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Die
Erfindung betrifft einen Busteilnehmer mit einer geregelten Sendestromquelle
sowie ein Energie- und Datenübertragungssystem mit derartigen Busteilnehmern.
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In
der Automatisierungstechnik werden häufig Feldbussysteme
eingesetzt, welche einen Feldbus aufweisen, an den mehrere Busteilnehmer,
wie zum Beispiel Master- und Slaveeinrichtungen angeschlossen sind.
Sowohl der Datenaustausch zwischen den Busteilnehmern als auch die
Energieversorgung der Busteilnehmer kann über den Feldbus erfolgen.
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Ein
bekanntes Beispiel für ein solches Feldbussystem ist das
Bussystem gemäß dem ASI(Aktor-Sensor-Interface)-Standard.
Das ASI-System baut auf einem zweiadrigen Bus auf, an den mehrere Busteilnehmer,
wie zum Beispiel eine Mastereinrichtung und mehrere Slaveeinrichtungen
angeschlossen werden können. Die Busteilnehmer weisen jeweils
einen Schnittstellenbaustein auf, der als integrierte Schaltung
realisiert ist, über den die Busteilnehmer an den Bus angeschlossen
werden. Die Versorgungsenergie wird gemeinsam mit den Daten, die als
Spannungspulse der Versorgungsspannung aufmoduliert werden, über
den Bus zu den Busteilnehmern übertragen. Demzufolge müssen
die Busteilnehmer in der Lage sein, die Versorgungsenergie und die
aufmodulierten Daten voneinander zu trennen. Weiterhin weist der
bekannte Busteilnehmer eine direkt an die beiden Leiter des Busses
angeschlossene Sendestromquelle auf, die protokollgemäße
Stromänderungen zur Übertragung von Daten erzeugt.
Ein solcher Busteilnehmer sowie eine Maßnahme zur Trennung
der Versorgungsenergie und der Daten sind aus der
DE 102 57 632 B4 bekannt. Danach
weist jede Slaveeinrichtung eine passive, symmetrische Entkopplungseinrichtung
auf, die aus zwei separaten, außerhalb der integrierten
Schaltung angeordneten Koppelinduktivitäten besteht. Jede Koppelinduktivität
ist mit einem Busleiter des zweiadrigen Busses und einem Anschluss
eines Aktors oder Sensors, der Bestandteil der Slaveeinrichtung
ist, verbunden. Dank der bekannten Entkopplungseinrichtung können
die Busteilnehmer über den zweiadrigen Systembus sozusagen
datenentkoppelt mit Energie versorgt werden. Die bekannte passive
Entkopplungseinrichtung benötigt jedoch externe Induktivitäten,
die zu einem komplexen und teuren Busteilnehmer führen.
Zudem offenbart die
DE
102 57 632 B4 eine Slaveeinrichtung mit einer gesteuerten Transmitterstromquelle,
die an die beiden Leiter des Systembusses angeschlossen ist und
somit unmittelbar über die an den Leitern anliegende positive
und negative Busspannung betrieben wird. Bei dem bekannten Busteilnehmer
tritt neben der durch die Energieversorgung des angeschlossenen
Aktors oder Sensors verursachten Verlustleitung noch die durch die
Transmitterstromquelle verursachte Verlustleistung hinzu.
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Der
Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, einen Busteilnehmer
zu schaffen, der zumindest im Sendebetrieb weniger Verlustleistung
erzeugt.
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Zudem
soll ein kostengünstigerer und kompakterer Busteilnehmer
geschaffen werden, in dem weniger diskrete Bauteile verwendet werden.
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Ein
Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, einen Busteilnehmer
bereitzustellen, dessen integrierte Schaltung derart aufgebaut ist,
dass die darin implementierte geregelte Sendestromquelle nicht aus
der hohen, über das Übertragungsmedium übertragenen
Versorgungsspannung betrieben wird. Statt dessen ist die Sendestromquelle
in den Energieversorgungspfad des Busteilnehmers geschaltet. Dank
dieser Maßnahme wird der Sendestrom auch zur Speisung eines
angeschlossenen Sensors oder Aktors verwendet. Zudem wird verhindert,
dass die gesamte, vom System gelieferte Versorgungsspannung an der
Sendestromquelle anliegt.
