das Steuergerät das Schaltgerät 1 mit Energie versorgt. Hierzu sind die beiden Versorgungsanschlüsse 21, 23 zur Einkopplung der entsprechenden Versorgungspotenziale GND, UB+ mit den Versorgungsanschlüssen 21A, 23A über entsprechende Verbindungsleitungen gekoppelt. Das Steuergerät 2 dient somit der Spannungsversorgung des Schaltgerätes 1.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 2 zum Beispiel dazu ausgelegt, das Schaltgerät 1 über die Versorgungsanschlüsse 21, 23; 21A, 23A mit einer Versorgungsspannung UB+-GND (Batteriespannung) zu versorgen.
Der Mikrocontroller μC1 weist eine hier lediglich ansatzweise dargestellte Schnittstellenschaltung auf, die zumindest den Sendepfad TX, Empfangspfad RX und den steuerbaren Schalter 4 sowie den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss 24 enthält. Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist diese Schnittstellenschaltung der Steuereinrichtung in TTL-Logik ausgebildet. Der Sendepfad TX wird typischerweise über ein Steuersignal S0, welches einen steuerbaren Schalter 4 ansteuert, aktiviert. Der Sendepfad TX mündet ausgangsseitig des Mikrocontrollers μC1 in einen einzigen Sende-/Empfangsanschluss 24. Über diesen Sende-/Empfangsanschluss 24 sowie dem gemeinsamen Sende-/Empfangspfad 12A ist der Mikrocont roller μC1 an den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 angeschlossen.
Zwischen dem Mikrocontroller μC1 und dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss ist eine als Trennschalter ausgebildete Überspannungsschutzeinrichtung vorgesehen. Dieser Trennschalter umfasst einen als Pegelbegrenzer arbeitenden Koppeltransistor 5.
Die gesteuerte Strecke des Koppeltransistors 5 ist zwischen dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 und dem Sende-/Empfangsanschluss 24 des Mikrocontrollers μC1 angeordnet. Dabei ist der Kollektor des Koppeltransistors 5 direkt mit dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 und dessen Emitter mit dem Sende-/Empfangsanschluss 24 verbunden. Steuerseitig wird der Koppeltransistor 5 über einen Pull-up-Widerstand 7 mit einem von dem ersten Versorgungspotenzial VCC1 abgeleiteten Steuerpotential angesteuert. Der Emitteranschluss des Koppeltransistors 5 ist über einen weiteren Pull-up-Widerstand 10 mit dem ersten, internen Versorgungspotenzial VCC1 verbunden. Der Koppeltransistor 5 wird somit stets von einer im Wesentlichen konstanten Steuerspannung, welche über dem Pull-up-Widerstand 7 abfällt, angesteuert und fungiert somit als Pegelbegrenzer.
Das Schaltgerät 1 weist ferner einen Schaltausgang SA mit einem Schalter 11 auf, der hier beispielsweise als MOSFET ausgebildet ist und der von einem von dem Mikrocontroller μC1 bereitgestellten Steuersignal S1 ein- und ausgeschaltet werden kann. Wird der steuerbare Schalter 11 über das (digitale oder auch analoge) Steuersignal S1 eingeschaltet, dann wird der gemeinsame Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 und damit die Eindrahtbusleitung DB1 mit dem Batteriepotenzial UB+ beaufschlagt. Abhängig von der Ansteuerung des steuerbaren Schalters 11 wird somit unter Verwendung des Batteriepotenzials UB+ am Eingang-/Ausgangsanschluss I/O1 ein Schaltsignal SS erzeugt, welches an das Steuergerät 2 übermittelt wird.
Es sei angenommen, dass der zweite Teilnehmer 2 in 4 als Steuergerät ausgebildet ist und daher keinen Schaltausgang aufweist. Jedoch weist das Steuergerät 2, ähnlich wie das Schaltgerät 1, einen als Mikrocontroller μC2 ausgebildete Steuerein richtung auf, die über einen gemeinsamen Sende-/Empfangsanschluss 25 mit dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O2 verbunden ist. Auch enthält das Steuergerät 2 einen als Pegelwandler und hier insbesondere als Pegelbegrenzer arbeitenden Koppeltransistoren 6, dessen Kollektor mit dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O2 und dessen Basis- und Emitteranschlüsse jeweils über Pull-Up-Widerstände 8, 9 mit dem vierten Versorgungspotenzial VCC2 verbunden sind.
Die Koppeltransistoren 5, 6 der Kommunikationsteilnehmer 1, 2 sind hier jeweils als npn-Bipolartransistoren ausgebildet.
Für den als Pegelbegrenzer ausgebildeten Koppeltransistor 5, 6 in beiden Teilnehmern 1, 2 gilt, dass im Nichtinversbetrieb der entsprechenden Transistoren 5, 6 gesendet werden kann und im Inversbetrieb der entsprechenden Transistoren 5, 6 empfangen werden kann. Ein aktiver Nullzustand wird in beide Richtungen, d. h. in Richtung des ersten und in Richtung des zweiten Kommunikationsteilnehmers 1, 2 weitergereicht. Dies liegt nicht daran, dass beide Koppeltransistoren 5, 6 steuerseitig durch unterschiedliche interne Versorgungspotenziale VCC1, VCC2 angesteuert werden, sondern daran, dass im aktiven Nullzustand einer der Eingangs-/Ausgangsanschlüsse der Steuereinrichtung SE die jeweilige Basis der Koppeltransistoren 5, 6 bestromt wird. Durch eine geeignete Dimensionierung der entsprechenden steuerseitigen Pull-up-Widerstände 7, 8 kann sichergestellt werden, dass beide Koppeltransistoren 5, 6 eingeschaltet werden. Über die jeweils unterschiedlichen, geräteinternen Versorgungspotenziale VCC1, VCC2 und die Pull-up-Widerstände 7, 8 wird ein Basisstrom erzeugt, der den jeweiligen Steueranschlüssen der Koppeltransistoren 5, 6 zuführbar ist und der zum Durchschalten der Koppeltransistoren 7, 8 erforderlich ist. Ein aktiver Nullzustand wird in beide Richtungen weitergereicht, da dann durch beide Koppeltransistoren, 5, 6 ein Basisstrom fließt und somit die Kollektor-Emitter-Spannung VCE in Sättigung geht.