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Das
oben genannte technische Problem löst die Erfindung zum
Einen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Danach
ist ein Energie- und Datenübertragungssystem zur datenentkoppelten
Energieversorgung von Busteilnehmern vorgesehen, das ein einen ersten
und zweiten Leiter (83, 85) umfassendes Übertragungsmedium
aufweist, an welches mehrere Busteilnehmer angeschlossen sind. Die
Versorgungsenergie und Daten werden gemeinsam über das Übertragungsmedium übertragen.
Wenigstens einer der Busteilnehmer enthält eine integrierte Schaltung
mit einer Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden bzw. Empfangen
von Daten gemäß einem vorbestimmten Kommunikationsprotokoll
sowie eine Entkopplungseinrichtung zum Bereitstellen einer Versorgungsgleichspannung.
Die Sendeeinrichtung enthält eine erste, geregelte Stromquelle, deren
erster Anschluss einem der beiden Leiter zugeordnet ist und deren
zweiter Anschluss mit einem Ausgangsanschluss der Entkopplungseinrichtung verbunden
ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausbildungsform ist der erste Anschluss der ersten,
geregelten Stromquelle direkt mit dem einen Leiter verbunden.
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Angemerkt
sei, dass die über das Übertragungsmedium zugeführte
Versorgungsspannung höher ist als die von der Entkopplungseinrichtung
einem Sensor oder Aktor bereitgestellte Versorgungsspannung.
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Vorteilhafterweise
kann die Entkopplungseinrichtung Bestandteil der integrierten Schaltung sein.
Sie kann eine dem ersten Leiter zugeordnete erste Regeleinrichtung
und eine dem zweiten Leiter zugeordnete zweite Regeleinrichtung
aufweisen. Die beiden Regeleinrichtungen regeln ihre jeweilige Ausgangsspannung
derart, dass Stromänderungen innerhalb des Busteilnehmers
kompensiert werden, so dass eine im Wesentlichen fehlerfreie Datenübertragung
gewährleistet ist. Einer der beiden Regeleinrichtungen
kann einen Spannungsfolger enthalten. Dann ist er in der Lage, die
jeweilige Ausgangsspannung konstant zu halten. Die andere Regeleinrichtung
kann eine zweite, geregelte Stromquelle enthalten, die dafür
sorgt, dass keine die Datenübertragung beeinträchtigende
Stromänderungen erzeugt werden. In diesem Fall kann die
Sendeeinrichtung die zweite, geregelte Stromquelle als Sendestromquelle enthalten.
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Eine
Bypasseinrichtung sorgt dafür, dass ein Teil des von der
ersten und/oder zweiten, geregelten Stromquelle der Sendeeinrichtung
gelieferten Stroms an einem mit der Entkopplungseinrichtung verbundenen
Sensor oder Aktor vorbeigeführt wird, wenn der Sensor oder
Aktor nicht den gesamten Strom aufnehmen kann. Somit ermöglicht
die Erfindung den Einsatz unterschiedlich dimensionierter Sensoren
oder Aktoren.
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Eine
Logikeinrichtung dient dazu, die erste und/oder zweite, geregelte
Stromquelle der Sendeeinrichtung zum Erzeugen definierter Stromänderungen
zu steuern.
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Das
oben genannte technische Problem wird zum Anderen durch die Merkmale
des Anspruchs 7 gelöst.
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Danach
ist ein Busteilnehmer insbesondere zum Einsatz in einem Energie-
und Datenübertragungssystem vorgesehen, wobei der Busteilnehmer zum
Anschließen an ein einen ersten Leiter und einen zweiten
Leiter enthaltendes Übertragungsmedium (80) ausgebildet
ist, über welches die Versorgungsenergie und Daten gemeinsam übertragen werden.
Der Busteilnehmer weist eine integrierte Schaltung mit einer Sende-
und Empfangseinrichtung zum Senden bzw. Empfangen von Daten über das Übertragungsmedium
gemäß einem vorbestimmten Kommunikationsprotokoll
sowie eine Entkopplungseinrichtung zum Bereitstellen einer Gleichspannung
auf, die aus der über das symmetrische Übertragungsmedium übertragenen
Versorgungsenergie gewonnen wird. Die Sendeeinrichtung enthält eine
erste, geregelte Stromquelle, deren erster Anschluss einem der beiden
Leiter (83, 85) zugeordnet ist und deren zweiter
Anschluss mit einem Ausgangsanschluss (116) der Entkopplungseinrichtung
verbunden ist.