Wesentlich ist hier die direkte Anbindung des Kollektoranschlusses des jeweiligen Koppeltransistors 5, 6 an den jeweiligen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1, I/O2. Werden diese über den als Schaltausgang SA fungierenden steuerbaren Schalter 11 in einem Schaltbetrieb mit einer hohen Betriebsspannung UB+ beaufschlagt, dann fällt über der Kollektor-Emitter-Strecke der Koppeltransistoren 5, 6 die überhöhte Spannung ab. Problematisch wäre hier, wenn der Emitteranschluss eines der Koppeltransistoren 5, 6 eine zu hohe Spannung aufnimmt, die gegebenenfalls zu einem Durchbrechen des jeweiligen Koppeltransistors 5, 6 (z. B. ab 5 Volt) über dessen Emitterpotenzials erfolgen kann. Aus diesem Grund wird der Kollektoranschluss des Koppeltransistors 5 direkt an den Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 angelegt, um dadurch den inversen Betrieb des Koppeltransistors 5 zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß weist das Schaltgerät 1 eine Überspannungsschutzeinrichtung PW1, PW2 auf, die eine selbsttätige Pegelanpassung eines über den gemeinsamen Sende-/Empfangspfad 12 eingekoppelten Empfangssignals vornimmt. Dies wird hier dadurch realisiert, dass die jeweiligen Pull-up-Widerstände 10, 7 bzw. 8, 9, die hier als Steuerwiderstände fungieren, an die jeweils innerhalb des Kommunikationsteilnehmers 1, 2 herrschende, geräteinterne Spannung VCC1, VCC2 aufgehängt sind. Im Falle des Schaltgerätes 1 sind die Pull-up-Widerstände 7, 10 jeweils mit demselben ersten Versorgungspotenzial VCC1 und im Falle des Steuergeräts 2 sind die Pull-up-Widerstände 8, 9 mit dem entsprechenden, geräteinternen vierten Versorgungspotenzial VCC2 beaufschlagt.
Die jeweiligen Pull-up-Widerstände 9, 10 in der 2 sind für die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sehr wesentliche, jedoch nicht unbedingt notwendige Bestandteile. Ohne diese Pull-Up-Widerstände 9, 10 wäre sonst weder die Pegelbegrenzung durch den als Pegelbegrenzer ausgebildeten Koppeltransistor 5 bzw. 6 im Kommunikationsbetrieb (zweiter Betriebsmodus) noch die Sperrung der beiden Transistoren 5 bzw. 6 im Schaltbetrieb (erster Betriebsmodus) gewährleistet.
Ist der Schaltausgang nicht aktiv, d. h. ist der steuerbare Schalter 11 über das Steuersignal S1 in den geöffneten Zustand gesteuert, dann ist am Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 über den Pull-up-Widerstand 7 und die Kollektordiode des Koppeltransistors 5 durch das geräteinterne Potenzial VCC1 ein Reststrom gegen die Bezugsmasse GND entnehmbar, abhängig von der Dimensionierung der Pull-up-Widerstände 10, 7. In den meisten Anwendungen würde dieser Reststrom die Ge samtfunktionalität nicht beeinträchtigen. Auf der anderen Seite kann dieser Reststrom schaltungstechnisch auch reduziert oder zumindest verringert werden, zumal dann anstelle eines digitalen Schaltausgangs 11 auch ein analoger Ausgang zur Anwendung kommen kann, was steuerseitig sicherlich vorteilhaft ist.
Nachfolgend seien einige schaltungstechnische Realisierungen zur Vermeidung des Reststromes bei einem nicht aktiven, ausgeschalteten Schalter 11 dargestellt:
Für den Fall, dass über den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 keine Datenkommunikation stattfindet oder Schaltsignale gesendet werden, ist es vorteilhaft, wenn dieser Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 einen hochohmigen Zustand (High-Z, Tristate) einnimmt. Hierzu ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in 4A vorgesehen, dass der Basisanschluss des Koppeltransistors 5 über einen weiteren steuerbaren Schalter 26 auf das Bezugspotenzial GND geschaltet wird. Dieser weitere steuerbare Schalter 26 kann z. B. als MOSFET-Transistor 26 ausgebildet sein, dessen gesteuerte Strecke zwischen einer mit dem Bezugspotenzial GND beaufschlagten Versorgungsleitung und dem Steueranschluss des Koppeltransistors 5 geschaltet ist. Dieser weitere steuerbare Schalter 26 kann z. B. über ein Steuersignal S2, welches von dem Mikrocontroller μC1 über einen Steuerausgang SP2 bereitgestellt wird, gesteuert werden. Wird dieser steuerbare Schalter 26 über das Steuersignal S2 eingeschaltet und somit geschlossen, dann wird der Steueranschluss des Koppeltransistors 5 mit dem Bezugspotenzial GND beaufschlagt, wodurch der Koppeltransistor 5 gesperrt wird. Bei gesperrtem steuerbaren Schalter 11 des Schaltausgangs SA nimmt somit der gemeinsame Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 einen hochohmigen Zustand ein, wodurch vermieden wird, dass ein Reststrom fließt.
Alternativ wäre auch denkbar, dass die über die Pull-up-Widerstände 7, 10 abfallenden Steuerspannungen mittels weiterer steuerbarer Schalter 27, 28 gewissermaßen abgeschaltet werden. Diese weiteren steuerbaren Schalter 27, 28 können z. B. über ein weiteres Steuersignal S3, welches von dem Mikrocontroller μC1 über einen weiteren Steuerausgang SP3 bereitgestellt wird, gesteuert werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist in der 4B dargestellt.
Die beiden steuerbaren Schalter 27, 28 sind hier beispielsweise als MOSFET-Transistoren ausgebildet. Die gesteuerten Strecken dieser MOSFET-Transistoren sind zwischen dem ersten Versorgungsanschluss 20 mit dem ersten Versorgungspotenzial VCC1 und dem jeweiligen Pull-up-Widerstand 7, 10 angeordnet. Werden die beiden steuerbaren Schalter 27, 28 über die Steuersignale S3 aufgesteuert und somit geöffnet, dann sind die jeweiligen Pull-up-Widerstände 7, 10 nicht mehr mit dem internen Versorgungspotenzial VCC1 verbunden, so dass an ihnen auch nicht eine entsprechende Steuerspannung abfällt, die im Falle des Koppeltransistors 5 zu dessen Basisansteuerung erforderlich ist. Auch in diesem Falle würde der Koppeltransistor 5 somit in den gesperrten Zustand versetzt werden, wodurch sich bei ebenfalls geöffnetem steuerbaren Schalter 11 des Schaltausgangs SA ein hochohmiger Zustand am gemeinsamen Eingang-/Ausgangsanschluss I/O1 einstellt.
5 zeigt anhand eines Schaltbildes ein viertes Anwendungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes.
In 5 ist ein weiterer Koppeltransistor 14 im Schaltpfad 12B vorgesehen. Der Steueranschluss des Koppeltransistors 14 ist einerseits mit dem Basisanschluss des Koppeltransistors 5 verbunden und andererseits über einen Pull-down-Widerstand 13 mit dem Bezugspotenzial GND beaufschlagt. Der Emitteranschluss des beispielsweise als pnp-Bipolartransistor 14 ausgebildeten Koppeltransistors 14 ist mit dem Steuerausgang SP1 des Mikrocontrollers μC1 verbunden und der Emitter ist mit dem Steuernschluss des steuerbaren Schalters 11 verbunden. Zwischen dem Basisanschluss des Koppeltransistors 14 ist in Richtung dessen Emitteranschlusses ferner eine Schottkydiode 15 geschaltet, die aufgrund ihrer niedrigen Durchlassspannung bevorzugt ist. Denkbar wäre hier allerdings auch eine Zehnerdiode oder ein anderes Element mit gleicher oder ähnlicher Funktion.
Nachfolgend sei die Funktionsweise der Schaltungsanordnung in 5 erläutert:
Ist – im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen in den 4A, 4B – kein eigens dafür vorgesehener Steuerausgang seitens des Mikrocontrollers μC1 vorhanden, kann ein hochohmiger Zustand des Eingangs-/Ausgangsanschlusses I/O1 auch unter Verwendung des ohnehin vorhandenen Steuerausgangs SP1 zur Ansteuerung des Schaltausgangs 11 erzeugt werden. Hierzu wird der Basisanschluss des Koppeltransistors 5 über die als Abschnürdiode fungierende Schottkydiode 15 von dem über den Steueranschluss SP1 bereitgestellten Steuersignal S1 auf einen niedrigen Spannungspegel (LOW, "0") gezogen, wodurch der Koppeltransistor 5 gesperrt und damit ausgeschaltet wird. Denkbar wäre hier natürlich auch eine inverse Logik. Im zweiten, so genannten Kommunikationsbetrieb, bei dem also eine Datenübertragung über den Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 erfolgt, nimmt der Steuerausgang SP1 selbst den hochohmigen Zustand ein, wodurch die Datenkommunikation über den Sende-/Empfangsanschluss 24 und damit über den gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 erfolgen kann.
Es sei nachfolgend angenommen, dass die Datenkommunikation in dem Ausführungsbeispiel in 5 eine so genannte OWI-Datenkommunikation unter Verwendung des OWI-Protokolls ist. Dieser Umstand ist insbesondere für die Einhaltung der „Start-up-Window"-Vereinbarung des OWI-Protokolls von großer Bedeutung, die voraussetzt, dass der Mikrocontroller μC1, der in diesem Fall als "Slave" fungiert, nach jedem Neustart (Power-On) zunächst im Command-Modus auf ein adäquates empfangenes Kommunikationssignal wartet und gegebenenfalls im Kommunikationsbetrieb bleibt oder aber, nach Ablauf eines (vorher vorgegebenen) definierten Zeitfensters, bei dem kein adäquates Kommunikationssignal empfangen wurde, den normalen Schaltbetriebsmodus aktiviert.
Zur Aktivierung des steuerbaren Schalters 11 und damit des Schaltausganges wird (im Falle einer digitalen Schaltlogik) das digitale Steuersignale S1 über den Steuerausgang SP1 von einem niedrigen Signalpegel (LOW) auf einen hohen Signalpegel (HIGH) geschaltet. Am Abgriff zwischen den beiden Widerständen 7, 13, die als Spannungsteiler wirken, ist ein vergleichsweise geringes Basispotenzial zur Ansteuerung des Koppeltransistors 14 abgreifbar, welches dazu führt, dass der Koppeltransistor 14 aufgesteuert wird und einen hohen Signalpegel zum steuerbaren Schalter 11 weiterleitet, der entsprechend eingeschaltet, also geschlossen wird.
Ein gleichzeitiges Aktivieren des steuerbaren Schalters 11 und des Sende-/Empfangsausgangs 24 wird z. B. softwareseitig durch das Programm des Mikrocontrollers μC1 verhindert. Alternativ kann dies auch hardwareseitig (nicht dargestellt in 5) verhindert werden, indem z. B. über den Sende-/Empfangsanschluss 24 eine Ansteuerung des steuerbaren Schalters 11 unterdrückt wird.
6 zeigt eine fünfte Anwendung eines erfindungsgemäßen Steuergerätes 1. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in der 4 ist hier emitterseitig des Koppeltransistors 5 ein weiterer Koppeltransistor 16 vorgesehen, dessen Basisanschluss über einen Pull-up-Widerstand 18 mit dem ersten Versorgungsanschluss 20 und damit mit dem ersten Versorgungspotenzial VCC1 verbunden ist, dessen Emitteranschluss mit dem Emitteranschluss des ersten Koppeltransistors 5 und dessen Kollektoranschluss über dem Pull-up-Widerstand 10 mit dem ersten internen Versorgungspotenzial VCC1 verbunden ist. Ferner ist dort ein Abschnürtransistor 17 vorgesehen, dessen Emitteranschluss mit den Emitteranschlüssen der Koppeltransistoren 5, 16 verbunden ist. Der Kollektoranschluss des Abschnürtransistors 17 ist über dem Pull-up-Widerstand 18 mit dem ersten Versorgungspotenzial VCC1 und dessen Basisanschluss über einen Pull-down-Widerstand 19 mit dem zweiten Versorgungsanschluss 21 verbunden und damit mit dem Bezugspotenzial GND beaufschlagt.