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Ein
weiterer Kerngedanke der Erfindung ist darin zu sehen, einen Busteilnehmer
mit einer leistungsfähigeren Entkopplungseinrichtung auszustatten,
die Bestandteil einer integrierten Schaltung ist, über
welche der Busteilnehmer an ein zweiadriges Übertragungsmedium
angeschlossen werden kann. Die integrierte Entkopplungseinrichtung
umfasst zwei Regeleinrichtungen, die jeweils einem der beiden Leiter
des Übertragungsmediums zugeordnet sind. Die beiden Regeleinrichtungen
sorgen dafür, dass zum Einen die Versorgungsenergie von
den am Busteilnehmer ankommenden Daten getrennt wird und dass zum
Anderen eine Beeinträchtigung der Datenübertragung
durch Stromänderungen im Busteilnehmer verhindert wird.
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Hierzu
ist ein Energie- und Datenübertragungssystem zur datenentkoppelten
Energieversorgung von Busteilnehmern vorgesehen. Das Energie- und
Datenübertragungssystem weist ein einen ersten und zweiten
Leiter umfassendes Übertragungsmedium auf, an welches mehrere
Busteilnehmer angeschlossen sind. Die Versorgungsenergie und Daten
werden über das Übertragungsmedium gemeinsam übertragen.
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Wenigstens
einer der Busteilnehmer, vorzugsweise jedoch jeder Busteilnehmer,
weist eine integrierte Schaltung mit einer Sende- und Empfangseinrichtung
zum Senden beziehungsweise Empfangen von Daten gemäß einem
vorbestimmten Kommunikationsprotokoll sowie eine Entkopplungseinrichtung
zum Bereitstellen einer Versorgungsgleichspannung auf. Die Entkopplungseinrichtung
ist Bestandteil der integrierten Schaltung und weist eine erste,
dem ersten Leiter zugeordnete Regeleinrichtung und eine zweite,
dem zweiten Leiter zugeordnete Regeleinrichtung auf. Die beiden
Regeleinrichtungen sind derart ausgebildet, dass ihre jeweilige
Ausgangsspannung derart geregelt werden, dass Stromänderungen
innerhalb des Busteilnehmers kompensiert werden, so dass eine im
Wesentlichen fehlerfreie Datenübertragung innerhalb des
Energie- und Datenübertragungssystems gewährleistet
ist.
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Die
besagten Stromänderungen sind von protokollgemäßen,
definierten Stromänderungen zu unterscheiden, die zur Datenübertragung
von der Sendeeinrichtung erzeugt werden. Bei den besagten Stromänderungen
handelt es sich somit um Störsignale.
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Mit
dem Begriff ”datenentkoppelte Energieversorgung” ist
im weitesten Sinne eine Energieversorgung der Busteilnehmer über
das Übertragungsmedium zu verstehen, ohne dass hierbei
die eigentliche Datenübertragung beeinträchtigt
wird.
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Der
Begriff ”Busteilnehmer” erfasst sowohl eine Master-
oder Steuereinrichtung, eine Slaveeinrichtung, welche wenigstens
eine Last, zum Beispiel wenigstens einen Sensor und/oder einen Aktor
enthält, als auch eine Anschlusseinrichtung, an die wenigstens
eine externe Last angeschlossen werden kann.
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Angemerkt
sei, dass es sich bei dem vorbestimmten Kommunikationsprotokoll
um ein Kommunikationsprotokoll gemäß dem ASI-Standard
handeln kann. In diesem Fall wird das Übertragungsmedium als
symmetrischer, erdfreier Bus betrieben.
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Weiterhin
sei angemerkt, dass die Sendeeinrichtung der integrierten Schaltung
vorzugsweise eine Stromquelle und die Empfangseinrichtung vorzugsweise
mindestens einen Komparator zum Detektieren von Spannungspulsen
enthält.
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Bei
einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Energieversorgungseinrichtung
zum Anlegen einer höheren und niedrigeren Gleichspannung
an das Übertragungssystem sowie eine Modulationseinrichtung
zum Aufmodulieren zu übertragender Daten als eine Folge
von alternierenden Spannungspulsen auf die höhere und niedrigere
Gleichspannung vorgesehen. Bei der Übertragung von Spannungspulsen
wird eine maximale Frequenz, das heißt ein minimaler zeitlicher
Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungspulsen, und
ein maximaler Spannungshub nicht überschritten. Die integrierte Entkopplungseinrichtung
weist in diesem Fall eine an den ersten und zweiten Leiter des Übertragungsmedium
angeschlossene Filtereinrichtung zum Unterdrücken von Spannungspulsen
auf, um die höhere und niedrigere Gleichspannung zu liefern.