Dieser weitere Koppeltransistor 16 sowie der Abschnürtransistor 17 mit basisseitigem Pull-down-Widerstand 19 dienen dem Schutz gegen negative Spannungen, also dem Verpolschutz. Soll der gemeinsame Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 (,der z. B den Kommunikationsport des Mikrocontrollers μC1 darstellt,) auch gegen negative Spannungen von beispielsweise betragsmäßig mehr als –5 Volt geschützt werden, dann wird der weitere Koppeltransistor 16 als Längskopplung so geschaltet, dass dieser in einen nicht-leitenden Zustand versetzt wird, sobald ein zu sendendes, d. h. nach außen geführtes Signal den Spannungspegel am Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O unter das Bezugspotenzial GND gezogen wird. Zu diesem Zwecke ist der Abschnürtransistor 17 vorgesehen, der bei einem negativen Potenzial am Eingangs-/Ausgangsanschluss 1 die Basis-Emitter-Spannung VBE des Koppeltransistors 16 gewissermaßen kurzschließt. Bei einem negativen Potenzial von betragsmäßig weniger als –5 Volt kann der Abschnürtransistor 17 direkt am Koppel transistor 5 installiert werden (in 6 nicht dargestellt), da dann dessen Emitter-Basis-Durchbruchspannung VDB nicht überschritten wird.
6A zeigt ein Schaltbild zur Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel in der 6 ist hier ein weiterer Widerstand 29 vorgesehen, der zwischen dem Versorgungsanschluss 21 (mit der Bezugsmasse) und dem Basisanschluss des Koppeltransistors 5 angeordnet ist. Der Widerstand 29 dient zusammen mit dem Widerstand 7 der Einstellung der Schaltschwelle des Koppeltransistors 5, die dadurch je nach Dimensionierung dieser Widerstände 29, 7 bedarfsgemäß eingestellt werden können, so dass die Schaltschwelle nicht mehr ausschließlich von der Höhe des Versorgungspotenzials VCC1 abhängt.
Nachfolgend sei die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schaltgerätes im Allgemeinen und des in der 6A gezeigten Schaltgerätes im Besonderen anhand der 6B, 6C erläutert.
6B zeigt verschiedene Signal-Zeit-Diagramme zur Darstellung der Kopplung der Potenziale am Ausgang 24 der steuerbaren Schaltung μC1 und des Eingangs-/Ausgangsanschlusses I/O1 für ein erfindungsgemäßes Schaltgerät 1 entsprechend 6A. Die obere Kurve in 6B zeigt ein am gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 (von außen) aufgeprägtes Eingangspotenzial V_I/O1. Die mittlere Kurve zeigt den Zustand der Schutzschaltung 5, also den Schaltzustand der Koppelstrecke. Die untere Kurve zeigt das Eingangspotenzial V_μC1 am Sende-/Empfangsanschlusses 24 der steuerbaren Schaltung μC1 in Abhängigkeit von dem Eingangspotenzial VI/O1.
Bei negativem Eingangspotenzial V_I/O1 (siehe Abschnitt T1) sperrt die Schutzschaltung 5, die durch den Koppeltransistor 16/17 und die Widerstände 18/19 in der 6A gebildet wird, d. h. sie wird hochohmig (High-Z) und fungiert damit als Trennschaltung. Damit liegt das Eingangspotenzial V_uC1 aufgrund des Pull-up-Widerstandes 10 auf dem Versorgungspotenzial VCC1.
Bei einem Eingangspotenzial V_I/O1 = 0 Volt wird die Schutzschaltung 5 niederohmig (LOW-Z), so dass das Eingangspotenzial V_μC1 am Sende-/Empfangsanschluss 24 den Wert 0 Volt annimmt. Wie aus der oberen und unteren Kurve in 6B ersichtlich ist, werden positive Eingangspotenzial V_I/O1 solange an den Sende-/Empfangsanschluss 24 weitergegeben, wie deren Werte geringer als das Versorgungspotenzial VCC1 sind (siehe Abschnitt T2). In diesem Falle bleibt die Schutzschaltung 5 niederohmig (LOW-Z).
Erreichen oder Übersteigen diese eingekoppelten positiven Eingangspotenziale V_I/O1 den Wert des Versorgungspotenzials VCC1, dann wird die Schutzschaltung 5 wieder hochohmig, so dass das Eingangspotenzial V_μC1 am Sende-/Empfangsanschluss 24 über den Pull-up-Widerstand 10 wieder auf den Wert des Versorgungspotenzials VCC1 gebracht und damit vor zu hoher eingekoppelter Überspannung geschützt wird (siehe Abschnitt T3).
6C zeigt verschiedene Signal-Zeit-Diagramme zur Darstellung der Betriebszustände eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes. In der 6C sind drei verschiedene Betriebsmodi, bezogen auf die Schaltungsanordnung in 5, dargestellt, die durch die drei Zeitabschnitte T4–T6 gekennzeichnet sind:
Erster Betriebsmodus (T4):
In diesem Betriebszustand ist der Leistungsschalter 11 und damit der Schaltausgang SA über das von der steuerbaren Schaltung μC1 erzeugte Steuersignal S1 (S1 = GND) deaktiviert, d. h. ausgeschaltet. Hier findet ferner keine aktive Kommunikation statt, d. h. es werden von dem Schaltgerät 1 keine Sendesignale gesendet. Der Sende-/Empfangsanschluss 24 der steuerbaren Schaltung μC1 ist damit über die Schottkey-Diode abgehängt (V_μC1 = VCC1), so dass ein Senden von Datensignalen über den Datenpfad 12A nicht möglich ist. Das Eingangspotenzial V_I/O1 ist hier ebenfalls VCC2. Allerdings kann vorgesehen sein, dass ein Empfang von Datensignalen über den Datenpfad 12A möglich ist.
Zweiter Betriebsmodus (T5):
In diesem Betriebszustand (sogenannter Schaltbetrieb) ist der Schaltausgang SA über das Steuersignal S1 (S1 = VCC1) aktiviert. Damit wird der Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 über den leitend geschalteten MOSFET 11 des Schaltausgangs SA mit dem Versorgungspotenzial UB+ beaufschlagt, sodass das Eingangspotenzial V_I/O1 = UB+ ist. Die Möglichkeit der Kommunikation ist hier nicht gegeben, so dass hier der Sende-/Empfangsanschluss 24 verriegelt ist (V_μC1 = VCC1). Von außen ankommende Empfangssignale werden zudem unterdrückt (bzw. überstimmt).
Dritter Betriebsmodus (T6):
In diesem Betriebszustand (so genannter Kommunikationsbetrieb) ist der Schaltausgang SA über das Steuersignal S1 (S1 = GND) deaktiviert. Hier ist aber eine Datenkommunikation möglich, da hier der Sende-/Empfangsanschluss 24 nicht mehr abgehängt ist (V_μC1 = VCC1). Über den Eingangs-/Ausgangsanschluss I/O1 empfangene Datensignale werden direkt an den Sende-/Empfangsanschluss 24 weiter geleitet, so dass je nach eingekoppelten Empfangssignal das Eingangspotenzial V_I/O1 und damit auch das Eingangspotenzial V_μC1 entweder GND oder VCC1 annimmt. Im Falle von digitalen Eingangssignalen repräsentiert zum Beispiel GND einen niedrigen logischen Pegel (LOW, "0") und VCC1 einen hohen logischen Pegel (HIGH, "1"). In gleicher Weise verhalten sich dann auch die Eingangspotenziale V_I/O1, V_μC1, sofern Sendesignale über die Anschlüsse 24, I/O1 gesendet werden sollen.
In der 6C ist ferner als untere Kurve das steuergerätseitige Eingangspotenzial V_μC2 dargestellt, dessen Verlauf im wesentlichen dem Verlauf des schaltgerätseitigen Eingangspotenzials V_μC1 entspricht, jedoch aufgrund deren unterschiedlichen geräteinternen Versorgungsspannungen (VCC1 einerseits und VCC2 andererseits) eine unterschiedliche Amplitude aufweist.
In den Ausführungsbeispielen in den 4–6A wurden die Koppeltransistoren 5, 6, vorzugsweise in Bipolartechnik ausgebildet, da Bipolartransistoren insbesondere für niedrige Spannungen (1/2·VCC < 5 Volt) die bevorzugte Variante sind. Es versteht sich von selbst, dass diese Transistoren auch durch geeignet anders ausgebildete Transistoren, beispielsweise durch Feldeffekt steuerbare Transistoren, wie etwa MOSFETs, JFETs, IGBTs und dergleichen, ausgebildet sein können. In diesem Falle wären deren „Emitter" durch „Source", deren „Kollektor" durch „Drain" und deren „Basis" durch „Gate" zu ersetzen.
Die 7 und 8 zeigen Schaltbilder eines siebten und achten Anwendungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltgerätes. Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen in den 4–6A sind hier die Koppeltransistoren 5, 6 als MOS-FETs, ausgebildet.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sei sie nicht darauf beschränkt, sondern lässt sich auf mannigfaltige Art und Weise modifizieren.
Die jeweiligen steuerbaren Schalter 3, 4, 11 des Schaltungsausgangs SA bzw. der Steuereinrichtung SE sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel in CMOS-Technologie, beispielsweise als MOSFETs, ausgebildet. Denkbar wäre hier alternativ auch eine Ausbildung dieser Transistoren als Bipolartransistoren.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde ferner lediglich auf der Seite des Schaltgerätes ein als Schaltausgang ausgebildeter steuerbarer Schalter vorgesehen, der den Eingangs-/Ausgangsanschluss im eingeschalteten Zustand mit dem Batteriepotenzial UB+ beaufschlagt. Seitens des Steuergerätes ist ein solcher Schaltausgang nicht vorgesehen. Das Schaltgerät ist hier als Slave ausgebildet, während das Steuergerät, das keine Schaltfunktion aufweist, als Master ausgebildet ist. Denkbar wäre allerdings auch, dass beide Teilnehmer einen solchen Schaltausgang aufweisen. Dies ist insbesondere für solche Kommunikationssysteme von Vorteil, bei denen beide Teilnehmer sowohl Schalt- als auch Steuerfunktionen aufweisen sollen und damit sowohl als Master als auch als Slave fungieren können.
Unter einer programmgesteuerten Einrichtung sei hier eine Einrichtung zu verstehen, die basierend auf einem internen Programm eine Steuerfunktion vornimmt. Ein solche programmgesteuerte Einrichtung kann beispielsweise ein Mikrocontroller, ein Mikrocomputer, ein Prozessor, etc. oder auch eine fest verdrahtete Logikschaltung, wie z. B. eine FPGA-Schaltung oder eine PLD-Schaltung, sein.
Auch soll unter dem gemeinsamen Sende-/Empfangsausgang des jeweiligen Mikrocontrollers nicht notwendigerweise ein entsprechender Mikrocontrollerausgang zu verstehen sein. Vielmehr kann darunter ein beliebiger Schnittstellenein-/ausgang unabhängig von der Architektur und Ausführung der entsprechenden Schaltungsanordnung verstanden werden. Insbesondere muss hier auch nicht notwendigerweise ein Mikrocontroller vorgesehen sein. Es genügt hier eine wie auch immer ausgebildete Schnittstellenschaltung oder Transceiver-Schaltung, welche dazu ausgelegt ist, Datensignale über den Sende-/Empfangspfad und über den Eindrahtbus zu senden und gleichermaßen Datensignale von einem anderen, an diesem Eindrahtbus angekoppelten Teilnehmer zu empfangen. Insbesondere könnte diese Transceiver-Schaltung auch eine beliebig anders ausgebildete Logikschaltung sein. Diese Transceiverschaltung und/oder die Schnittstellenschaltung der Steuereinrichtung können beispielsweise in einer TTL-Logik ausgebildet sein. Denkbar hierfür wäre selbstverständlich eine beliebig andere analoge oder auch digitale Schaltung zur Implementierung dessen Funktion.
In den Figuren der Zeichnung weist das erfindungsgemäße Kommunikationssystem bzw. Bussystem genau zwei an dem gemeinsamen Bus angeschlossene Teilnehmer auf. Selbstverständlich können an den gemeinsamen Bus auch mehr als zwei Teilnehmer angeschlossen sein.