Weiterhin weist die integrierte Schaltung eine Pegelanpassungseinrichtung
auf, die eingangsseitig mit den Ausgängen der Filtereinrichtung
und ausgangsseitig mit der ersten und zweiten Regeleinrichtung verbunden
ist. Die Pegelanpassungseinrichtung liefert einen ersten und einen
zweiten Sollwert für die jeweilige Regeleinrichtung derart,
dass die erste Regeleinrichtung eine Ausgangsspannung erzeugt, deren
Amplitude mindestens um den maximalen Spannungshub unterhalb der
höheren Gleichspannung, welche an dem ersten Leiter anliegt,
liegt, und dass die zweite Regeleinrichtung eine Ausgangsspannung
erzeugt, deren Amplitude mindestens um den maximalen Spannungshub über
der niedrigeren Gleichspannung, welche an dem zweiten Leiter anliegt,
liegt.
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Die
Merkmale ”höhere Gleichspannung” und ”niedrigere
Gleichspannung” beziehen sich auf ein Bezugspotential,
beispielsweise auf die Systemmasse. Mit erfasst werden soll auch
der Fall, dass die niedrigere Spannung 0 Volt beträgt,
d. h. auf Erdpotential liegt.
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Um
eine zuverlässige, das heißt im Wesentlichen störungsfreie
Datenübertragung sicherstellen zu können, enthält
eine der beiden Regeleinrichtungen einen Spannungsfolger, der derart
betrieben wird, dass die Ausgangsspannung der Regeleinrichtung konstant
gehalten wird. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die
Regelzeit dieser Regeleinrichtung kürzer ist als der kleinste
zeitliche Abstand zweier aufeinanderfolgender Spannungspulse. Die andere
Regeleinrichtung weist eine geregelte Stromquelle auf, die verhindert,
dass Stromänderungen des Busteilnehmers die Datenübertragung
beeinträchtigen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Regeleinrichtung
dafür sorgt, dass im Busteilnehmer auftretende störende
Stromänderungen langsamer sind als die durch die Systemspezifikation,
beispielsweise die ASI-Spezifikation, maximal zugelassenen störenden
Stromänderungen. Zu unterdrückende störende
Stromänderungen können beim Ein- und Ausschalten
des Sensors entstehen.
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Um
Stromänderungen innerhalb des Busteilnehmer, die die Datenübertragung
stören könnten, vorübergehend kompensieren
zu können, weist der Busteilnehmer einen Energiespeicher,
vorzugsweise einen Kondensator auf.
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Weiterhin
ist ein Busteilnehmer zum Einsatz in einem Energie- und Datenübertragungssystem vorgesehen.
Der Busteilnehmer ist zum Anschließen an ein, einen ersten
und zweiten Leiter enthaltendes Übertragungsmedium ausgebildet, über
welches die Versorgungsenergie und Daten gemeinsam übertragen
werden. Der Busteilnehmer enthält eine integrierte Schaltung
mit einer Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden beziehungsweise
Empfangen von Daten über das Übertragungsmedium
gemäß einem vorbestimmten Kommunikationsprotokoll
sowie eine Entkopplungseinrichtung zum Bereitstellen einer Gleichspannung.
Die Gleichspannung wird aus der über das Übertragungsmedium
zugeführten Versorgungsspannung gewonnen. Die Entkopplungseinrichtung
ist Bestandteil der integrierten Schaltung und weist eine erste,
dem ersten Leiter zugeordnete Regeleinrichtung sowie eine zweite,
dem zweiten Leiter zugeordnete Regeleinrichtung auf. Beide Regeleinrichtungen
regeln ihre jeweilige Ausgangsspannung derart, dass Stromänderungen
im Busteilnehmer kompensiert werden, so dass eine im Wesentlichen
fehlerfreie Datenübertragung gewährleistet ist.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
beispielhaftes Energie- und Datenübertragungssystem gemäß dem
ASI-Standard,
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2 das
Blockschaltbild einer in 1 gezeigten Slaveeinrichtung,
und
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3 den örtlichen
Verlauf der positiven und negativen Busspannung innerhalb der in 2 gezeigten
Slaveeinrichtung.
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1 zeigt
ein beispielhaftes Energie- und Datenübertragungssystem 5,
welches gemäß dem ASI-Standard implementiert sein
kann. Da der ASI-Standard allgemein bekannt und in der Fachliteratur
ausführlich beschrieben ist, wird im Folgenden der ASI-Standard
nur insoweit erläutert, wie er für das vorliegende
Ausführungsbeispiel von Bedeutung ist.
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Das
beispielhafte Energie- und Datenübertragungssystem 5,
nachfolgend auch kurz Bussystem genannt, verwendet ein symmetrisch
und erdfrei betriebenes zweidrahtiges Übertragungsmedium 80, welches
einen Busleiter 83 und einen Busleiter 85 aufweist.
An die beiden Leiter 83 und 85 sind ein Netzteil 10 und
mehrere Busteilnehmer 20, 30 und 70 angeschlossen.
Das Netzteil 10 enthält eine Gleichspannungsquelle 12 und
zwei Modulationsglieder 13 und 14, die in an sich
bekannter Weise definierte Stromänderungen, die die zu übertragenden
Daten darstellen, in ein Folge von alternierenden Spannungspulsen
umsetzen und der von der Gleichspannungsquelle 12 gelieferten
Versorgungsspannung aufmodulieren. Im vorliegenden Beispiel wird
an den Busleiter 85 als höhere Gleichspannung
eine positive Versorgungsgleichspannung Bus+, z. B. 15 Volt, und an
den Busleiter 83 als niedrigere Gleichspannung eine negative
Versorgungsgleichspannung Bus–, z. B. –15 Volt,
angelegt. Der Busteilnehmer 20 ist beispielsweise als Mastereinrichtung
ausgebildet, die eine SPS 22 enthalten kann. Über
einen Schnittstellenbaustein 24, der als integrierte Schaltung 24 aufgebaut
ist, ist die Mastereinrichtung 20 an den beiden Busleitern 83 und 85 angeschlossen.
Der integrierte Schnittstellenbaustein 24 enthält
in an sich bekannter Weise eine definiert steuerbare Stromquelle
als Sendeeinrichtung, die gemäß dem ASI-Standard
Daten in Form von definierten Stromänderungen über
den symmetrisch betriebenen Bus 80 überträgt.
Diese definierten Stromänderungen werden dann in dem Netzteil 10 in
Spannungspulse umgesetzt. Weiterhin ist in der integrierten Schnittstelleneinrichtung 24 eine
Empfangseinrichtung implementiert, die derart ausgebildet ist, dass
sie Daten, die als Spannungspulse über den Bus 80 übertragen
werden, empfangen und entsprechend auswerten kann. Der besseren Übersichtlichkeit
wegen sind lediglich zwei weitere Busteilnehmer 30 und 70 gezeigt,
die als Slaveeinrichtungen 30 und 70 fungieren.
Die Slaveeinrichtungen 30 und 70 sind jeweils
mittels eines Schnittstellenbausteins 50 beziehungsweise 76 an
den Bus 80 angeschlossen. Beide Schnittstellenbausteine 50 und 76 sind
als integrierte Schaltung ausgeführt und weisen jeweils
zwei Anschlüsse zum Verbinden des Busteilnehmers mit dem
Bus 80 auf. Im vorliegenden Beispiel weist der Schnittstellenbaustein 50 der
Slaveeinrichtung 30 zwei Ausgangsanschlüsse auf,
an welche ein Sensor 40 angeschlossen ist, während der
Schnittstellenbaustein 76 der Slaveeinrichtung 70 zwei
Ausgangsanschlüsse aufweist, an die ein interner Aktor 72 angeschlossen
ist. Denkbar ist auch, dass an jeden integrierten Schnittstellenbaustein 50 bzw. 76 auch
mehrere Sensoren und/oder Aktoren angeschlossen sein können.
Aktoren und/oder Sensoren sind innerhalb der jeweiligen Slaveeinrichtung implementiert.
An den beiden Ausgangsanschlüssen der integrierten Schnittstellenbausteine 50 und 76 ist jeweils
ein Kondensator 60 beziehungsweise 75 angeschlossen.