In den Ausführungsbeispielen ist das zweite Versorgungspotenzial, welches hier ein Bezugspotenzial bzw. das Potenzial der Bezugsmasse ist, für beide Teilnehmer identisch. Dies ist nicht notwendigerweise erforderlich. Beispielsweise können beide Teilnehmer auch voneinander (z. B. geringfügig) unterschiedliche Bezugspotenziale (bzw. Bezugsmassen) aufweisen.
In den Ausführungsbeispielen insbesondere der 4–8 wird das Schaltgerät jeweils von dem Steuergerät mit Energie versorgt. Dies ist allerdings nicht notwendigerweise erforderlich. Vielmehr kann das Schaltgerät 1 auch über eine eigene, von dem Steuergerät getrennte Energieversorgung verfügen oder zusätzlich oder alternativ auch das Steuergerät mit Energie versorgen.
Die jeweiligen internen Versorgungspotenziale VCC1, VCC2 werden typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, von der dem Schaltgerät bzw. dem Steuergerät zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung (UB+-GND) abgeleitet, wobei hierzu beispielsweise ein Schaltnetzteil, wie z. B. ein Hochsetzsteller oder Tiefsetzsteller, zum Einsatz kommen kann.
Es versteht sich auch von selbst, dass durch Variation der Schaltungselemente und deren Anordnungen die insbesondere in den 4–8 angegebenen konkreten Schaltungsanordnungen abgewandelt und modifiziert werden können, ohne dass dies mit einem erfinderischen Zutun eines Fachmanns einhergeht. Insbesondere lässt sich dies durch Veränderung der steuerbaren Schalter, der Widerstände und Dioden durch funktionsgleiche, andere Elemente realisieren. Auch die Anordnung der Versorgungsanschlüsse und Ausgangsanschlüsse sowie deren Anzahl lässt sich geeignet variieren. Darüber hinaus lässt sich durch Variation der steuerbaren Schalter und hier insbesondere der MOSFETs und Bipolartransistoren eine beliebige Vielzahl anderer Schaltungsvarianten angeben, insbesondere indem deren Leitfähigkeitstypen, Strom-/Spannungs-Charakteristiken und/oder Transistortypen verändert werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf so genannte elektrische oder elektronische Zweileiter- und Dreileiterschaltgeräte. Allerdings ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern lässt sich selbstverständlich auf andere Schaltgerättopographien erweitern, beispielsweise auf vier- oder mehrleitrige Schaltgeräte.
Ferner umfasst des erfindungsgemäße Schaltgerät einen Messsensor, der beispielsweise kapazitiv, induktiv, magnetisch, optisch oder dergleichen einen Messwert aufnimmt. Denkbar wäre hier allerdings auch die Implementierung eines anderes ausgebildeten Messsensors. Darüber hinaus muss das erfindungemäße Schaltgerät nicht notwendigerweise einen solchen Messsensor aufweisen, sondern kann mit einer beliebig anderen Schaltungskomponente ausgestattet sein, die zur Ansteuerung des Schaltausgangs ein entsprechendes Steuersignal bereitstellt.
Darüber hinaus wurde in den vorstehenden Ausführungsbeispielen der Schaltausgang jeweils aus High-Side-Schalter ausgebildet. Es versteht sich von selbst, dass der Schaltausgang auch als Low-Side-Schalter ausgebildet sein kann. In diesem Falle versteht es sich von selbst, dass die entsprechende Überspannungsschutzeinrichtung sowie die entsprechenden weiteren Schutzeinrichtungen und Spannungsteiler-Widerstände entsprechend funktioniert, ohne signifikant abgewandelt zu werden.
Die Schaltgeräte können z. B. als Nahrungsschalter oder auch als Druck-, Strömungs-, Temperatur-, Drehzahlwächter oder dergleichen mit mindestens einem Schaltausgang ausgebildet sein.
Der Schaltausgang kann digital oder analog ausgebildet sein, dass heißt er kann durch ein digitales oder etwa auch ein analoges Signal angesteuert werden.
Die Schaltgeräte werden, wie bereits erwähnt, im Regelfall von externen Spannungsquellen versorgt, können aber auch batteriebetrieben sein oder aus sonstigen Spannungsquellen, wie z. B. Solarzellen, gespeist werden.

DB: Bus
DB1: Eindrahtbusleitung
DS, DS': Datensignale, (Empfangs-/Sende-)Signale
GND: zweites Versorgungspotenzial, Bezugspotenzial, Bezugsmasse
I/O1, I/O2: Eingangs-/Ausgangsanschlüsse
KS: Kommunikationssystem
MS: Messsignal
ÜSE: Überspannungsschutzeinrichtung
RX: Empfangspfad
S0, S1, S2, S3: Steuersignale
SA: Schaltausgangsschaltung, Schaltausgang
SE: Steuereinrichtung
SP1, SP2, SP3: Steueranschlüsse
SS: Schaltsignale
TX: Sendepfad
T1–T2: Zeitabschnitt
V_μC1, V_μC2: Eingangspotenziale
V_1/01: Eingangspotenzial
UB+: drittes Versorgungspotenzial, positives Versorgungspotenzial, Batteriepotenzial
VCC1: erstes (internes) Versorgungspotenzial, positives Versorgungspotenzial
VCC2: viertes (internes) Versorgungspotenzial, positives Versorgungspotenzial
μC1, μC2: steuerbare Schaltungen, Mikrocontroller
1: erster (Kommunikations-)Teilnehmer, Schaltgerät
2: zweiter (Kommunikations-)Teilnehmer, Steuergerät,
3, 4: steuerbare Schalter, MOSFETs
5, 6: Koppeltransistoren, Pegelbegrenzer, Bipolartransistoren
7, 8: Pull-up-Widerstände, Steuerwiderstände
9, 10: Pull-up-Widerstände, Spannungsteilerwiderstände
11: steuerbare Schalter, MOSFET
12A: Sende-/Empfangspfad
12B: Schaltpfad
13: Pull-down-Widerstand, Spannungsteilerwiderstand
14: Koppeltransistor
15: Schottkydiode, Koppeltransistor, Aktivierungstransistor für den – Schaltausgang
16: Koppeltransistor, Pegelbegrenzer für negative Spannungen (Verpolschutz)
17: Abschnürtransistor für negative Spannungen (Verpolschutz)
18: Pull-up-Widerstand, Steuerwiderstand
19: Pull-down-Widerstand, Steuerwiderstand
20–23,: Versorgungsanschlüsse
21A, 23A: Versorgungsanschlüsse
24: Sende-/Empfangsanschluss, Mikrocontrolleranschluss
25: Sende-/Empfangsanschluss
26–28: Steuertransistoren
29: Widerstand
30: Messsensor
31: Auswerte- und Vergleichseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19906342 C2 [0002]

Claims

Elektronisches Schaltgerät (1), mit einem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) zur Ankopplung des Schaltgeräts (1) an eine Eindrahtleitung (DB1) mit einem in einem Schaltpfad (126) angeordneten steuerbaren Schaltausgang (SA), der ausgangsseitig mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) verbunden ist, mit einer Steuereinrichtung (SE), die dazu ausgelegt ist, über den Schaltpfad (126) den Schaltausgang (SA) zu schalten und über einen Datenpfad (12A) zu kommunizieren, mit einer in einem Datenpfad (12A) angeordneten Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE), welche einerseits mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) und andererseits mit der Steuereinrichtung (SE) verbunden ist und welche sowohl im Schaltbetrieb als auch im Empfangsbetrieb einen selbsttätigen Überspannungsschutz bereitstellt.
Schaltgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) als Trennschaltung (ÜSE) ausgebildet ist, die im Überspanungsfall eine physikalische Trennung des Datenpfades (12A) im Bereich zwischen dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) und Steuereinrichtung (SE) vornimmt.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Datenpfad (12A) vorgesehener widerstandsloser Überspannungsschutz vorgesehen ist.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenpfad als bidirektionaler Kommunikationspfad ausgebildet ist, über den sowohl Daten über den Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) und von der Steuereinrichtung (SE) empfangen werden können, als auch Daten von der Steuereinrichtung (SE) über die Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) gesendet werden können.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Versorgungsanschluss (23) für ein erstes Versorgungspotenzial (UB+) und ein zweiter Versorgungsanschluss (21) für ein zweites Versorgungspotenzial (GND), insbesondere für ein Bezugspotenzial (GND), vorgesehen sind und dass der Schaltausgang (SA) versorgungsseitig mit einem der Versorgungsanschlüsse (20) verbunden ist.
Schaltgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Versorgungsanschluss (20) für ein drittes Versorgungspotenzial (VCC1) vorgesehen ist und dieses dritte Versorgungspotenzial (VCC1) der Schaltgerät-internen Versorgung der Steuereinrichtung (SE) und der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) dient.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) einen automatisch gesteuerten Schalter (5) als Überspannungsschutz aufweist, dessen gesteuerte Strecke im Datenpfad (12A) angeordnet ist.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung einen Koppeltransistor aufweist, wobei der Koppeltransistor (5) einen Steueranschluss sowie einen ersten und einen zwei ten Lastausgang aufweist, wobei der Steueranschluss über einen ersten Steuerwiderstand (7) mit dem dritten Versorgungsanschluss (20) verbunden ist und der erste Lastausgang direkt mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) verbunden ist.
Schaltgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Lastausgang des Koppeltransistors (5) über einen zweiten Steuerwiderstand (10) mit dem dritten Versorgungsanschluss (20) verbunden ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Steuerwiderstand (7, 10) als Pull-up-Widerstand ausgebildet ist/sind.
Schaltgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransistor (5) als Bipolartransistor ausgebildet ist, dessen Steueranschluss die Basis, dessen erster Lastausgang den Emitteranschluss und dessen zweiter Lastausgang den Kollektoranschluss des Bipolartransistors bildet.
Schaltgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastausgänge des Bipolartransistors (5) so im Datenpfad (12A) angeordnet sind, dass für einen Überspannungsschutz der Bipolartransistor (12A) invers betrieben ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppeltransistor (5) als MOSFET ausgebildet ist, dessen Steueranschluss den Gateanschluss, dessen erster Lastausgang den Drainanschluss und dessen zweiter Lastausgang den Sourceanschluss des MOSFETs bildet.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (26–28) zur Unterdrückung eines Reststromes vorgesehen ist, die in einem inaktiven Betriebsmodus des Schaltgerätes (1) den Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) und/oder Koppeltransistor (5) in einen hochohmigen Zustand versetzt.
Schaltgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (26–28) zur Unterdrückung eines Reststromes einen durch ein erstes Steuersignal (S2) steuerbaren Schalter (26) aufweist, der ausgangsseitig mit dem Steueranschluss des Koppeltransistors (5) verbunden ist, um den Koppeltransistor, bei Vorhandensein eines geeigneten ersten Steuersignals aufzuschalten.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzeinrichtung (16–19) zum Schutz des Koppeltransistors (5) gehen geringe negative und/oder große positive Spannungen vorgesehen ist.
Schaltgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (16–19) einen Abschnürtransistor (17) aufweist, der den Koppeltransistor (5) bei geringen negativen Spannungen des ersten Koppeltransistors (5), insbesondere bei Spannungen kleiner als dessen Basis-Emitter-Sperrspannung, sperrt.
Schaltgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungseinrichtung (ÜSE) einen als Trennschalter arbeitenden weiteren Koppeltransistor (16) und einen Abschnürtransistor (17) aufweist, die einen Mikrocontrolleranschluss bei die Basis-Emitter-Sperrspannung des Koppeltransistors übersteigenden negativen Spannungen schützt.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1) zur Programmierung von Betriebszuständen und Bedienelementen programmierbar ausgebildet ist.
Schaltgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige der programmierten Betriebszustände und Bedienelemente vorgesehen ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1) als mobiles Handgerät ausgebildet ist, welches durch eine lokale Energieversorgung, insbesondere durch eine Batterie oder einen Akkumulator, mit Energie versorgbar ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (SE) eine als Transceiverschaltung ausgebildete Schnittstellenschaltung aufweist, die einen Sendepfad (TX) zum Senden von Sendesignalen (DS) und einen Empfangspfad (RX) zum Empfangen von Empfangssignalen (DS) aufweist, wobei ein gemeinsamer Sende-/Empfangsanschluss (24) für den Sendepfad (TX) und den Empfangspfad (RX) vorgesehen sind und der gemeinsame Sende-/Empfangsanschluss (24) über einen gemeinsamen Sende-/Empfangspfad (12), in welchem die Überspannungsschutzeinrichtung angeordnet ist, mit dem gemeinsamen Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) verbunden ist.
Schaltgerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (SE) und/oder die Transceiverschaltung (μC1) Bestandteil einer programmgesteuerten Einrichtung (μC1), insbesondere eines Mikrocontroller oder eines Mikroprozessor, ist oder als solche ausgebildet ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1) im Kommunikationsbetrieb als Slave ausgebildet ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltausgang (SA) einen steuerbaren Schalter (11) aufweist, der steuerseitig mit einem ersten Steuerausgang (SP1) der Steuereinrichtung (SE) verbunden ist, der versorgungsseitig mit dem ersten oder zweiten Versorgungsanschluss (21, 23) verbunden ist und der lastseitig direkt mit dem Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) verbunden ist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1) eine Auswerteschaltung und/oder eine Parametrisierschaltung aufweist.
Schaltgerät nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsensor (30), insbesondere ein kapazitiver oder induktiver Sensor (30) vorgesehen ist, der ausgangsseitig mit der Steuereinrichtung (SE) verbunden ist und der dazu ausgelegt ist, einen physikalischen Messgröße aufzunehmen und abhängig davon ein Messsignal (MS) an die Steuereinrichtung (SE) weiterzuleiten.
Schaltgerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (SE) eine Auswerte- und Vergleichseinrichtung (31) aufweist, die das von dem Messsensor (30) empfangene Messsignal (MS) auswertet und mit einer vorgegebenen Messschwelle vergleicht und bei Über- oder Unterschreiten der Messschwelle an einem Steuerausgang (SP1) ein Steuersignal (S1) zur Ansteuerung des Schaltausgangs (SA) erzeugt.
Kommunikationssystem (KS), welches mindestens zwei Teilnehmer (1, 2) aufweist, wobei die Teilnehmer (1, 2) zur Datenkommunikation über deren jeweilige Eingangs-/Ausgangsanschlüsse (I/O1, I/O2) an einer gemeinsamen Eindraht-Datenleitung (DB1) angeschlossen sind und wobei mindestens ein Teilnehmer (1, 2) als Schaltgerät (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
Kommunikationssystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Teilnehmer (1, 2) als Steuergerät (2), insbesondere als Parametriergerät, ausgebildet ist und über die Eindrahtdatenleitungen (DB1) mit dem Schaltgerät (1) verbunden ist.
Kommunikationssystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (2) und das Schaltgerät (1) miteinander fest gekoppelt sind, wobei jeweils einer dieser Teilnehmer (1, 2) den jeweils anderen Teilnehmer (1, 2) mit einer Versorgungsspannung (UB+, GND) versorgt.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 29–31, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1) und das Steuergerät (2) im Betrieb mit unterschiedlichen internen Versorgungspotenzialen (VCC1, VCC2) arbeiten.
Kommunikationssystem nach einem der Ansprüche 29–32, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät (1) und das Steuergerät (2) bezogen auf ein gemeinsames Bezugspotenzial (GND), insbesondere bezogen auf eine gemeinsame Bezugsmasse (GND) arbeiten.
Verfahren zur bidirektionalen Datenkommunikation zwischen mindestens zwei Teilnehmern (1, 2) eines Kommunikationssystems (KS) nach einem der Ansprüche 29–33, bei dem die Datenkommunikation nur dann stattfindet, wenn richtungsabhängig bezogen auf die Richtung der gesendeten Datensignale (DS) jeweils einer der beiden Koppeltransistoren (5, 6) zweier an der Datenkommunikation beteiligten Teilnehmer (1, 2) invers betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 34, bei dem bei einer Datenkommunikation zwischen zwei an der Datenkommunikation beteiligten Teilnehmer (1, 2) der Schaltausgang (11) des oder der Teilnehmers (1) hochohmig geschaltet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Schaltgerätes gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, – mit einem ersten Betriebsmodus, bei welchem das Schaltgerät (1) im Kommunikationsbetrieb betrieben wird und bei dem eine Datenkommunikation über den Datenpfad (12A) bei gleichzeitig hochohmig geschaltetem Schaltausgang (11) erfolgt, und – mit einem zweiten Betriebsmodus, bei welchen das Schaltgerät (1) im Schaltbetrieb betrieben wird, – wobei ein Überspannungsschutz im Datenpfad (12A) im ersten und im zweiten Betriebsmodus selbstständig aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 36, bei dem der als Bipolartransistor (5) ausgebildete Koppeltransistor (5) über dessen Basis-Kollektor-Ansteuerung im Empfangsbetrieb invers betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 36, bei dem der als Bipolartransistor (5) ausgebildete Koppeltransistor (5) als Trennschaltung invers betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–38, bei dem der Schaltausgang (SA) so beeinflusst wird, dass der Schaltausgang (SA) und der Koppeltransistor (5) nie gleichzeitig niederohmig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–39, bei dem im zweiten Betriebsmodus der Schaltausgang (SA) aktiviert ist und über den Schaltausgang (SA) Schaltsignale (SS) gesendet werden und bei dem im ersten Betriebmodus über den Datenpfad (12A) Daten gesendet und/oder empfangen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–40, bei dem der Überspannungsschutz im Datenpfades (12A) sowohl im ersten Betriebsmodus als auch im zweiten Betriebsmodus vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–41, bei dem im zweiten Betriebsmodus der Datenpfad (12A) durch den Überspannungsschutz gesperrt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–42, bei dem im ersten Betriebsmodus für den Fall, dass ein Signal (SS) empfangen wird und dessen Signalpegel eine vorgegebene Schwelle überschreitet, der Überspannungsschutz eine automatisierte Pegelbegrenzung des empfangenen Signals (SS) vornimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–43, bei dem der erste und/oder der zweite Betriebsmodus programmierbar ausgebildet ist/sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 36–44, bei dem eine Datenkommunikation über den Datenpfad (12A) bidirektional erfolgt, so dass über den Eingangs-/Ausgangsanschluss (I/O1) in einem Sendebetrieb sowohl Daten gesendet werden als auch in einem Empfangsbetrieb Daten empfangen werden.