Die Kondensatoren 60 und 75 sorgen dafür,
dass in der jeweiligen Slaveeinrichtung 30 bzw. 70 auftretende
störende Stromänderungen vorübergehend
kompensiert werden, um eine Beeinträchtigung der Datenübertragung
auf dem Bus 80 zu verhindern. Solche Stromänderungen
können auftreten, wenn der Sensor 40 beziehungsweise
der Aktor 72 ein- oder ausgeschaltet wird. Wie der integrierte Schnittstellenbaustein 24 der
Mastereinrichtung 20 weisen auch die beiden integrierten
Schnittstellenbausteine 50 und 76 in an sich bekannter
Weise jeweils eine steuerbare Stromquelle 140 als Sendeeinrichtung
und eine nicht dargestellte Empfangseinrichtung auf.
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Die
integrierten Schnittstellenbausteine 50 und 76 der
Slaveeinrichtung 30 beziehungsweise 70 weisen
ferner eine Entkopplungseinrichtung auf, deren Aufbau in 2 detaillierter
dargestellt ist. Angemerkt sei, dass eine entsprechende Entkopplungseinrichtung
auch in dem Schnittstellenbaustein 24 der Mastereinrichtung 20 implementiert
sein kann.
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Wie
bereits einleitend erwähnt, können die Slaveeinrichtungen 30 und 70 auch
als Anschlusseinrichtung ausgebildet sein, an die Sensoren und/oder
Aktoren extern angeschlossen werden können. In diesem Fall
ist der integrierte Schnittstellenbaustein in der jeweiligen Anschlusseinrichtung
enthalten.
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2 zeigt
detaillierter den Aufbau der Slaveeinrichtungen, und zwar lediglich
anhand der Slaveeinrichtung 30.
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Der
besseren Übersichtlichkeit wegen sind nur die für
die Erfindung wesentlichen Bauteile der integrierten Schaltung 50 dargestellt.
Insbesondere die Empfangseinrichtung ist nicht gezeigt.
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Die
Slaveeinrichtung 30 wird über die integrierte
Schaltung 50, der auch als integrierter Schnittstellenbaustein
bezeichnet wird, an den Busleiter 85 und an den Busleiter 83 des
symmetrischen Übertragungsmediums 80 angeschlossen.
Eingangsseitig weist der integrierte Schnittstellenbaustein 50 ein
Filter, vorzugsweise ein Tiefpassfilter 90 auf, das, sobald
die Slaveeinrichtung 30 am Bus 80 angeschlossen
ist, mit den beiden Busleitern 85 und 83 verbunden
ist. Das Filter 90 filtert die jeweils auf den Leitern 83 und 85 liegenden
Spannungspulse heraus und stellt an seinem einen Ausgang die auf
dem Leiter 85 anliegende positive Gleichspannung Bus+ und
an seinem anderen Ausgang die auf dem Leiter 83 anliegende
negative Gleichspannung Bus– bereit. Die beiden Ausgänge
des Filters 90 sind mit einer Pegelanpassungseinrichtung 100 verbunden,
die an ihren beiden Ausgängen jeweils einen angepassten Gleichspannungs-Sollwert
Vsoll+ und Vsoll- liefert.
Die genaue Funktionsweise der Pegelanpassungseinrichtung 100 wird
nachfolgend noch erläutert.
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Der
Gleichspannungs-Sollwert Vsoll+ wird dem
Eingang einer Regeleinrichtung 120 zugeführt, die
beispielsweise als Spannungsfolger ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist die Regeleinrichtung 120 einen Differenzverstärker 122 und ein
Schaltelement 124 auf. Das Schaltelement 124 kann
als FET-Transistor ausgebildet sein.
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In
diesem Fall wird der Gleichspannungs-Sollwert Vsoll+ dem
invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 122 zugeführt.
Der Ausgang 126 der Regeleinrichtung 120 entspricht
dem Drain-Anschluss des Transistors 124. Die am Ausgang 126 anliegende
Ausgangsspannung wird auf den nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 122 zurück
gekoppelt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 122 ist
mit dem Gateanschluss des Transistors 124 verbunden. Der
Source-Anschluss des Transistors 124 ist mit dem Busleiter 85 verbunden.
Der Ausgang 126 der Regeleinrichtung 120, der bei
der vorliegenden Betrachtungsweise dem einen Ausgangsanschluss der
integrierten Schaltung 50 entspricht, ist mit einem ersten
Eingang des Sensors 40 verbunden.
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Der
von der Pegelanpassungseinrichtung 100 gelieferte Gleichspannungs-Sollwert
Vsoll- wird dem Eingang einer weiteren Regeleinrichtung 110 zugeführt.
Die Regeleinrichtung 110 ist beispielsweise als geregelte
Stromquelle ausgebildet. In diesem Fall weist sie einen Differenzverstärker 112 und
ein Schaltelement 114 auf, welches wiederum als FET-Transistor
ausgebildet sein kann. Der Ausgang des Differenzverstärkers 112 ist über
ein RC-Glied 113 mit dem Gateanschluss des Transistors 114 verbunden.
Das RC-Glied 113 legt die Regelzeit der Regeleinrichtung 110 derart
fest, dass Stromänderungen in der Slaveeinrichtung 30 sich
nicht störend auf die Datenübertragung auf dem
Bus 80 auswirken. Der Ausgang 116 der Regeleinrichtung 110,
der mit dem Drain-Anschluss des Transistors 114 zusammenfällt,
ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 112 verbunden.
Der Source-Anschluss des Transistors 114 ist mit dem Busleiter 83 verbunden.
Der Ausgang 116 der Regeleinrichtung 110, der
bei der vorliegenden Betrachtungsweise mit dem anderen Ausgangsanschluss
der integrierten Schaltung 50 zusammenfällt, ist
ferner mit einem weiteren Eingang des Sensors 40 verbunden.
Parallel zu den Eingängen des Sensors 40 ist der
Kondensator 60 angeschlossen. Die zur Energieversorgung
der Slaveeinrichtung 30 und insbesondere des Sensors 40 erforderliche
Versorgungsspannung liegt nunmehr an den Ausgängen 116 und 126 an.
Der Kondensator 60 wird ebenfalls über diese Versorgungsspannung
aufgeladen. Das Tiefpassfilter 90, die Pegelanpassungseinrichtung 100 sowie
die beiden Regeleinrichtungen 110 und 120 bilden
zusammen die Entkopplungseinrichtung der integrierten Schaltung 50.
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Um
Daten in Form definierter Stromänderungen mit reduzierter
Verlustleistung erzeugen zu können, ist die steuerbare
Stromquelle 140 in den Energieversorgungspfad der Slaveeinrichtung 30 eingeschleift.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Anschluss
der Stromquelle 140 an den Busleiter 83 angeschlossen,
während der andere Anschluss der Stromquelle 140 an
dem Ausgang 116 der Regeleinrichtung 110 angeschlossen
ist. Damit wirkt die Sendestromquelle 140 parallel zur
Regeleinrichtung 110. Dank dieser Maßnahme liegt
an der Sendestromquelle 140 eine Spannung an, die deutlich
niedriger als die über den Bus 83, 85 zugeführte Versorgungsspannung
ist.
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Weiterhin
ist ein Logikbaustein 130 mit der Stromquelle 140 verbunden,
der gemäß einem Kommunikationsprotokoll, beispielsweise
dem ASI-Protokoll, die Stromquelle 140 ansteuert, damit
die Stromquelle 140 definierte Stromänderungen
zur Datenübertragung erzeugt. Im eingeschalteten Zustand
des Sensors 40 werden die definierten Stromänderungen durch
den Sensor 40 geleitet. Parallel zu den Eingängen
des Sensors 40 ist ein geregelter Bypass 150 geschaltet, über
den die definierten Stromänderungen übertragen
werden, wenn der Sensor 40 deaktiviert ist oder den gesamten
Strom nicht aufnehmen kann. Die als geregelte Stromquelle arbeitende
Regeleinrichtung 110 kann die Funktion der Sendeeinrichtung mit übernehmen.
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Die
Funktionsweise des Energie- und Datenübertragungssystems 5 wird
insbesondere hinsichtlich der Entkopplungseinrichtung der Slaveeinrichtung 30 anhand
der 2 und 3 näher erläutert.
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Angenommen
sei, dass die Mastereinrichtung 20 Daten über
den Bus 80 übertragen möchte. Die zu übertragenden
Daten werden in Form von Stromänderungen von der Stromquelle
der Mastereinrichtung 20 auf den Bus 80 gegeben,
im Netzteil 10 in eine Folge von alternierenden Spannungspulsen
umgesetzt und der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 12 mittels
der Modulationsglieder 13 und 14 aufmoduliert.
Die modulierte positive Gleichspannung Bus+ wird an den Busleiter 85 angelegt,
während die modulierte negative Gleichspannung Bus– an
den Busleiter 83 angelegt wird. An den beiden Eingängen
der integrierten Schaltung 50 der Slaveeinrichtung 30,
die in 2 schematisch durch die gestrichelte Linie a)
markiert sind, liegen die in 3 lediglich
abschnittsweise dargestellten ortsabhängigen Spannungsverläufe
an. Die am Busleiter 85 anliegende modulierte Spannung
wird dem ersten Eingang des Filters 90 zugeführt,
während die am Busleiter 83 anliegende modulierte
Spannung dem zweiten Eingang des Filters 90 zugeführt
wird. Das Tiefpassfilter 90 filtert aus den modulierten
Spannungen die die Daten übertragenden Spannungspulse heraus,
so dass an den beiden Ausgängen des Filters 90,
die in 2 durch die gestrichelte Linie b) markiert sind,
die positive Gleichspannung Bus+ bzw. die negative Gleichspannung
Bus– anliegen. Diese Spannungsverläufe sind wiederum
in 3 an der mit b) gekennzeichneten Stelle dargestellt.
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Die
Pegelanpassungseinrichtung 100 hat nunmehr die Aufgabe,
die vom Filter 90 gelieferte positive Gleichspannung auf
den Sollwert Vsoll+ und negative Gleichspannung
auf den Sollwert Vsoll- einzustellen. Der
Sollwert Vsoll+ liegt um mindestens den maximalen
Spannungshub unterhalb der positiven Gleichspannung Bus+, während
der Sollwert Vsoll- um mindestens den maximalen
Spannungshub über der negativen Gleichspannung Bus– liegt.
Der maximale Spannungshub gibt die maximal auftretende Amplitude
der Spannungspulse an, welche gemäß dem verwendeten
Kommunikationsprotokoll im Netzteil 10 erzeugt werden.
Die entsprechende Spannungseinstellung ist in 2 symbolisch
durch Gleichspannungsquellen 102 und 104 der Pegelanpassungseinrichtung 100 dargestellt.
In 2 sind die Ausgänge der Pegelanpassungseinrichtung 100,
an denen der Sollwert Vsoll+ bzw. Vsoll- anliegt, durch die gestrichelte Linie
c) dargestellt. 3 zeigt die entsprechenden Sollwerte
Vsoll+ und Vsoll- an
der mit c) gekennzeichneten Stelle. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel wird
der positive Sollwert Vsoll+ beispielsweise
auf 12 Volt und der negative Sollwert Vsoll- beispielsweise
auf –12 Volt eingestellt.
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Die
Regeleinrichtung 120 sorgt dafür, dass die Ausgangsspannung
am Ausgang 126 dem Sollwert Vsoll+ folgt,
so dass eine rippelfreie positive Ausgangsspannung entsteht. Hierzu
wird die Regelzeit der Regeleinrichtung 120 derart eingestellt,
dass sie kürzer als der kleinste zeitliche Abstand zweier
aufeinanderfolgender Spannungspulse ist. Dadurch wird sichergestellt,
dass der Transistor 124 so schnell angesteuert wird, dass
die über den Leiter 85 ankommenden Spannungspulse
nicht an den Ausgang 126 gelangen.
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Die
Regeleinrichtung 110 sorgt dafür, dass in der
Slaveeinrichtung 30 auftretende Stromänderungen
keine Spannungspulse hervorrufen, die die Datenübertragung
auf dem Bus 80 beeinträchtigen. Dies erreicht
die als geregelte Stromquelle ausgebildete Regeleinrichtung 110 dadurch,
dass das am Ausgang 116 des Transistors 114 anliegende
Ausgangssignal so langsam geregelt wird, dass die Stromänderungen
des Busteilnehmers langsamer sind als die durch die Systemspezifikation,
beispielsweise die ASI-Spezifikation, maximal zugelassenen störenden
Stromänderungen. Zu unterdrückende störende Stromänderungen
können beim Ein- und Ausschalten des Sensors 40 entstehen.
Insbesondere beim Einschalten des Sensors 40 steigt der
Strom am Ausgang 116 aufgrund der geforderten Energiezufuhr
an. Die zur Kompensation der Stromänderungen erforderliche
längere Regelzeit wird durch das RC-Glied 113 festgelegt.
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Die
in der integrierten Schaltung 50 implementierte Entkopplungseinrichtung
sorgt somit dafür, dass der Sensor 40 mittels
der auf dem Bus 80 übertragenen Versorgungsenergie
gespeist werden kann, ohne dass die ebenfalls über den
Bus 80 übertragenen Daten gestört werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10257632
B4 [0003, 0003]